高清一体机机芯技术特点

文/吴德钟

高清一体机机芯技术特点

文/吴德钟

高清一体化摄像机一般专指使用百万像素镜头内嵌、可自动聚焦的摄像机，它主要有高清一体化枪机、高清球形摄像机(高清球机)等，在这些产品中核心部件为高清一体化摄像机机芯。 相比普通高清摄像机，使用高清一体机机芯机芯的摄像机监控范围广，特别是高清球机，它能实现全方位远距离监控。相比标清一体化摄像机，高清一体化摄像机图像细致清晰、色彩准确而亮丽、画面通透感好、无行间闪烁，其画质是标清一体化摄像机无可比拟的。普通摄像机稍远距离监控只能达到“看得见”程度，球机在这个距离可以表现到“看得清”，而配备高清一体机机芯机芯的高清球机更是将这个效果表现到极致。

高清一体机机芯机芯的技术构造与特点

镜头

高清一体机机芯机芯主要由三个重要部分构成：镜头（光学部分）、传感器（光电转换）和ISP（影像处理）。一体化摄像机镜头采用变倍变焦镜头，分标清镜头和高清镜头两类，统称一体机镜头。除光学镜片组外，一体机镜头还包括滤光片切换部件、步进电机控制部件、光圈控制部件等，在标清一体机机芯中，很多产品省略了滤光片切换部件及光圈控制部件，但在高清一体机机芯机芯中，这些部件是必不可少的。评判高清一体机机芯镜头品质的标准大致可以分为：光学性能、关键部件的稳定性和一致性。光学性能主要参考各种光学倍数下镜头的解像力；其它还包括鬼影、紫边、色散等问题严重性。关键部件主要包括镜片组、光圈、马达和滤光片切换等，这些部件的稳定性、一致性将影响高清一体机机芯的稳定性与一致性。

目前高清一体机机芯镜头大致可以分为日系镜头和国产镜头。经过多年的发展，国产标清一体化摄像机镜头已基本成熟，已有多家国内厂家技术水平已接近日系镜头，并以其性价比优势成为目前市场标清一体机的主流选择。在标清一体机多年技术和经验积累的基础上，部分国内厂家也已研发出高清一体机机芯镜头，经过我们的测试评估，其性能也基本达到或接近日系镜头水平。尽管目前市场上高清一体机机芯镜头大多采用日系镜头，但相信不久的将来国产高清一体机机芯镜头仍将被市场普遍认可。

传感器

传感器是摄像机中至关重要的部件，它决定了摄像机的极限性能。监控用摄像机的特点是适应各种环境下全天侯持续使用，这既要求传感器达到低照所需灵敏度，同时也要求其适应达到工业级标准的耐用性和可靠性。在标清摄像机时代，传感器主要采用CCD传感器，主要由索尼公司和SHARP公司提供，CCD传感器的高灵敏度和耐用性可靠性高的特点是它相比CMOS传感器的最大优势。在高清摄像机的初期，传感器仍主要采用CCD，随着索尼、松下等公司在技术上的突破，CMOS传感器的灵敏度及耐用性可靠性也已接近或达到CCD的水平，因此高清摄像机时代，CCD传感器将逐步为CMOS传感器取代。

目前市面上高性能CMOS传感器主要有索尼公司的IMX122/IMX136系列CMOS高清传感器和PANASONIC公司最新推出的MN34031/MN34041 CMOS高清传感器，其低照性能和耐用性已经接近或达到CCD水平，Aptina公司推出的9M034和AR0331 CMOS高清传感器的低照性能也较好，价格也相对低廉一些，也是一个选择。 从技术上看，CMOS易于实现高解析度，DSP处理和发热方面也相对优于CCD。目前采用最新的CMOS图像传感器的摄像机在图像质量方面明显优于CCD。因此，CMOS传感器用于高清摄像机将是未来发展的趋势。

ISP（image signal processor）

高清一体机机芯的性能除镜头和传感器外很大程度由ISP性能决定。ISP的主要功能包括亮色分离、3A（AE、AWB、AF）、图像后处理（亮度增强、锐化、降噪等），其中AF实现一体机的对焦功能，是一体机区别普通摄像机的特有功能。

区别于标清一体机，高清一体机机芯不再采用模拟聚焦技术，且更多采用集成在ISP芯片内的AF功能实现聚焦。镜头及传感器是通用部件，因此高清一体机机芯的好坏将主要由ISP芯片的性能及运用的好坏决定。目前用于高清产品的ISP芯片大多数来自于国外厂商，如日立、索尼、韩国Nextchip等， 另外TI的365/368、海思的3516等媒体处理芯片也内置ISP模块，采用这些芯片都是实现高清一体机机芯的可能途径。国内方面，除海思3516外，成都动力视讯公司也研发出专门针对高清一体机机芯的专用ISP芯片PV8112，目前已进入样机推广阶段，预计芯片将于2012年3季度正式销售。PV8112芯片于高清一体机机芯有很强的针对性，其运用简洁，方案完整，可适用国内外各种镜头和传感器。从目前的样机看，PV8112聚焦性能和画质接近进口水平，是性价比较高的选择。

自动聚焦（AF）

聚焦速度与聚焦观感

好的一体机要求在保证好的聚焦观感同时实现快速聚焦。聚焦观感差的一体机往往需要多次较大范围的来回往复聚焦，聚焦速度越快来回摆动范围越大，这是因为大步长调焦造成在焦点的大幅度跨越。好的一体机通过在远离焦点采用大步长调焦，在焦点附近采用小步长调焦的方式实现快速聚焦及良好聚焦观感的兼顾，达到这一技术目标的难点是在调焦过程中如何判断焦点的远近。

小信号聚焦

小信号是指聚焦目标为平面物体且物体上的聚焦信息很少，如白墙上的缝隙。面对大小信号目标均能成功聚焦而不相互误判是其难点，涉及对目标信号大小的准确分析判断。差的一体机往往放弃对小信号的聚焦功能。

变倍跟踪

好的一体机要求在变倍时图像始终清晰且无明显的来回聚焦现象。差的一体机往往通过截除部分长焦段来达到这一目的。好的变倍跟踪技术涉及对镜头参数大量的数学分析及产品的在线参数修正。

低照下的对焦

在聚焦算子中，往往有相应的噪声抑制参数，在低照条件下通过配置相应参数实现最佳低照聚焦。低照聚焦性能的好坏取决于聚焦算子及其参数的使用水平。

预置位聚焦

高速球大多工作在预置位巡航状态，因此预置位的速度和稳定性是十分重要的，而大家选择一体机时往往忽略了这一性能。好的高清一体机机芯预置位聚焦速度可达两秒，这可充分配合高速球的高速转动。步进马达软硬件驱动的设计目标是实现镜头的极限速度。

除AF功能外，高清一体机机芯的优越性还体现在与普通机相比更好的画质上。镜头的镜片组、滤光片对亮色分离和白平衡的效果影响极大，只有好的亮色分离才能获得最佳清晰度和色彩还原性。一体机由于其集成的特点可通过针对镜头、滤光片对ISP参数的最佳配置而获得最佳画质。

目前，自动聚焦核心技术主要还是集中在日韩企业手上，不过，随着技术的发展，国内企业对技术不断深入学习与研究，目前也有部分国企在自动聚焦技术上有一定技术体现。如深圳菲特数码公司在标清一体机自动对焦技术上拥有多年的研发经验，并且已经研发出自动对焦专用处理芯片在市场上大量销售；依托在标清自动对焦技术基础，菲特公司在高清自动对焦技术也有独到之处，即将推出的高清一体机机芯机芯无论在聚焦效果还是画质效果都接近于日系厂商产品，它将是一款极具竞争力的产品。

数字高清一体机机芯机芯将成趋势

安防行业正在经历“数字化、网络化、高清化、智能化”的方向发展，一体机机芯也不例外。一体机机芯在迈入高清时代，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。模拟高清相对D1标清来说，参数指标上由原来480TVL提升到640TVL，而数字高清则由原来D1的40万像素提高到百万像素。因此，单从参数指标上可以看出模拟高清比标清整体效果提高了1/3，而数字高清提高了1倍多。同时，与数字高清一体机机芯比较，模拟高清一体机机芯在色彩还原上也有很大的差距。

另外，由于模拟高清在传输过程中的损耗较大，而百万高清仅仅是高清最低的要求，因此，数字高清在图像效果上要比模拟高清有更大优势。因此，数字高清一体机机芯机芯必将是一体机机芯发展的主要趋势。

作者单位：深圳市菲特数码技术有限公司