高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)小議

■羅勇華

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)小議

■羅勇華

高清攝像機(jī)，顧名思義，需要更高的清晰度的攝像機(jī)。在開始技術(shù)討論前，我們對(duì)高清攝像機(jī)這顆監(jiān)控新星進(jìn)行理所當(dāng)然的定義，這就引出了我們今天討論的主題，高清攝像機(jī)的核心關(guān)鍵是什么，什么樣的方案滿足這個(gè)核心關(guān)鍵需求，滿足市場(chǎng)需求。

攝像機(jī)作為一個(gè)采集終端，是我們視頻監(jiān)控的基石，是我們眼睛的延伸。在標(biāo)清時(shí)代，經(jīng)歷了20年多發(fā)展，CCTV已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)極致，無論是模擬攝像機(jī)的成本，效果都已經(jīng)達(dá)到了最佳的性價(jià)比。但是到了高清時(shí)代，由于sensor產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革，由于高清視頻數(shù)據(jù)量的增大等，引發(fā)了攝像機(jī)采集及傳輸?shù)男绿魬?zhàn)。這個(gè)也是我們高清攝像機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)的核心關(guān)鍵：如何對(duì)接各種高清sensor，并調(diào)試符合監(jiān)控需求的圖像質(zhì)量，以及如何解決高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻傳輸問題。

第一個(gè)問題是如何對(duì)接各種高清sensor，并調(diào)試符合監(jiān)控需求的圖像質(zhì)量。

這是所有高清攝像機(jī)方案要解決的共同關(guān)鍵，一方面高清sensor從CCD技術(shù)轉(zhuǎn)向CMOS（這個(gè)是工藝、成本等多方面決定的），另外各種CMOS sensor原廠沒有提供專門的ISP（CCTV時(shí)代又叫DSP），必須外面單獨(dú)購(gòu)買ISP模塊，這樣導(dǎo)致要研發(fā)生產(chǎn)一個(gè)高清攝像機(jī)，對(duì)接好sensor+ISP的技術(shù)要求比較高。

目前有不少sensor公司（SONY、panasonic、aptina、omnivision、sharp、Altasens等）都推出了高清CMOS解決方案，但是除了SONY有自己的ISP（ISP：Image Signal Processor）外，其他公司都是獨(dú)立的Sensor，需要外面配置ISP,但是由于監(jiān)控高清才起來，獨(dú)立的ISP方案少，還在對(duì)接各種sensor上缺乏靈活性，更不說成本、sensor板大小等負(fù)面影響因素了。所以一個(gè)好的ISP方案是解決高清攝像機(jī)效果問題的關(guān)鍵。

寬動(dòng)態(tài)、色彩還原性，降噪、低照度等因素是影響圖像品質(zhì)的關(guān)鍵，在智能交通、金融、平安城市等不同的應(yīng)用環(huán)境，人們對(duì)高清攝像機(jī)的要求也不同,CMOS sensor處理效果和CCD相比還有些差異，所以ISP的處理是各種應(yīng)用場(chǎng)景適應(yīng)的保證。

海思在設(shè)計(jì)Hi3516這顆高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)專用芯片的時(shí)候，考慮到最后的系統(tǒng)成本、功耗、效果調(diào)試等綜合因素，決定在芯片中內(nèi)嵌了ISP系統(tǒng)，該模塊設(shè)計(jì)之初就與各家sensor原廠緊密配合，匹配技術(shù)路標(biāo)，針對(duì)各家sensor的特點(diǎn)進(jìn)行了針對(duì)性的技術(shù)設(shè)計(jì)。如壞點(diǎn)校正、2D/3D降噪、3A處理、WDR、低照度、邊緣增強(qiáng)、數(shù)字防抖、動(dòng)態(tài)對(duì)比度增強(qiáng)等等各種圖像處理技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用，修正了sensor的一些缺點(diǎn)，可有效提升高清效果。海思ISP已經(jīng)提前與上述sensor廠家的高清sensor對(duì)接成功，大大解決了客戶在此方面的投入，尤其各sensor公司的接口都不相同，提前匹配，減少外圍的FPGA的轉(zhuǎn)接，提升客戶TTM的同時(shí)也是降低客戶BOM成本。

3A算法是檢驗(yàn)ISP的基本指標(biāo)，海思ISP在為客戶提供一個(gè)適當(dāng)?shù)?A算法的同時(shí)，還為各家自有3A處理算法的公司提供可替換的平臺(tái)，在降低整個(gè)行業(yè)門檻的同時(shí)，還為各家公司提供差異化保護(hù)，畢竟每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的需求都不盡相同，沒有一個(gè)算法能滿足所有市場(chǎng)，各家根據(jù)不同廠家調(diào)整自己的3A也是現(xiàn)實(shí)需求。

先說寬動(dòng)態(tài)效果是各種應(yīng)用場(chǎng)景最關(guān)心的熱點(diǎn)，也是各家sensor重要的宣傳重點(diǎn)，海思的Hi3516想客戶所想，引入了兩種寬動(dòng)態(tài)的模式，一種是針對(duì)所有sensor通用算法，另外是針對(duì)了類似aptina這樣的sensor中帶了HDR專用技術(shù)的算法，兩種寬動(dòng)態(tài)的算法應(yīng)用一方面加強(qiáng)了sensor可選擇性，另外也為客戶要求更多差異化提供了便利。

噪聲是視頻大忌，尤其是CMOS的技術(shù)本身與CCD有些差異而導(dǎo)致在光線不足時(shí)噪聲的增加，大大影響了高清的體驗(yàn)。海思ISP自帶了2D和3D兩個(gè)模塊，對(duì)降噪處理有非常大的提升。

除了ISP和sensor配對(duì)的算法外，如何調(diào)試其實(shí)是關(guān)鍵，由于sensor板的布板不同，都會(huì)直接影響sensor最后的效果，所以我們要針對(duì)sensor、ISP進(jìn)行調(diào)試，由于sensor的寄存器上千個(gè)，加上各種組合，要調(diào)試一個(gè)符合需要的效果非常難，海思考慮到行業(yè)效率問題，為大家提供了一個(gè)PC直接用的IPS TOOLS，這個(gè)TOOLS通過各種算法把各種效果調(diào)整與寄存器組合相關(guān)聯(lián)，避免了客戶一上來就調(diào)寄存器的痛苦，同時(shí)在這個(gè)基礎(chǔ)上，客戶可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)再調(diào)試寄存器，保持通用場(chǎng)景的同時(shí)還兼顧特殊應(yīng)用。所以ISP和ISP TOOLS的地位同樣重要。

■ 通用寬動(dòng)態(tài)算法效果對(duì)比（左-開，右-關(guān)）

■ 3D降噪效果對(duì)比（左-開，右-關(guān)）

在這里我們就不一一展開介紹各種算法的效果了，只與同行們分享一下我們?cè)谶x擇好的高清攝像機(jī)解決方案時(shí)在圖像質(zhì)量方面的一些注意事項(xiàng)，同時(shí)也提供了大家選擇關(guān)鍵ISP的算法效果，ISP的調(diào)試工具。

第二個(gè)問題是高清如何傳輸問題。

市面有SDI和IP兩種技術(shù)主張，SDI技術(shù)原本屬于廣播應(yīng)用的技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很明顯，而且這種應(yīng)用和原來CCTV差不多，我們今天就不展開講了，本文主要闡述IP方案。

從百萬像素到Full H D（1080P），網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一改多年前“叫好不叫座”的困境?，F(xiàn)今，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)受惠于互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和編解碼技術(shù)的成熟，已迎來了高速發(fā)展的最好機(jī)遇。前端IP化后，一改原來模擬攝像機(jī)只能被動(dòng)接受前端數(shù)據(jù)，很難雙向互動(dòng)（姑且把通過串口控制云臺(tái)算是一種簡(jiǎn)單互動(dòng)吧），前端與后端的互動(dòng)增加，就更能發(fā)揮我們遠(yuǎn)方的這對(duì)“眼睛”的作用。

IP攝像機(jī)關(guān)鍵是前端視頻數(shù)字化和編碼，我們把編碼前端化，不僅大大降低了傳輸成本，而且也解決高清傳輸瓶頸問題，同時(shí)為更多的互動(dòng)、智能提供了基礎(chǔ)，也大大降低了后端DVR的集成高清編碼要求。

編碼和網(wǎng)絡(luò)處理

由于顯示帶寬的限制以及客戶的使用成本考慮，高清的體驗(yàn)雖然好，但是客戶不能以無限代價(jià)去獲得高清體驗(yàn)，所以對(duì)高清攝像機(jī)的編碼效率提出了要求，海思從Hi3510開始，就致力于監(jiān)控專用的視頻壓縮技術(shù)的研究，使用標(biāo)準(zhǔn)H.264并充分考慮到了視頻的時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)打包的方便性等（例如H.264的有些TOOLS是給廣播級(jí)視頻用的，廣播視頻就不用考慮時(shí)延問題，但是監(jiān)控就不能直接這樣用，需要在實(shí)現(xiàn)上優(yōu)化），在Hi3512就已經(jīng)推出了2M的720P實(shí)時(shí)高清解決方案。Hi3516在H.264算法上繼承了海思前3代產(chǎn)品的視頻優(yōu)點(diǎn)，把H.264從baseline轉(zhuǎn)接提升高了high profile level5.0，這樣進(jìn)一步提升壓縮比。同時(shí)向下兼容了Main profile和baseline，同時(shí)也兼容了MPEG4和MJPEG等壓縮算法，最大限度的為高清攝像機(jī)的兼容性考慮。

由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是在IP網(wǎng)上跑的，在網(wǎng)絡(luò)傳輸上實(shí)現(xiàn)方式的不同也會(huì)直接影響到用戶的視覺體驗(yàn)。未經(jīng)處理的視頻的編碼特點(diǎn)是因視頻的運(yùn)動(dòng)量不同，編碼碼流大小會(huì)發(fā)生變動(dòng)，這樣的碼流在DVR錄像應(yīng)用中問題不大，但是在網(wǎng)絡(luò)中，因過大數(shù)據(jù)包則意味著網(wǎng)絡(luò)堵塞，所以對(duì)編碼器的內(nèi)部控制需要非常的嚴(yán)格，并且要求這個(gè)控制還不能影響圖像質(zhì)量。

海思借助在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)，在這個(gè)領(lǐng)域有比較優(yōu)勢(shì)的地方，并逐漸應(yīng)用到產(chǎn)品中。隨著高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展，對(duì)核心構(gòu)建的芯片的編碼要求越來越苛刻，要求在更高壓縮比的前提下實(shí)現(xiàn)更貼近現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，特別是隨著3G、LTE無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的興起，對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)的適配性正是芯片廠商研發(fā)的重要的發(fā)展方向。

同時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不少工程商還是一個(gè)挑戰(zhàn)，端到端的解決好網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與后端NVR的即插即用功能，也是海思基于自身的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為行業(yè)提供一個(gè)更好體驗(yàn)而貢獻(xiàn)自己的一份力量。

實(shí)時(shí)預(yù)覽輸出

傳統(tǒng)的安防人拿到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)其實(shí)真的會(huì)很頭疼，真的難用，每次拿起來都不記得網(wǎng)絡(luò)IP是多少（貼在機(jī)身的默認(rèn)IP？或施工過程早改了？）維修這個(gè)設(shè)備還需要帶著便攜機(jī)，這讓工程商怎么會(huì)喜歡用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品？難道以后布線就要找具有“華為大學(xué)”網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證的工程師才可以？

Hi3516內(nèi)置CVBS輸出，可以讓客戶就像用模擬攝像機(jī)一樣，直接用傳統(tǒng)模擬顯示器就可看到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的內(nèi)部各種參數(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的鏡頭效果燈，以方便工程施工。我們可以簡(jiǎn)單而直觀地暢想，還是以前的施工人員，還是挖溝布線，不同的只是埋的線少了，甚至WIFI無線了，工人還是跟以前一樣布置和調(diào)試攝像頭，根本不用管是否IP的，只是接線的時(shí)候模擬視頻線變成了一根5類的網(wǎng)絡(luò)線而已。

同時(shí)為了滿足公安等一些需要無損實(shí)時(shí)圖像的特殊要求，如指揮中心等，Hi3516還提供了一個(gè)BT1120的高清視頻數(shù)字口，該接口可以完成HDMI、VGA、SDI等各種轉(zhuǎn)換，可以容許camera直接把未編碼高清視頻直接傳回公安指揮現(xiàn)場(chǎng)，這樣存儲(chǔ)和預(yù)覽可以同步進(jìn)行。

所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)芯片而言，要在目前工程水平上快速滿足客戶的需求，才是根本所在，我們不能把網(wǎng)絡(luò)傳輸成本的節(jié)省轉(zhuǎn)移到了施工人員的人力成本上。下圖是Hi3515組成架構(gòu)及對(duì)外連接示意圖，讀者不妨瀏覽一下，加深對(duì)其的了解。

前端后端互動(dòng)、智能化

前端數(shù)字化的最大好處是改善了原來模擬攝像機(jī)只管傳輸，而不管后端的需求，例如想改參數(shù)？爬桿子吧。如鏡頭虛焦了，模擬設(shè)備只會(huì)照管傳回來虛焦的東西，而不會(huì)告訴后端設(shè)備視頻不正常了，而前端IP化后就可以大大解決這些問題。

■ 海思即將發(fā)布的Hi3516芯片架構(gòu)圖

如Hi3516集成了智能加速模塊，為大家提供了一個(gè)智能平臺(tái)，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外著名智能廠家，為廣大客戶提供簡(jiǎn)單實(shí)用的智能。

1、運(yùn)動(dòng)物體跨界？徘徊？逆行？區(qū)域入侵？區(qū)域離開……是不是覺得這些場(chǎng)景在現(xiàn)實(shí)中很常見？監(jiān)控不就是監(jiān)控可疑運(yùn)動(dòng)物體（人）嘛，海思平臺(tái)讓這些應(yīng)用變成劃一根線，畫一個(gè)框，剩下的就是確定了。是不是和移動(dòng)偵測(cè)一樣的使用習(xí)慣？對(duì)的，海思的智能平臺(tái)就是要解決以前各種智能需要工程師到現(xiàn)場(chǎng)匹配鏡頭的角度、安裝方位等要求，把工程師解放出來，讓客戶根據(jù)自己的需求隨時(shí)應(yīng)用，讓智能變成簡(jiǎn)單易用的智能。

2、人臉檢測(cè)功能：利用高清的圖像，把監(jiān)控到的人臉都檢測(cè)到，然后以特寫抓拍下來，根據(jù)照片再和錄像關(guān)聯(lián)，以后就可以簡(jiǎn)單按某個(gè)人來關(guān)聯(lián)所有的視頻了，這樣一方面為平臺(tái)的人臉識(shí)別提供高清晰照片，另外為監(jiān)控管理提供了便利。

同時(shí)人臉檢測(cè)結(jié)合一些統(tǒng)計(jì)功能，如針對(duì)每個(gè)區(qū)域有多少人臉，達(dá)到數(shù)人頭的概念，雖然準(zhǔn)確度跟其他專業(yè)算法相比還有些差別，但是在一些廣場(chǎng)，圈定區(qū)域有多少人，數(shù)量級(jí)清楚就可以了，這樣的場(chǎng)景其實(shí)也不需要關(guān)心到底是78個(gè)人還是82個(gè)人，我們知道80個(gè)人左右的數(shù)量級(jí)就可以，這樣的應(yīng)用在實(shí)際開發(fā)中還有很多的組合，可以供各廠家自己研發(fā)。海思只是提供了基礎(chǔ)的平臺(tái)。

3、視頻診斷：一個(gè)小派出所就要管理幾百個(gè)攝像頭，僅看視頻都看不過來，更不要說時(shí)刻檢查他們的工作狀態(tài)了，Hi3516智能加速功能提供了視頻診斷功能算法，鏡頭臟了，虛焦了，被遮擋了，起霧了，視頻色彩不正常了，丟失視頻等12種診斷功能，再不用擔(dān)心管理的幾百路攝像機(jī)是否正常了，隨時(shí)能發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)是否在正常工作。隨時(shí)可以讓工作人員維護(hù)，降低了案件發(fā)生時(shí)視頻丟失的情況。

通過這樣的智能組合，前后端完全互動(dòng)起來，后端可以很隨意的控制調(diào)制前端，前端可以把各種有用信息傳遞給后端，達(dá)到真正的人員解放。

最后一個(gè)問題是后端管理，存儲(chǔ)及顯示

這是個(gè)高清攝像機(jī)都涉及到的問題，我們這里只介紹網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的后端解決方案。

上面提到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以像模擬攝像機(jī)一樣的布置調(diào)試，這應(yīng)該扭轉(zhuǎn)了大家之前對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)使用難的印象了吧？為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的搭配，只有前端是不夠的，所以海思還有配套NVR管理平臺(tái)的芯片。無論是現(xiàn)在的Hi3520還是馬上要推出的Hi3531，都為解決這個(gè)問題。

如果沒有大平臺(tái)，只是要求像Camera+DVR的那種即插即用的應(yīng)用，那么就要用到NVR或者現(xiàn)在最熱門的混合型DVR來解決了。

網(wǎng)絡(luò)高清的解決方案不能簡(jiǎn)單地看作是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的方案，而是端到端的整體解決方案，關(guān)鍵是應(yīng)用體驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，要看到配套產(chǎn)品的完善。

由于篇幅有限，我們不能展開對(duì)高清攝像機(jī)其他方面的發(fā)展趨勢(shì)的進(jìn)一步探討，高清攝像機(jī)最大優(yōu)勢(shì)是高清晰，而高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在這基礎(chǔ)上還要加上前后端互動(dòng)，智能，傳輸成本低等優(yōu)勢(shì)。

這里提到NVR問題只是為了提醒讀者在選擇前端的同時(shí)，要系統(tǒng)的看到后端的解決方案，但是今天因篇幅所限，我們暫時(shí)不展開NVR的討論，后續(xù)另起文章吧。

作者為海思半導(dǎo)體有限公司戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理