繽紛“芯”時代，監(jiān)控廠商如何做到“芯”中有數(shù)？——高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)芯片方案選擇要素淺析

前言

2013年10月29日，第十四屆安博會在深圳開展。如火如荼的安博會體現(xiàn)出安防行業(yè)的蓬勃發(fā)展，“高清”仍然是視頻監(jiān)控領(lǐng)域炙手可熱的話題。如今，安防的高清應(yīng)用呈全面普及、跨界發(fā)展之勢，基于高清、智能技術(shù)上的可視化管理應(yīng)用的新安防時代已經(jīng)到來，定制化智能高清方案將是新安防時代的典型特征。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是高清監(jiān)控系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)之一，面對層出不窮的高清IP芯片解決方案，監(jiān)控廠商應(yīng)該如何選擇，才能定制出滿足用戶復(fù)雜、個性化的高清應(yīng)用需求的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)？

芯片架構(gòu)知多少

在音視頻編碼芯片市場上有著DSP、ASIC和SOC之爭。SoC芯片的出現(xiàn)兼顧了DSP與ASIC兩家之長，彌補(bǔ)了兩者之短。SoC芯片即具有多處理器核心的單片集成系統(tǒng)，其集成有CPU主處理器，所集成的核心既可以是ASIC類的硬核，使SoC具備高性能、低成本、低功耗等特征，也可以是DSP或協(xié)處理器類的軟核，且集成有豐富的外設(shè)，保持了DSP的靈活性，解決了DSP芯片成本較高的問題。更由于SoC是面向特性應(yīng)用的片上系統(tǒng)，結(jié)合硬件加速等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)H.264的高復(fù)雜度的算法運(yùn)算，如High profile，并可針對視頻編碼方面進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果。另外，高端的SoC也為視頻分析發(fā)展提供了更好的方案——智能算法可以被集成在與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的編解碼處理器上，這比早前將智能算法放在單獨(dú)一塊芯片上集成在產(chǎn)品中的方案更節(jié)省成本，開發(fā)難度也更小。因此SoC迅速成為編解碼芯片市場的主流。

目前市場上的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)方案基本上有三種架構(gòu)：

攝像機(jī)模組+SOC(DSP)

此方案以機(jī)芯作為圖像采集設(shè)備，配套ASIC或DSP進(jìn)行編碼壓縮和傳輸。由于采用專業(yè)成像模塊，此方案優(yōu)勢為開發(fā)難度相對較小，原始視頻圖像效果較好，整體產(chǎn)品效果一般取決于配套的壓縮傳輸模塊，主要指標(biāo)就是壓縮后圖像的清晰度及實(shí)時性。缺點(diǎn)是由于鏡頭固化，開發(fā)者的配套自由度較小。

攝像機(jī)模塊+SOC(DSP)

此方案與第一種方案相似之處是均以攝像機(jī)模塊作為圖像采集設(shè)備，前端sensor和ISP已經(jīng)整合，配套ASIC或DSP進(jìn)行編碼壓縮和傳輸。而不同之處在于，此類方案的可操作部分較多，如鏡頭就可以自由搭配，還可以定制一些產(chǎn)品增值功能。該方案色彩還原和低照度等各方面的指標(biāo)都處理得非常優(yōu)異，適合掌握了網(wǎng)絡(luò)壓縮和傳輸技術(shù)且對圖像要求比較高的客戶使用。

SENSOR+SOC(DSP)

此方案采用圖像傳感器作為圖像采集設(shè)備，配套提供ISP的SoC芯片。這類方案具有明顯的成本優(yōu)勢，成像效果主要取決于芯片廠商集成的ISP(如3A，寬動態(tài)等)效果。另外，此類方案比較靈活，可以根據(jù)方案的特點(diǎn)加以定制，如抓拍、低幀率、超大尺寸視頻等。

芯片性能匹配否

隨著高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的應(yīng)用普及，用戶的高清應(yīng)用需求也愈發(fā)復(fù)雜化、個性化。如何滿足豐富的應(yīng)用需求，對高清IP芯片的性能提出了更高的要求。

高像素、高幀率

目前，720p/1080p實(shí)時高清IPC已占據(jù)高清攝像機(jī)市場主流地位。然而在一些場景較大、且較重要的應(yīng)用場合，如廣場、大廳等，還需要更高的分辨率以滿足對畫面細(xì)節(jié)的需求。在此次安博會上，已有不少廠家展示出800萬高清IPC，相信千萬像素監(jiān)控的問世也不會遠(yuǎn)。另外，在監(jiān)控一些快速移動的物體，如高速公路上飛速的車輛、銀行點(diǎn)鈔機(jī)點(diǎn)鈔時，25幀每秒的幀率已經(jīng)難以滿足需求，出現(xiàn)了對高幀率攝像機(jī)的應(yīng)用需求，展會上500萬實(shí)時高清IPC、200萬60幀像素IPC的展出都吸引了不少用戶的目光，這都有賴于高像素的圖像傳感器及高處理性能的編解碼芯片才可實(shí)現(xiàn)。

低碼率、低延時、多碼流

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的高帶寬占用及高存儲成本一直為人所詬病，不過好在“低碼率“時代來臨了?，F(xiàn)在，720p只需1-2M碼率，1080p只需2-4M碼率就可以獲得和以前同等質(zhì)量的監(jiān)控畫質(zhì)，直接節(jié)省了一半甚至四分之三的帶寬和存儲成本。這得益于編碼芯片的性能提升到足以運(yùn)行H.264的高復(fù)雜度編碼算法High profile。性能和運(yùn)算速度的提升還能獲得更低的網(wǎng)絡(luò)延時，例如?？礢mart IPC全系列產(chǎn)品延時均在200ms以內(nèi)。另外，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和終端用戶需求日益復(fù)雜，例如用1080p@25fps來進(jìn)行本地錄像存儲，同時可以用1080p@15fps遠(yuǎn)程PC預(yù)覽，用4CIF@25fps手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)覽，這要求IPC能同時輸出多路獨(dú)立碼流。

智能分析前端化

隨著監(jiān)控攝像頭的增多、犯罪手法多樣化，智能監(jiān)控勢在必行。以前，由于高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼芯片性能不足，無法運(yùn)行太多復(fù)雜的智能編碼算法，智能分析一般通過服務(wù)器上運(yùn)行軟件來進(jìn)行。服務(wù)器價格昂貴，這種方式無疑增加了整體監(jiān)控系統(tǒng)的成本，也是導(dǎo)致高清監(jiān)控“智能化”應(yīng)用無法全面普及的重要原因之一。高性能編碼芯片的問世，讓智能算法前置成為可能，例如?？低昐mart IPC全系列產(chǎn)品支持跨界、區(qū)域入侵偵測，人臉偵測，畫面虛焦、場景變更偵測等智能分析功能，脫離后端服務(wù)器的支持，讓“智能”成為IPC的標(biāo)配功能，而價格并未增加，因此可在不增加監(jiān)控成本的條件下，提升高清監(jiān)控效率。

芯片發(fā)展看今朝

視頻監(jiān)控市場需求的不斷增長，帶動了視頻監(jiān)控核心器件——芯片生產(chǎn)商的快速發(fā)展，芯片市場的競爭也異常激烈。高清攝像機(jī)中的SoC市場上常見的廠商有Ti（德州儀器）、Ambarella（安霸）、Hisilicon（海思半導(dǎo)體）、NXP（恩智浦半導(dǎo)體）、升邁（GrainMedia）、Nextchip等。據(jù)調(diào)查機(jī)構(gòu)IHS統(tǒng)計，德州儀器是2012年網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處理器市場占統(tǒng)治地位的制造商，其市場份額為76.2%。

各大芯片廠家積極研發(fā)新技術(shù)推出新產(chǎn)品，推動了高清IPC的飛速發(fā)展。高清IPC的芯片大致可以按工藝制程、ARM架構(gòu)版本、支持ISP功能、編碼能力等屬性分為三代。

第一代

2007年TI推出的TMS320DM355以及海思的HI3512可以視為第一代高清IPC芯片的典型。兩種芯片均具備720p@30fps的編碼能力，海思HI3512支持H.264編碼，但未集成ISP處理模塊，因此只能選用一些具有圖像預(yù)處理功能的sensor。TI的DM355在處理器內(nèi)部集成了ISP圖像預(yù)處理模塊，可以實(shí)現(xiàn)3A（自動白平衡、自動曝光、自動聚焦）等CMOS解決方案所必須的功能，可以無縫對接各類圖像傳感器，但只支持MPEG4編碼。第一代高清IPC芯片最終由于其網(wǎng)絡(luò)性能、圖像處理等方面的不足以及第二代芯片的及時推出而退出市場。

第二代

2009年，以TI的DM365/DM368以及安霸A5系列為代表的第二代高清IPC芯片推出市場。第二代芯片全面支持H.264編碼算法，720p@30fps以及1080p@30fps的編碼能力，整體編碼效率提升；在圖像處理方面，也都集成了ISP圖像處理模塊，圖像畫質(zhì)有保證；值得一提的是，整體性能的提升使其已經(jīng)可以初步支持人臉檢測等智能分析的功能。但高清數(shù)據(jù)的帶寬占用和存儲成本仍是高清攝像機(jī)發(fā)展的阻力，市場亟需更高的編碼效率以降低高清監(jiān)控的成本。另外，在一些特殊應(yīng)用場景，如低照度環(huán)境、逆光環(huán)境，高清IPC的適應(yīng)能力以及處理算法仍有待完善。

第三代

隨著對高清IPC更高編碼性能以及智能分析功能的需求不斷提升，各大廠家在2012年左右又相繼推出了第三代高清IPC芯片。代表性的芯片有TI的TMS320DM385、安霸的S2、海思的Hi3518（A/C）/3516C以及恩智浦（NXP）的ASC885x/4xA等。第三代高清IPC芯片的編碼引擎有了全面的提升，TI的DM385以及安霸的S2采用的是主頻1GHZ的處理器，可支持3D降噪、寬動態(tài)等功能，且相比前兩代芯片，第三代芯片可以支持千兆網(wǎng)絡(luò)，支持多項智能分析功能，在編碼性能上均有很大提升，并可實(shí)現(xiàn)H.264下200萬60fps，500萬25fps的編碼性能。目前有實(shí)力的安防廠商已經(jīng)推出了選用第三代高清IPC芯片的全新一代高性能IPC，例如?？低暤腟mart IPC產(chǎn)品系列，搭載最新硬件平臺，結(jié)合自身沉淀多年的視頻編碼算法及圖像處理算法，具備智能編碼、智能偵測、智能控制三大技術(shù)集，旨在給用戶提供更優(yōu)質(zhì)的圖像效果，更豐富的監(jiān)控價值，更便捷的操作管理，更完善的維護(hù)體系。

對于監(jiān)控設(shè)備廠家來說，即使選擇同樣的芯片，仍然需要廠家對于外部輸入輸出接口、底層驅(qū)動、協(xié)議、ISP等進(jìn)行配置和調(diào)試，而這些才是決定一個產(chǎn)品最終效果和性能的關(guān)鍵因素，也最能體現(xiàn)一個廠家的底蘊(yùn)實(shí)力。?？低暩鶕?jù)自身產(chǎn)品定位以及不同廠家不同性能的芯片特點(diǎn)，博采眾長、揚(yáng)長避短，提供符合市場需求的多系列網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品。

結(jié)束語

芯片市場百家爭鳴，百花齊放，這種良性競爭的局面推動著各大芯片廠家不斷推出更高性能、集成度更高的編解碼芯片，無疑也促進(jìn)了安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。最基本的功能、規(guī)格由芯片來完成并提供一個強(qiáng)大的平臺，這樣讓設(shè)備廠家能夠把更多的資源應(yīng)用到研究、開發(fā)并為下游用戶帶來更多價值上來，從而推動產(chǎn)業(yè)向更深、更廣的范圍發(fā)展。

時刻關(guān)注用戶需求，提供更高的像素、幀率，更低的照度和動態(tài)范圍，更低的帶寬占用、更高的傳輸效率，以及更加智能的ISP算法的產(chǎn)品，滿足用戶個性化、多樣化的監(jiān)控需求，才是每個監(jiān)控廠家應(yīng)當(dāng)追求的終極目標(biāo)。