一體化機(jī)芯高清時(shí)代的透視解析

文/郭輝

一體化機(jī)芯高清時(shí)代的透視解析

文/郭輝

高清一體化機(jī)芯2012年將會(huì)迎來大發(fā)展和大繁榮，并牢牢的占據(jù)高清攝像機(jī)領(lǐng)域“寵兒”的地位。為什么被形象地稱為“寵兒”呢？由于高清一體化機(jī)芯兼具高清晰圖像處理能力、自動(dòng)變倍能力與自動(dòng)對焦能力，尤其受快球、紅外球的迅猛發(fā)展而受到用戶的接受，特別是以一體化攝像機(jī)引領(lǐng)的高清快球、高清紅外球等設(shè)備以圖像清晰、價(jià)格理性、性能完善、安裝彈性大等優(yōu)勢在“平安城市”、“道路監(jiān)控”等工程中擔(dān)綱主角。隨著高清攝像機(jī)市場競爭細(xì)分格局的日臻明朗，各品牌之間競爭上的壓力也隨之凸顯。隨著更多國內(nèi)廠家對高清一體機(jī)機(jī)芯的關(guān)注和投入，老牌如日本的索尼、日立和韓國的三星、LG等老牌一體化機(jī)芯公司的產(chǎn)品豐富，高清一體化機(jī)芯已經(jīng)形成日系、韓系、國產(chǎn)三足鼎立的市場格局。

高清一體化機(jī)芯的技術(shù)特點(diǎn)

對于高清一體化機(jī)芯目前在市場上有多種形態(tài)，例如有直接接出數(shù)字接口的高清一體化機(jī)芯，如日立和索尼的機(jī)芯，其直接輸出LVDS或者YUV的數(shù)據(jù)格式，其接口輸出的是沒有經(jīng)處理和壓縮的數(shù)字信號(hào)，需要經(jīng)過二次加工才可以顯示圖像；還有一種是直接輸出網(wǎng)絡(luò)接口的高清一體化機(jī)芯，如國產(chǎn)的艾普視達(dá)、波粒等廠家推出的高清一體化機(jī)芯，其接口輸出的是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，內(nèi)部已經(jīng)做視頻壓縮處理，可直接通過接口板顯示圖像；另外還有一種是輸出SDI信號(hào)的高清一體化機(jī)芯，其接口輸出的是HD-SDI信號(hào)，內(nèi)部集成了SDI的處理芯片，可直接裝配在球機(jī)中即為SDI高清球。而通常所說的高清一體化機(jī)芯是對以上三種形態(tài)的通稱，一個(gè)高清一體化機(jī)芯，最起碼應(yīng)具備有可變倍與自動(dòng)對焦的功能可以方便地對鏡頭（倍數(shù)、聚焦、光圈）進(jìn)行控制，其主要指標(biāo)如下：

分辨率。高清攝像機(jī)的分辨率由傳感器的像素?cái)?shù)量決定，目前高清一體化機(jī)芯由于采用的傳感器和DSP方案的不同分為720P、960P、1080P等多種分辨率，按其像素可分為130萬、200萬、300萬、500萬等多種像素，換成線數(shù)的話，720P可以達(dá)到700線、960P可以達(dá)到800線、而1080P可以高達(dá)900線，此外因?yàn)殓R頭口徑小型化的要求，和高清鏡頭的制約、其傳感器的大小一般使用1/3″。

光學(xué)變倍。光學(xué)變倍倍數(shù)是衡量一體化機(jī)芯空間成像范圍的重要指標(biāo)，目前一般有18倍、20倍、22倍、28倍等，加上電子放大，可對約200米內(nèi)的目標(biāo)有效監(jiān)控。目前鏡頭變倍的大小主要是受鏡頭廠家的制程限制，目前高清一體化變倍鏡頭發(fā)展遠(yuǎn)落后于傳感器像素的發(fā)展，所以在模擬時(shí)代的30倍、32倍等高倍率的鏡頭在高清一體化機(jī)芯上還是空白，而且像素越高，變倍越大，對鏡頭的制程精度就越高，難度也越大。

低照度。通常，高清一體化機(jī)芯最低照度由傳感器的靈敏度決定，目前，由于CCD的低照效果要好于普通的CMOS，所以對130萬像素來說，以CCD占據(jù)主流，但是由于像素越高，CCD的靶面尺寸就越大，但是鏡頭的孔徑受一體機(jī)空間限制無法做到很大，而CMOS由于其先天的技術(shù)特性，可以在很小的靶面上集成很多的像素，所以在200萬像素以上，通常采用的是CMOS傳感器，而且為了提升低照效果，各廠家想盡辦法，例如索尼其最新推出的Exmor背照式CMOS傳感器，其低照效果完全可以媲美CCD效果，在高清一體化機(jī)芯中得到廣泛應(yīng)用。目前不管是CCD還是CMOS的高清一體化機(jī)芯，其低照效果都已經(jīng)很好。

聚焦。一體化機(jī)芯的特色主要體現(xiàn)在自動(dòng)聚焦上，其使圖像畫面隨時(shí)保持清晰。通過自動(dòng)聚焦算法檢測圖像主物面的位置，并根據(jù)圖像傳感器上的聚焦情況自動(dòng)調(diào)整鏡頭的聚焦馬達(dá)，這樣往復(fù)幾次，即可實(shí)現(xiàn)變焦控制全程自動(dòng)聚焦，圖像在變焦過程中隨時(shí)保持清晰。變焦控制和自動(dòng)聚焦技術(shù)提高了監(jiān)控效率，當(dāng)圖像畫面發(fā)生變化(如有物體移動(dòng)或變焦控制時(shí))需要重新聚焦，自動(dòng)聚焦鏡頭可以自動(dòng)執(zhí)行聚焦操作，讓整個(gè)畫面始終保持焦點(diǎn)準(zhǔn)確圖像清晰。比如控制鏡頭變焦讓畫面場景中的人物由遠(yuǎn)及近時(shí)，自動(dòng)聚焦算法會(huì)不斷分析當(dāng)前畫面并發(fā)出鏡頭自動(dòng)聚焦命令，使人物在畫面中始終保持焦點(diǎn)清晰。

自動(dòng)聚焦主要技術(shù)難點(diǎn)是要提高聚焦的速度和精度，精度將影響后期圖像處理的結(jié)果。場景中被攝物體與拍攝的距離時(shí)刻發(fā)生變化，快速的聚焦十分必要，聚焦速度的提高，取決于聚焦評價(jià)函數(shù)的選擇。聚焦評價(jià)函數(shù)用來衡量圖像聚焦與否?；趫D像處理的自動(dòng)聚焦算法中常用的聚焦評價(jià)函數(shù)的類型大致有：灰度梯度函數(shù)、信息學(xué)函數(shù)、頻域函數(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)等。用微積分法對圖像進(jìn)行梯度變換，將圖像的邊緣增強(qiáng)處理，使聚焦圖像與離焦圖像的評價(jià)函數(shù)值更加分明，提高了準(zhǔn)確聚焦的靈敏度。

高清一體化機(jī)芯市場應(yīng)用

一體化機(jī)芯所搭配的一體機(jī)、高速球多用于政府項(xiàng)目、高檔次高層大樓，以及商場、學(xué)校、酒店、賓館大堂等，另外還有專門適合加油站、油田、煤礦等對環(huán)境要求較高場所的防塵型以及低溫、電機(jī)無火花的防爆型產(chǎn)品。其他專業(yè)用高清一體化機(jī)芯配套產(chǎn)品，如軍用、航空、極地、海底、生化環(huán)境用等，因?yàn)橛猛静煌鄳?yīng)具有不同的特殊功能，如防高壓、防腐蝕、防震動(dòng)等。

高清一體化機(jī)芯種類繁多，不一而足，目前的高清市場主體以18、20倍變倍最多，其他3倍、10倍應(yīng)用較少?？傮w來說，一體機(jī)的趨勢是照度越來越低，倍數(shù)越來越高。如索尼最新推出的FCB-CH6300型200萬像素高清一體化機(jī)芯，采用Exmor CMOS傳感器，具有日夜彩色自動(dòng)轉(zhuǎn)黑白功能，最大分辨率1080P@30FPS，內(nèi)置20倍光學(xué)變焦及10倍電子變焦鏡頭，在開啟高感光度模式下，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）該款機(jī)型可說代表了技術(shù)上的新潮流。

國產(chǎn)的如艾普視達(dá)高清一體化機(jī)芯，其最大分辨率為1080P@25fps，18X光學(xué)變倍，具有網(wǎng)絡(luò)壓縮模塊，可幫用戶省去網(wǎng)路壓縮部分，直接接一個(gè)接口板就可以輸出圖像，方便一些沒有IP開發(fā)實(shí)力的公司使用。

對于一體化機(jī)芯性能優(yōu)劣的比較，首先應(yīng)注重品牌，其次要看其光學(xué)倍數(shù)、強(qiáng)光抑制功能、自動(dòng)白平衡功能、信噪比等，但更重要的是要看其實(shí)際的效果，因?yàn)楹芏郞EM品牌在性能參數(shù)上面看與國際品牌沒有很大的區(qū)別，但真正應(yīng)用時(shí)的效果差距卻很大，此時(shí)只看參數(shù)不一定真實(shí)反應(yīng)產(chǎn)品性能。如果要比較機(jī)芯的優(yōu)劣，從光學(xué)角度看，要注意其成像范圍、光線反應(yīng)（色彩、清晰度）、鏡片組設(shè)計(jì)。機(jī)芯的核心技術(shù)當(dāng)集中在鏡頭的自動(dòng)聚焦功能上，好的產(chǎn)品，可以一次性準(zhǔn)確聚焦，而品質(zhì)不好的產(chǎn)品，在聚焦時(shí)會(huì)來回往復(fù)，需要3、4次才能定焦，或者在聚焦范圍內(nèi)某些特定的距離上不能完全聚焦。

由于高清機(jī)芯包含更高的技術(shù)在內(nèi)，通常人們認(rèn)為其價(jià)格高，但隨著這兩年來很多企業(yè)尤其是中國和韓國企業(yè)進(jìn)入市場，令機(jī)芯價(jià)格下滑，例如市場上最具代表性的日立130萬CCD高清一體化機(jī)芯為例，在2011年價(jià)格降幅大約為10%，而隨著?？怠⒋笕A等國內(nèi)龍頭企業(yè)對高清一體化機(jī)芯的研制成功和大批量的應(yīng)用，使得高清機(jī)芯價(jià)格在2012年將有更大的下降空間。

高清一體化機(jī)芯的技術(shù)進(jìn)展

高清一體化機(jī)芯的關(guān)鍵技術(shù)是鏡頭、傳感器和DSP處理模塊。鏡頭主要被日本廠商所掌握，如佳能、Camputar、富士能、騰龍等，在高清一體機(jī)領(lǐng)域提供OEM較多的是佳能和騰龍的鏡頭。從傳感器看，供應(yīng)商以Sony為主，Sony產(chǎn)傳感器又以民用為主流，Sony 傳感器分為CCD和ExmorCMOS兩種類型，其中ExmorCMOS是最新技術(shù)，普遍采用1/3寸尺寸，其低照效果可以媲美CCD；在DSP處理芯片上，不同廠家各有特色，如Sony的DSP芯片在色彩還原度方面比較優(yōu)秀，而日立的DSP在捕光模式和畫質(zhì)的通透度上比較好。

目前一些國內(nèi)廠家產(chǎn)的高清一體機(jī)都是用進(jìn)口機(jī)芯和進(jìn)口的傳感器，但是在DSP部分由于廠家的技術(shù)限制，各家的差異很大，而且其核心的3A（自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)聚焦）處理技術(shù)是重點(diǎn)中的重點(diǎn)，也是一個(gè)機(jī)芯效果好壞的根本，而國內(nèi)廠家這部分普遍都還比較弱，所以效果上較國外廠家還有一定的差距。

一體化機(jī)芯技術(shù)發(fā)展方向可從幾個(gè)方面看：成像技術(shù)——鏡頭倍數(shù)更高，拍攝距離更廣、更遠(yuǎn)；像素?cái)?shù)更高——提高圖像清晰度；實(shí)用性——開發(fā)商的思路、對市場的理解，決定其產(chǎn)品是否具有實(shí)用價(jià)值。

去年新加入高清一體化機(jī)芯技術(shù)有超寬動(dòng)態(tài)、智能分析、數(shù)字透霧、數(shù)字防抖等，使得高清機(jī)芯類產(chǎn)品在數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)功能上也有新的進(jìn)展，主要是數(shù)字化處理技術(shù)，在一體機(jī)內(nèi)部嵌入IP處理模塊，具備網(wǎng)絡(luò)功能；另外就是目標(biāo)鎖定、自動(dòng)跟蹤功能。理論上來說自動(dòng)跟蹤功能可以很好地實(shí)現(xiàn)，可是實(shí)際應(yīng)用中在多目標(biāo)跟蹤時(shí)一體機(jī)只能自動(dòng)選擇最大的目標(biāo)進(jìn)行鎖定。IP化、高清化、智能化是一體化機(jī)芯發(fā)展的方向。

結(jié)束語

綜述，一體化機(jī)芯市場應(yīng)用呈快速增長之勢，而價(jià)格呈不斷下降之勢，早期普遍認(rèn)為高清一體化機(jī)芯價(jià)格太高，影響了機(jī)芯的市場開拓，而最近兩年人們理性地看到，從綜合性價(jià)比及實(shí)用性來說，高清一體化機(jī)芯以其獨(dú)特的魅力，正在成為安防監(jiān)控系統(tǒng)的新寵，一般應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)模擬一體化機(jī)芯則面臨來自高清一體化機(jī)芯的強(qiáng)烈沖擊，市場的均衡正在被一步步打破，可以預(yù)見，幾年以后，市場格局將與今天完全不同。

作者單位：天津天地偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司