百万高清一体化机芯的关键技术和选择标准

文/仲伟

百万高清一体化机芯的关键技术和选择标准

文/仲伟

高清机芯市场需求激增

面对视频监控高清化、网络化和智能化的发展趋势,随着百万高清监控以成熟的技术和合理的价格对整个视频监控市场的渗透，百万高清的数字视频监控时代已经来临，并在进一步完善和提高。

目前，传统机芯的价格每年约有10%左右的下降，但是新的高像素、高清晰度的机芯价格仍旧比较高，利润丰厚，从2009年下半年开始，国外厂商加大对高清产品的开发和推广力度，日韩公司率先推出了高清机芯产品。2010年索尼和三星主推模拟高清机芯，而日立公司则推出了数字高清机芯。百万像素的数字高清将原来D1的40万像素提高到百万像素，使得日立的130万像素高清一体化摄像机迅速占领了高清机芯的市场，并且供不应求。2011年Sony、日立先后又推出了200万像素数字高清一体化机芯，市场反应良好。2012年三星也推出了自己的200万像素机芯。

除了日韩公司外，国内机芯企业推出的大都是130万像素的高清机芯，200万像素的机芯产品都还未量产发布。目前，200万高清球型摄像机使用都大多是日立、索尼的机芯。国外虽然在高清技术方面走的比较靠前，但针对高清一体化机芯这一块产品也刚开始起步，同时国外的产品价格比较高，不适合大规模应用。国内一些大的安防公司，比如大华股份正是抓住了这样一个机遇，适时推出200万高清一体化机芯，很好的补全了更高像素的高清一体化机芯的类型，能更好的满足市场的需求。

高清一体化机芯之所以很受市场欢迎，除了因为有模拟机芯不能比拟的图像清晰度外，还因为其配上球机后优秀的控制功能，能针对一些场景进行快速的跟拍、抓拍。目前，在社会治安监控、平安城市、平安校园等项目的建设中，很多客户指明必须使用高清机芯，以便为查处违法车辆、犯罪嫌疑人等提供重要的技术手段和证据。

高清机芯技术发展更为严格

高清机芯是集嵌入式系统技术、图像处理技术、镜头控制技术、自动聚焦技术等结合在一起的新技术。近两年来，机芯产品虽是在不断推陈出新，但图像质量、变焦速度、聚焦速度依然是衡量高清机芯性能的重要指标。图像质量的好坏是用户最直观的体验。图像质量大致可以分为两方面，白天用户会强调图像的清晰度、色彩还原；夜晚会强调低照效果。如何才能获取更好的图像质量，这是一个很难回答的问题，它与传感器，镜头、图像处理等都有很大的关系。

一体机镜头及相关光学部分是一体化摄像机机芯的成像系统，其直接影响一体化摄像机机芯的品质。由于一体机镜头受到体积及成本的限制，镜头要做到长焦距，高解析，同时保证进光量等难度相对较大。目前高端的镜头主要被日本厂商所掌握，如腾龙、富士能等。标清一体机镜头焦距已经有10倍、12倍、18倍、22倍、26倍、36倍，37倍甚至更高。随着高清摄像机需求的凸显，腾龙2010年推出了18倍百万像素的高解析度的一体机镜头。但是随着一体化摄像机机芯对图像效果要求越来越高，日韩的机芯厂商如三星已经自己着手开发镜头，如改大标清镜头光学孔径，配合1/3英寸的图像传感器来提升机芯的图像效果，研制高解析的标清镜头提高图像线数，开发百万像素高清镜头来降低成本，这些都使得机芯产品更有竞争力。

一体化机芯用的图像传感器主要有CCD和CMOS两种，由于CCD工艺复杂、成本较高，像素提升难度大，后端DSP处理技术较CMOS难度大，同时，最新的CMOS在低噪度方面有很大提高，CMOS传感器用于高清一体化摄像机机芯越来越多。日立最先推出的130万像素的机芯是采用CCD传感器，后续索尼、日立、三星推出的200万高清机芯都是采用CMOS作为传感器，而且随着CMOS传感器技术的积累与发展，如Sony的Exmor技术，饱受诟病的CMOS的低照效果等都有了很大改善，有些甚至好于CCD，可以预见CMOS图像传感器会逐渐成为高清机芯的主流。

对国内厂家而言，传感器和镜头都是选用别家的，而将精力集中在图像处理上，以提高自己的核心竞争力。每家的图像处理技术都是各有千秋，图像风格也不尽相同，有些厂家喜欢柔和的画面，有些厂家喜欢对比度高的图像，有些以Sony套片为平台，有些采用FPGA作为平台。图像的清晰度不能只靠实验室测试的线数作为标准，还要看实际场景。因为某些高清机芯灯箱线数很高，但看实际场景图像却显的很不透彻。各家对图像色彩还原性的理解上也不一样。由于算法原理上的原因，无论哪家机芯都不能保证对每个颜色的还原都是正确的。比如日立130万机芯的白平衡主要是针对西方人，所以东方人看起来就觉得颜色就偏黄，偏亮。而大华的高清图像处理平台，则以真实的还原再现图像为原则，适用的色温范围很广，为用户提高高清晰度、最接近于实际场景的画面。

自动聚焦技术可以说是机芯的核心技术，百万像素级的聚焦算法更是需要有独到之处。目前国内只有少数厂家有自己的自动聚焦技术，多数厂家还是购买日韩的聚焦方案。使用别人的聚焦方案开发产品虽快，但因为灵活性差，不能根据市场、客户需求持续优化，使用别人的聚焦方案不是长久之计，久而久之，能在日益激烈的机芯市场竞争中存活下来的只有那些有自己聚焦算法的公司。自动聚焦不仅需要速度快，比如用户使用机芯做道路监控，需要大倍抓拍远处车牌，当他从小倍变倍到大倍后，图像一般不是最清楚，需要聚焦才能最清楚，聚焦的时间就要求很快，否则需要抓拍的车辆已经开过了。除了快外，自动聚焦还需要稳定，同样以道路监控为例，就不能受来来往往的人、车的影响，不能总是反复触发聚焦。

高清机芯的选择标准

对机芯厂家来说，支持哪些控制协议、电源电压范围、使用什么线缆传输等都将是要考虑的问题。因为这将决定使用机芯做二次开发的球机客户的工作量，这些客户通常都是先采用过索尼，日立的机芯。事实上，索尼接口与日立接口已经成为公认的行业标准，国内厂家在开发自己机芯的时候通常兼容他们的接口以及协议。

作为监控系统的眼睛，机芯的稳定性相当重要。构成机芯的每个部件都是相当精密的仪器，不同于传统的网络摄像机等产品，机芯镜头上有可运动的部件——马达。我们见到过某些厂家的机芯在东北等寒冷天气的地区因为镜头马达被冻住不能聚焦，见过机芯在广东等热带地区下死机，这些都是因为机芯厂家研发过程中没有做充分的测试，也是对客户不负责的做法。机芯需要在各种环境下正常工作，以大华为例，他们的样机都要经过-10～60摄氏度的高低温测试、更高温度的可靠性测试、30天无故障的稳定性测试，生产上严格的质量控制，保证批量出厂的每一台机芯都能达到最佳效果。

机芯的功能，目前各家的产品都相差不多，比如背光补偿、曝光补偿等，这些都是标配，每个机芯都会有。为了突出自己的产品，各家开始着手与新功能的开发，比如宽动态、隐私遮挡等。但也有只为了吸引眼球不实用的功能，比如防抖动，这个功能的效果目前都不明显。一些厂家玩起了“概念”，对旧的概念做下保证，然后当做新功能推出。这对客户在产品的选择上也找成了一些困扰。产品的选择上，建议按需选取，这样既能保证满足需求，又能节省整个监控工程的费用。比如，在人流量、车流量多的广场、路口，推荐使用分辨率更高的200万像素高清机芯；如果机芯经常工作在背光场景，宽动态机芯是个很好的选择，而在非背光场景，就不用选择带宽动态机芯，因为带宽动态功能的相机普遍会比非宽动态的价格贵；某些山寨公司的机芯虽然价格便宜，但稳定性差，重要监控点就需要选择大品牌、有质量保证的机芯。

创新高清机芯的发展动力

现在的高清机芯市场上主要还是以130万像素、200万像素为主，倍数一般也只有20倍。机芯的核心部件镜头、传感器、图像处理技术、聚焦技术等，每一个模块都制约着机芯的发展。创新是机芯发展的唯一出路，只有不断创新，持续改进才能在日益激烈的安防行业生存下去。不创新，像Nokia、Motorola这样的巨头也会落后。虽然目前国内市场还是以日韩的高清机芯居多，但昂贵的价格、偏慢的客户响应速度都制约着它的发展，国产高清机芯虽是后来者，但追赶之势很猛，正在逐步缩小与日韩巨头的差别。

随着机芯镜头与传感器技术的发展，肯定会有更高分辨率、更高倍数、更低照度的机芯面世来满足用户更高的监控需求。图像处理技术会更智能，使得图像还原更佳，并能根据场景自动调节图像参数，比如现在机芯的宽动态功能，需要针对宽动态场景手动开启，并调节强度，今后的机芯将会更加智能，能做到自动识别出宽动态场景并调整图像参数。聚焦也会越来越快，为用户带来更好的用户体验。总之，高清机芯的性能会越来越强，价格却会越来越便宜。

作者单位：浙江大华技术股份有限公司