一体化机芯高清时代的透视解析

文/郭辉

一体化机芯高清时代的透视解析

文/郭辉

高清一体化机芯2012年将会迎来大发展和大繁荣，并牢牢的占据高清摄像机领域“宠儿”的地位。为什么被形象地称为“宠儿”呢？由于高清一体化机芯兼具高清晰图像处理能力、自动变倍能力与自动对焦能力，尤其受快球、红外球的迅猛发展而受到用户的接受，特别是以一体化摄像机引领的高清快球、高清红外球等设备以图像清晰、价格理性、性能完善、安装弹性大等优势在“平安城市”、“道路监控”等工程中担纲主角。随着高清摄像机市场竞争细分格局的日臻明朗，各品牌之间竞争上的压力也随之凸显。随着更多国内厂家对高清一体机机芯的关注和投入，老牌如日本的索尼、日立和韩国的三星、LG等老牌一体化机芯公司的产品丰富，高清一体化机芯已经形成日系、韩系、国产三足鼎立的市场格局。

高清一体化机芯的技术特点

对于高清一体化机芯目前在市场上有多种形态，例如有直接接出数字接口的高清一体化机芯，如日立和索尼的机芯，其直接输出LVDS或者YUV的数据格式，其接口输出的是没有经处理和压缩的数字信号，需要经过二次加工才可以显示图像；还有一种是直接输出网络接口的高清一体化机芯，如国产的艾普视达、波粒等厂家推出的高清一体化机芯，其接口输出的是网络信号，内部已经做视频压缩处理，可直接通过接口板显示图像；另外还有一种是输出SDI信号的高清一体化机芯，其接口输出的是HD-SDI信号，内部集成了SDI的处理芯片，可直接装配在球机中即为SDI高清球。而通常所说的高清一体化机芯是对以上三种形态的通称，一个高清一体化机芯，最起码应具备有可变倍与自动对焦的功能可以方便地对镜头（倍数、聚焦、光圈）进行控制，其主要指标如下：

分辨率。高清摄像机的分辨率由传感器的像素数量决定，目前高清一体化机芯由于采用的传感器和DSP方案的不同分为720P、960P、1080P等多种分辨率，按其像素可分为130万、200万、300万、500万等多种像素，换成线数的话，720P可以达到700线、960P可以达到800线、而1080P可以高达900线，此外因为镜头口径小型化的要求，和高清镜头的制约、其传感器的大小一般使用1/3″。

光学变倍。光学变倍倍数是衡量一体化机芯空间成像范围的重要指标，目前一般有18倍、20倍、22倍、28倍等，加上电子放大，可对约200米内的目标有效监控。目前镜头变倍的大小主要是受镜头厂家的制程限制，目前高清一体化变倍镜头发展远落后于传感器像素的发展，所以在模拟时代的30倍、32倍等高倍率的镜头在高清一体化机芯上还是空白，而且像素越高，变倍越大，对镜头的制程精度就越高，难度也越大。

低照度。通常，高清一体化机芯最低照度由传感器的灵敏度决定，目前，由于CCD的低照效果要好于普通的CMOS，所以对130万像素来说，以CCD占据主流，但是由于像素越高，CCD的靶面尺寸就越大，但是镜头的孔径受一体机空间限制无法做到很大，而CMOS由于其先天的技术特性，可以在很小的靶面上集成很多的像素，所以在200万像素以上，通常采用的是CMOS传感器，而且为了提升低照效果，各厂家想尽办法，例如索尼其最新推出的Exmor背照式CMOS传感器，其低照效果完全可以媲美CCD效果，在高清一体化机芯中得到广泛应用。目前不管是CCD还是CMOS的高清一体化机芯，其低照效果都已经很好。

聚焦。一体化机芯的特色主要体现在自动聚焦上，其使图像画面随时保持清晰。通过自动聚焦算法检测图像主物面的位置，并根据图像传感器上的聚焦情况自动调整镜头的聚焦马达，这样往复几次，即可实现变焦控制全程自动聚焦，图像在变焦过程中随时保持清晰。变焦控制和自动聚焦技术提高了监控效率，当图像画面发生变化(如有物体移动或变焦控制时)需要重新聚焦，自动聚焦镜头可以自动执行聚焦操作，让整个画面始终保持焦点准确图像清晰。比如控制镜头变焦让画面场景中的人物由远及近时，自动聚焦算法会不断分析当前画面并发出镜头自动聚焦命令，使人物在画面中始终保持焦点清晰。

自动聚焦主要技术难点是要提高聚焦的速度和精度，精度将影响后期图像处理的结果。场景中被摄物体与拍摄的距离时刻发生变化，快速的聚焦十分必要，聚焦速度的提高，取决于聚焦评价函数的选择。聚焦评价函数用来衡量图像聚焦与否。基于图像处理的自动聚焦算法中常用的聚焦评价函数的类型大致有：灰度梯度函数、信息学函数、频域函数、统计学函数等。用微积分法对图像进行梯度变换，将图像的边缘增强处理，使聚焦图像与离焦图像的评价函数值更加分明，提高了准确聚焦的灵敏度。

高清一体化机芯市场应用

一体化机芯所搭配的一体机、高速球多用于政府项目、高档次高层大楼，以及商场、学校、酒店、宾馆大堂等，另外还有专门适合加油站、油田、煤矿等对环境要求较高场所的防尘型以及低温、电机无火花的防爆型产品。其他专业用高清一体化机芯配套产品，如军用、航空、极地、海底、生化环境用等，因为用途不同，相应具有不同的特殊功能，如防高压、防腐蚀、防震动等。

高清一体化机芯种类繁多，不一而足，目前的高清市场主体以18、20倍变倍最多，其他3倍、10倍应用较少。总体来说，一体机的趋势是照度越来越低，倍数越来越高。如索尼最新推出的FCB-CH6300型200万像素高清一体化机芯，采用Exmor CMOS传感器，具有日夜彩色自动转黑白功能，最大分辨率1080P@30FPS，内置20倍光学变焦及10倍电子变焦镜头，在开启高感光度模式下，彩色最低照度0.5lx（F1.6，50IRE，ICR off）,黑白最低照度0.095lx（F1.6，50IRE，ICR ON）该款机型可说代表了技术上的新潮流。

国产的如艾普视达高清一体化机芯，其最大分辨率为1080P@25fps，18X光学变倍，具有网络压缩模块，可帮用户省去网路压缩部分，直接接一个接口板就可以输出图像，方便一些没有IP开发实力的公司使用。

对于一体化机芯性能优劣的比较，首先应注重品牌，其次要看其光学倍数、强光抑制功能、自动白平衡功能、信噪比等，但更重要的是要看其实际的效果，因为很多OEM品牌在性能参数上面看与国际品牌没有很大的区别，但真正应用时的效果差距却很大，此时只看参数不一定真实反应产品性能。如果要比较机芯的优劣，从光学角度看，要注意其成像范围、光线反应（色彩、清晰度）、镜片组设计。机芯的核心技术当集中在镜头的自动聚焦功能上，好的产品，可以一次性准确聚焦，而品质不好的产品，在聚焦时会来回往复，需要3、4次才能定焦，或者在聚焦范围内某些特定的距离上不能完全聚焦。

由于高清机芯包含更高的技术在内，通常人们认为其价格高，但随着这两年来很多企业尤其是中国和韩国企业进入市场，令机芯价格下滑，例如市场上最具代表性的日立130万CCD高清一体化机芯为例，在2011年价格降幅大约为10%，而随着海康、大华等国内龙头企业对高清一体化机芯的研制成功和大批量的应用，使得高清机芯价格在2012年将有更大的下降空间。

高清一体化机芯的技术进展

高清一体化机芯的关键技术是镜头、传感器和DSP处理模块。镜头主要被日本厂商所掌握，如佳能、Camputar、富士能、腾龙等，在高清一体机领域提供OEM较多的是佳能和腾龙的镜头。从传感器看，供应商以Sony为主，Sony产传感器又以民用为主流，Sony 传感器分为CCD和ExmorCMOS两种类型，其中ExmorCMOS是最新技术，普遍采用1/3寸尺寸，其低照效果可以媲美CCD；在DSP处理芯片上，不同厂家各有特色，如Sony的DSP芯片在色彩还原度方面比较优秀，而日立的DSP在捕光模式和画质的通透度上比较好。

目前一些国内厂家产的高清一体机都是用进口机芯和进口的传感器，但是在DSP部分由于厂家的技术限制，各家的差异很大，而且其核心的3A（自动曝光、自动白平衡、自动聚焦）处理技术是重点中的重点，也是一个机芯效果好坏的根本，而国内厂家这部分普遍都还比较弱，所以效果上较国外厂家还有一定的差距。

一体化机芯技术发展方向可从几个方面看：成像技术——镜头倍数更高，拍摄距离更广、更远；像素数更高——提高图像清晰度；实用性——开发商的思路、对市场的理解，决定其产品是否具有实用价值。

去年新加入高清一体化机芯技术有超宽动态、智能分析、数字透雾、数字防抖等，使得高清机芯类产品在数字化及网络功能上也有新的进展，主要是数字化处理技术，在一体机内部嵌入IP处理模块，具备网络功能；另外就是目标锁定、自动跟踪功能。理论上来说自动跟踪功能可以很好地实现，可是实际应用中在多目标跟踪时一体机只能自动选择最大的目标进行锁定。IP化、高清化、智能化是一体化机芯发展的方向。

结束语

综述，一体化机芯市场应用呈快速增长之势，而价格呈不断下降之势，早期普遍认为高清一体化机芯价格太高，影响了机芯的市场开拓，而最近两年人们理性地看到，从综合性价比及实用性来说，高清一体化机芯以其独特的魅力，正在成为安防监控系统的新宠，一般应用领域的传统模拟一体化机芯则面临来自高清一体化机芯的强烈冲击，市场的均衡正在被一步步打破，可以预见，几年以后，市场格局将与今天完全不同。

作者单位：天津天地伟业数码科技有限公司