“讓我們看得更清晰”
——從高品質(zhì)圖像質(zhì)量談高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)

■本刊記者 劉毅

“讓我們看得更清晰”
——從高品質(zhì)圖像質(zhì)量談高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)

■本刊記者 劉毅

“看的更清晰”是高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)發(fā)展的原動(dòng)力。想要看的更清晰，必須依賴于前端攝像機(jī)所能提供的圖像質(zhì)量。高品質(zhì)的圖像是看的更清晰的前提，也是視頻監(jiān)控智能化應(yīng)用的先決條件。

冠以“高清”之名的攝像機(jī)就是好攝像機(jī)嗎？高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)如何才能看得更清楚？高品質(zhì)的圖像質(zhì)量需要哪些的要素去保障？本期，《高清智能》欄目圍繞高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)研發(fā)生產(chǎn)的有關(guān)問題及如何考量高清監(jiān)控圖像質(zhì)量等問題與索尼中國(guó)專業(yè)系統(tǒng)集團(tuán)應(yīng)用業(yè)務(wù)市場(chǎng)部高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理文軍，?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)應(yīng)向群，天津天地偉業(yè)網(wǎng)絡(luò)視頻部產(chǎn)品經(jīng)理馬可威進(jìn)行了初步探討。

“看的更清晰”是高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)發(fā)展的原動(dòng)力。想要看的更清晰，必須依賴于前端攝像機(jī)所能提供的圖像質(zhì)量。高品質(zhì)的圖像是看的更清晰的前提，也是視頻監(jiān)控智能化應(yīng)用的先決條件。

冠以“高清”之名的攝像機(jī)就是好攝像機(jī)嗎？高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)如何才能看得更清楚？高品質(zhì)的圖像質(zhì)量需要哪些的要素去保障？本期，《高清智能》欄目圍繞高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)研發(fā)生產(chǎn)的有關(guān)問題及如何考量高清監(jiān)控圖像質(zhì)量等問題與索尼中國(guó)專業(yè)系統(tǒng)集團(tuán)應(yīng)用業(yè)務(wù)市場(chǎng)部高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理文軍，?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)應(yīng)向群，天津天地偉業(yè)網(wǎng)絡(luò)視頻部產(chǎn)品經(jīng)理馬可威進(jìn)行了初步探討。

高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)研發(fā)生產(chǎn)的核心關(guān)鍵

高清攝像機(jī)在研發(fā)中的兩大核心關(guān)鍵技術(shù)一是攝像機(jī)Sensor的3A控制部分，即自動(dòng)白平衡、自動(dòng)電子快門AES、自動(dòng)增益控制AGC。3A的核心算法直接影響到高清攝像機(jī)的圖像畫質(zhì)水平，決定產(chǎn)品在各類場(chǎng)景下的圖像畫質(zhì)表現(xiàn)，是體現(xiàn)高清攝像機(jī)應(yīng)用價(jià)值最直接的表現(xiàn)。第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的后端壓縮處理部分，即將圖像采集模塊輸出的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮。使用的壓縮芯片方案不同，和廠家后期對(duì)壓縮算法優(yōu)化程度不同，也會(huì)對(duì)攝像機(jī)的壓縮質(zhì)量產(chǎn)生差異，好的壓縮芯片方案和算法，會(huì)使得高清攝像機(jī)的圖像具有色彩還原真實(shí)、邊緣銳度良好、低碼流等良好的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)特性表現(xiàn)。

DSP芯片對(duì)高清攝像機(jī)起著重要作用，DSP對(duì)Sensor芯片輸出的信號(hào)進(jìn)行放大和校正，作為攝像機(jī)產(chǎn)品核心的處理芯片，它的功耗等性能優(yōu)劣直接決定高清攝像機(jī)的散熱量、低照度能力及圖像的質(zhì)量。高品質(zhì)的DSP芯片主要的性能體現(xiàn)在二維數(shù)字濾波、數(shù)字動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)、數(shù)字背光補(bǔ)償、顏色輪廓校正、細(xì)節(jié)補(bǔ)償、自動(dòng)聚焦等方面。

目前市場(chǎng)上百萬(wàn)高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)所用到的DSP包括了TI、NXP、海思、美信等諸多企業(yè)的方案。TI的達(dá)芬奇DSP方案在低功耗、性能等方面表現(xiàn)出色，但是開發(fā)難度較大。因此很多廠家更多的選擇了海思，NXP。如海思的3516方案在原有壓縮方案的基礎(chǔ)上又集成了3A控制，并且用戶廠家可調(diào)節(jié)。支持寬動(dòng)態(tài)WDR、強(qiáng)光抑制、背光補(bǔ)償、Gamma校正、色彩增強(qiáng)等技術(shù)，使高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的畫質(zhì)表現(xiàn)更上一個(gè)臺(tái)階，同時(shí)也給用戶廠家的高清產(chǎn)品快速發(fā)布提供了一個(gè)較高的開發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)，因而受到很多國(guó)內(nèi)企業(yè)的青睞。

對(duì)高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)來說，機(jī)芯的選擇也是非常重要的一方面。如現(xiàn)在高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的云臺(tái)類產(chǎn)品在市場(chǎng)上的應(yīng)用越來越多，與之配套的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)機(jī)芯產(chǎn)品也越來越豐富：130萬(wàn)像素CCD的產(chǎn)品比如日立等廠家都相繼推出了自己的產(chǎn)品，200萬(wàn)像素CMOS產(chǎn)品目前也有產(chǎn)品趨于成熟，比如日立和索尼的全高清全實(shí)時(shí)的1080P分辨率的數(shù)字機(jī)芯產(chǎn)品。市場(chǎng)上眾多的高清數(shù)字機(jī)芯各自都有不同的特點(diǎn)表現(xiàn)，有的價(jià)格便宜，容易控制產(chǎn)品成本，有的性能效果優(yōu)異，適合用于高端的高清云臺(tái)類產(chǎn)品，有的使用CCD成像，低照效果表現(xiàn)好，有的使用CMOS成像，白天畫質(zhì)色彩鮮艷，等等。選擇機(jī)芯的方法其實(shí)應(yīng)該是首先在市場(chǎng)上定位產(chǎn)品，然后根據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)定位，不同的應(yīng)用場(chǎng)所、價(jià)格定位，再根據(jù)市場(chǎng)上不同的機(jī)芯的效果表現(xiàn)，來選擇不同的機(jī)芯。

考量高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)圖像品質(zhì)的要素

目前高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)市場(chǎng)上已經(jīng)有了很多機(jī)型，如高清寬動(dòng)態(tài)，高清紅外等等，但并非冠以高清的就是好的攝像機(jī)。高品質(zhì)的圖像質(zhì)量是高清監(jiān)控最基本也是最重要的要求，離開了圖像品質(zhì)這一點(diǎn)再談其他的功能特性都是舍本逐末。監(jiān)控場(chǎng)景千差萬(wàn)別，這就要求監(jiān)控?cái)z像機(jī)能適應(yīng)各種場(chǎng)景的復(fù)雜光線，獲得出色的圖像?？剂扛咂焚|(zhì)的高清圖像主要有以下幾點(diǎn)：

保證高品質(zhì)圖像，高清攝像機(jī)首先應(yīng)該滿足720*1080P的高清標(biāo)準(zhǔn)，其次，高清攝像機(jī)的清晰度，靈敏度、色彩還原度、寬動(dòng)態(tài)范圍、紅外效果、低照度等，都是決定攝像機(jī)圖像品質(zhì)重要的因素。同樣是高清快球，不同的攝像機(jī)其色彩還原性有很大的不同。在室外和室內(nèi)不同的情況下，高清攝像機(jī)圖像的色彩還原度也不同。隨著照度的降低，圖像的色彩會(huì)衰減的很厲害。照度和色彩還原度，這兩點(diǎn)，是考量高清攝像機(jī)圖像品質(zhì)的重要指標(biāo)。

在實(shí)際應(yīng)用中，在街道治安監(jiān)控、夜間監(jiān)控、道路交通監(jiān)控等不同的應(yīng)用需求中；在燈光明亮，視線通透的環(huán)境和冬季傍晚5、6點(diǎn)鐘街頭的光線環(huán)境下，高清攝像機(jī)的圖像效果是完全不同的。光線暗淡乃至完全沒有光照條件下，高清攝像機(jī)拍攝的圖像質(zhì)量如何，就更為考驗(yàn)高清攝像機(jī)的品質(zhì)，如果高清攝像機(jī)沒有低照度特性，應(yīng)用就極為受限制。因而高清攝像機(jī)在低照度情況下，尤其是在夜間在夜間的效果，是否真的能夠達(dá)到用戶的應(yīng)用需求，也是判定高清攝像機(jī)圖像品質(zhì)很重要的一點(diǎn)。在低照度情況下，圖像品質(zhì)與攝像機(jī)感光器件的靈敏度有很大關(guān)系。

高清監(jiān)控，高靈敏度CMOS唱主角

目前使用CMOS芯片的高清攝像機(jī)非常普遍。作為業(yè)內(nèi)唯一能同時(shí)提供監(jiān)控?cái)z像機(jī)各個(gè)主要部件的廠商，索尼的產(chǎn)品線包括了感光器件CCD/CMOS、圖像處理芯片DSP、攝像機(jī)模塊、及成品攝像機(jī)。索尼的全系列高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)均采用了CMOS感光器件。感光器件是攝像機(jī)最為核心的部件，在模擬攝像機(jī)以及標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，最為廣泛使用的是CCD。進(jìn)入高清監(jiān)控時(shí)代以后，CMOS逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。CCD的特點(diǎn)是靈敏度高，但響應(yīng)速度較低，不適用于高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)普遍采用CMOS感光器件。對(duì)于相同尺寸的感光器件，像素越高，意味著每個(gè)像素的進(jìn)光量越少，因此目前高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)的突出問題是清晰度提高，靈敏度降低。但目前市場(chǎng)已經(jīng)研發(fā)出720P與1080P專用的CMOS器件，其靈敏度性能已經(jīng)與CCD接近。

索尼利用在CCD方面所積累的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，解決了傳統(tǒng)的CMOS芯片具有的缺陷，如噪點(diǎn)、低照度、拖尾等問題。索尼針對(duì)安防開發(fā)的CMOS芯片，發(fā)揮了它自身特有的優(yōu)勢(shì)：速度快，幀率高，分辨率高，功耗低。針對(duì)安防業(yè)務(wù)，索尼對(duì)CMOS感光芯片做了優(yōu)化：一是每列像素的A/D轉(zhuǎn)換器可以迅速將每列產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；二是.雙向降噪，它有對(duì)模擬的電信號(hào)的降噪，還有對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后的降噪；第三是本身結(jié)構(gòu)的變化，從原來的前照射結(jié)構(gòu)改為背照射結(jié)構(gòu)，這可以有效提高感光效應(yīng)，使噪點(diǎn)更少，靈敏度更好，圖像更明亮。

超寬動(dòng)態(tài)解決圖像拖尾

拖尾現(xiàn)象是百萬(wàn)高清攝像機(jī)最常見的弊端，有的安防廠家為了提高低照度，采用電子慢門或幀累積，這樣處理可大大提升低照度效果，但是弊端也是非常明顯的，那就是當(dāng)畫面上有運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)圖像拖尾，看不清楚運(yùn)動(dòng)物體模糊，看不清楚行動(dòng)中的人特征。

在索尼推出的高清產(chǎn)品中，為了提升圖像效果，包括靈敏度和寬動(dòng)態(tài)，索尼特別開發(fā)了一項(xiàng)新的功能——View-DR。這是索尼的最新寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，寬動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到15dB，相比傳統(tǒng)技術(shù)靈敏度提升2倍。而其可視性增強(qiáng)（Visibility Enhancer）、超級(jí)動(dòng)態(tài)降噪（XDNR）等技術(shù)也能對(duì)圖像的亮度提升和降噪起到革命的提升，能夠達(dá)到15DB動(dòng)態(tài)范圍。即能夠達(dá)到在1/30秒的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)快門1次，高速快門3次的速度。在同樣的時(shí)間范圍內(nèi)，得到的影像內(nèi)容更多，影像動(dòng)作的連續(xù)性更豐富。而普通的攝像機(jī)的只能夠達(dá)到普通快門1次，電子快門1次的速度。View-DR功能實(shí)際上包含了三項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：索尼針對(duì)安防監(jiān)控研發(fā)的專業(yè)高靈敏度Exmor CMOS、多次曝光寬動(dòng)態(tài)技術(shù)、可視性增強(qiáng)（VE）技術(shù)。一般來說寬動(dòng)態(tài)打開后靈敏度是會(huì)降低的，但通過開啟這個(gè)功能，不僅寬動(dòng)態(tài)范圍超過120dB，達(dá)到超寬動(dòng)態(tài)的驚人效果，而且相比傳統(tǒng)寬動(dòng)態(tài)靈敏度提升了2倍，同時(shí)對(duì)比度也增加4倍，使圖像效果在低光和明暗對(duì)比強(qiáng)烈的環(huán)境中得到極大增強(qiáng)和改善。

在高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)噪點(diǎn)控制方面，索尼采用了超級(jí)動(dòng)態(tài)降噪技術(shù)（XDNR）。傳統(tǒng)的降噪技術(shù)往往在噪點(diǎn)控制和移動(dòng)物體拖尾兩方面難以兼顧，噪點(diǎn)降低了但移動(dòng)物體就會(huì)有拖尾，而移動(dòng)物體邊緣清晰了那噪點(diǎn)就會(huì)增加。索尼高清攝像機(jī)的超級(jí)動(dòng)態(tài)降噪技術(shù)正是平衡了這兩者的關(guān)系，在降低噪點(diǎn)的同時(shí)也能保證移動(dòng)物體的邊緣清晰不拖尾。這對(duì)于安防監(jiān)控來說是非常關(guān)鍵的，因?yàn)榘卜乐饕褪顷P(guān)注移動(dòng)物體如人、車等。

紅外效果影響高清圖像質(zhì)量

高清紅外攝像機(jī)這款機(jī)型，一直存在紅外燈的壽命問題。攝像機(jī)的紅外燈因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)，發(fā)熱控制等方面一直存在未解決的技術(shù)問題，因而紅外燈壞的非?？?。這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)帶來很多更換，維修等方面的不便。

除了紅外燈的壽命之外，高清紅外攝像機(jī)在使用過程中，還存在有效照射距離的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，在黑夜缺少照明的情況下，在10－15米的范圍內(nèi)，高清紅外攝像機(jī)看不見物體的情況非常普遍。另外，在高清紅外攝像機(jī)的使用過程中，還會(huì)出現(xiàn)紅外燈照在人臉上發(fā)生“過曝”現(xiàn)象，造成圖像中人臉發(fā)白，看不清面目,影響圖像質(zhì)量。索尼在2010年推出紅外攝像機(jī)之前，一直在研究解決紅外的使用壽命問題，通過紅外燈電路的設(shè)計(jì)，發(fā)熱量的控制，以及紅外燈材質(zhì)的選擇等途徑的改造，索尼的高清紅外攝像機(jī)在紅外設(shè)計(jì)的過程中，增加了一個(gè)防止過曝，保持合理曝光的設(shè)計(jì)，保留了人體的細(xì)節(jié)特征，保證了圖像的品質(zhì)，通過一些列技術(shù)改造，使得索尼的紅外攝像機(jī)在紅外燈每天使用7小時(shí)的情況下，可以使用7年。

除了上述因素之外，高清攝像機(jī)的壓縮格式和碼流也是影響高清視頻圖像效果的重要原因。因?yàn)楦咔鍞z像機(jī)比普通標(biāo)清攝像機(jī)發(fā)送的圖像分辨率更大、信息更多，客觀上對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。很多方面的問題諸如最大分辨率對(duì)帶寬的影響、有幾種編碼方式、有幾種碼流可選、是否實(shí)時(shí)、是否支持無線網(wǎng)絡(luò)等等都需要考慮。

目前主流的壓縮格式有三種，分別是JPEG、MPEG-4、H.264。JPEG是單幀圖片的壓縮，單張圖片的效果最佳，但占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源較大；MPEG-4和H.264是幀與幀之間的連續(xù)壓縮，這是指如果監(jiān)控的目標(biāo)圖像沒有變化或變化不大時(shí)，攝像機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常小，這樣就能避免重復(fù)傳輸占用帶寬。其中目前最流行的壓縮格式H.264的壓縮效率最高。這三種壓縮方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單地說哪種更好，只能根據(jù)用戶實(shí)際使用的需求來選擇。H.264雖然壓縮效率最高，但其對(duì)后端服務(wù)器和管理軟件的解碼能力和資源耗費(fèi)也最大；JPEG雖然占用帶寬最高，但作為存儲(chǔ)格式的圖像品質(zhì)是最好的，對(duì)于后期調(diào)查取證來說能得到最清晰的圖像；MPEG-4格式通用性最強(qiáng)，各個(gè)品牌和型號(hào)對(duì)其支持最好，同時(shí)對(duì)后端軟件系統(tǒng)解碼資源的占用也相對(duì)較低。

高清監(jiān)控帶來了海量數(shù)據(jù)，這就要求系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)壓縮處理方面要非常高效。如果要單張圖像清晰，JPEG 壓縮格式的效果是最好的，而MPEAG4 的兼容性很好，它對(duì)服務(wù)器資源的要求比較少。因此，需要高清攝像機(jī)具備可以提供多種編碼格式，同時(shí)支持任意格式，任意格式都可以達(dá)到實(shí)時(shí)圖像的能力。另外，輸出碼流是否穩(wěn)定也成為影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹匾蛩亍Ｈ绻a流不穩(wěn)，造成占用帶寬突然增大會(huì)造成圖像出現(xiàn)丟幀，遺漏重要圖像信息；網(wǎng)絡(luò)阻塞引起癱瘓；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和存儲(chǔ)資源在設(shè)計(jì)時(shí)不得不考慮更多冗余造成浪費(fèi)。使碼流控制在持續(xù)穩(wěn)定的水平,是攝像機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中必須考慮的問題。

高清圖像品質(zhì)內(nèi)涵豐富，層次多

對(duì)單獨(dú)的高清攝像機(jī)來說，在實(shí)際應(yīng)用中，高清也還包含很多豐富的含義和多層次的圖像質(zhì)量要求。高清這個(gè)概念，在實(shí)際應(yīng)用中，不僅僅是清晰度，還包括效果。如夜間情況下，目前，高清攝像機(jī)追求的還是在晚上能不能達(dá)到一個(gè)比較好的效果。而在不同的行業(yè)，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于視頻本身的要求也不一樣，有的希望看得更廣，但對(duì)清晰度的要求不是很嚴(yán)格，比如廣場(chǎng)上；有的希望看得更清晰，需要高分辨率，但可以低幀率；有的希望看得更平滑，圖像沒有跳頓……所以對(duì)于產(chǎn)品形態(tài)需要不同的定制化。而對(duì)于功能應(yīng)用的定制化就更多了，比如對(duì)于零時(shí)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密、用戶安全等等，不同的客戶也會(huì)提出不同的需求。

比如交通行業(yè)，對(duì)車輛抓拍、車道監(jiān)控、車牌識(shí)別，甚至司乘人員辨識(shí)等都有非常嚴(yán)格的需求，因此，這里需要的不僅是一個(gè)能支持上述功能的高清網(wǎng)絡(luò)攝像攝像機(jī)，而是以這種攝像機(jī)為關(guān)鍵設(shè)備的一套完整的高清卡口或車牌識(shí)別系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)人與車的全方位監(jiān)控。在金融行業(yè)，由于攝像機(jī)主要是安裝于柜臺(tái)和大廳等部位，因此更需要寬動(dòng)態(tài)的功能；而對(duì)于柜臺(tái)等部位，對(duì)高清攝像機(jī)還有高幀率的要求，以看清點(diǎn)鈔的細(xì)節(jié)。因此在技術(shù)層面上，必須結(jié)合應(yīng)用做相應(yīng)的創(chuàng)新和發(fā)展：結(jié)合Sensor在圖像處理上做更多的改善；針對(duì)寬動(dòng)態(tài)，可以使用多次曝光技術(shù)、區(qū)域曝光技術(shù)，以及圖像的Gamma提升等各種復(fù)雜的算法，以得到一個(gè)很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍；對(duì)于低照度情況，可以選用高端的CCD 作為Sensor，或高靈敏度的Sensor，并結(jié)合去噪技術(shù)等實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的低照度效果。

現(xiàn)階段，市場(chǎng)上高清圖像的水平確實(shí)層次不齊的現(xiàn)狀，大家看重還僅僅是一個(gè)概念：我的系統(tǒng)到底是不是高清的？具體用怎樣的怎樣的產(chǎn)品？但廠商和用戶對(duì)高清、智能的期望，絕不僅僅是帶來一個(gè)概念，最重要的還是能否帶來產(chǎn)品的價(jià)值。高清的價(jià)值就在于在圖像方面帶來了核心的變化，如原來客戶應(yīng)用中的一些核心問題，如看不見，看不清的問題，通過高清監(jiān)控能夠解決。