在視頻監(jiān)控領域,由網(wǎng)絡監(jiān)控剝離出來的高清網(wǎng)絡監(jiān)控正以超乎想像的速度發(fā)展著。剛剛過去的3年,網(wǎng)絡攝像機與模擬攝像機的產(chǎn)銷量與市占率構成比例已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化,網(wǎng)絡攝像機從之前的5%比重增長到如今的25%。造成這一變化的原因多種多樣,比如網(wǎng)絡攝像機技術的發(fā)展實現(xiàn)了高清實時圖像,產(chǎn)品類型越來越豐富,網(wǎng)絡環(huán)境的改善帶來了更大的帶寬和更高的網(wǎng)速等等。
高清網(wǎng)絡攝像機主要針對圖像清晰度要求比較高的高端監(jiān)控市場的應用需求,包括:高速公路、銀行、遠程醫(yī)療、安檢關口等領域。但是隨著安防監(jiān)控由高端專用領域日趨民用化,高清攝像機的應用范圍也越來越廣泛,很多監(jiān)控條件差、光線昏暗的地方也要求安裝功能多樣的攝像機,網(wǎng)絡高清監(jiān)控正以成熟的技術和合理的價格逐漸進入增長期和普及階段,已經(jīng)被越來越多的用戶所接受。
像素與分辨率賽跑
網(wǎng)絡攝像機顧名思義,便是整合了傳統(tǒng)攝像機與網(wǎng)絡的功能,它將視頻信號數(shù)字化并且壓縮,然后通過自身具備的網(wǎng)絡接口通過IP網(wǎng)絡進行傳輸,并且記錄在裝有視頻管理軟件的電腦主機或專用的IPSAN里面。米卡(中國)有限公司副總經(jīng)理侯武東認為:“現(xiàn)在很多主流大廠的IPC清晰度已經(jīng)在向500萬像素靠攏(需要清楚認知的是本文所談的是真實像素,而非很多所謂的插值像素),但是我們要看到其實攝影業(yè)界所采用的成像清晰度已經(jīng)在千萬像素以上了,我們安防監(jiān)控行業(yè)在新技術的采用上還是稍稍落后了半拍;因此,未來的網(wǎng)絡攝像機應該會和DV機等攝影行業(yè)的標準更為貼近。”
目前,安防行業(yè)的高清監(jiān)控攝像機經(jīng)歷了分辨率為720P與1080P兩種格式后,如果將高清分為3個等級,被業(yè)界定義為準高清的720P即1280×720分辨率嚴格算來只能達到約等于百萬像素的92萬像素;被定義為全高清的1080P則是1920×1080,像素值超過200萬達到了207萬,其中后綴“P”代表的是逐行掃描。對于移動目標的圖像采集,相對隔行掃描,逐行掃描可以獲得更好的動態(tài)圖像,視覺方面幾乎不會產(chǎn)生拖尾,因此對安防監(jiān)控應用來說逐行掃描更加適合;而目前最高端、最主流的高達2560×1920分辨率約等于500萬(實際有效像素為492萬)則被行業(yè)公認為超高清攝像機。當然,像素值的發(fā)展也不是永無止境的,APS-C幅面影像傳感器最高只能達到1800萬像素值的瓶頸,因此,未來用于視頻監(jiān)控的高清攝像機在像素值方面還會有所提升,但是受限于CMOS和CCD的發(fā)展,只能等待全新半導體材料影像傳感器的誕生來解決這個問題。另外,根據(jù)國外最新研究成果,如果將搭載了全畫幅大尺寸CMOS的兩臺高清高像素攝像機并列同時打開快門攝像,可以得到超過1億像素的靜態(tài)畫面,但轉為動態(tài)的話,則會損失大量像素。
深圳波粒智能科技有限公司總經(jīng)理毛忠彪指出,目前百萬高清IPC應用以720P作為普及,重要通道采用1080P,而特殊監(jiān)控則采用500萬像素,從使用量上看還是720P占多。攝像機單純提升像素并不難,但是考慮硬盤占用、網(wǎng)絡帶寬、視頻壓縮處理壓力、低照度、大數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定性、后端主機與配套,以目前的狀況,還不能過分貪圖太高的像素。由此可見,偏于低端的100萬像素仍占多數(shù),在這個層面上,CCD與CMOS兩型影像傳感器各領風騷,臺系映佳、智源、賽靈思以及國產(chǎn)的海思等方案占主體;200萬像素基本是廠商宣稱的“真高清”陣地,這里可以算是韓系主陣地,薈萃了三星、LG等我們所熟知的品牌,韓系Nextchip、美國德儀TI、Ambarella等方案在此
領域均有建樹;300萬像素陣營因為SONY、Panasonic的加入而顯得底氣十足,Exmor和MOS兩大CMOS影像傳感器分立潮頭,與之相匹配的是仍舊是原汁原味的原廠方案和表現(xiàn)出色的德儀TI方案;400萬像素與500萬像素區(qū)別不是很大,方案也是以TI為主,主要是CMOS的選材和方案算法的升級才造就了像素值的不同,這里匯集了美贊美、愛銳康特、海康威視、MOBOTIX、Basler等專業(yè)、高端品牌。
相對于傳統(tǒng)的4:3圖像比例,高清圖像的16:9格式更適合安防監(jiān)控的應用。監(jiān)控場景往往是需要對大范圍橫向區(qū)域進行監(jiān)看,比如高速公路收費站、鐵路沿線、體育場館出入檢票口等,這些場所的特點都是以橫向排列的方式出現(xiàn)在畫面中,而畫面頂部的天空和底部的路面往往是我們不關心的內(nèi)容。所以16:9的畫面可以去除這些不
重要的區(qū)域,而增大我們關心的監(jiān)控目標的面積。以往要用好幾支模擬攝像機橫向排列才能監(jiān)控的區(qū)域,現(xiàn)在只要一只高清網(wǎng)絡攝像機就可以覆蓋,不僅提高了清晰度,也節(jié)省了成本。
兩強相遇“清”者勝
圖像傳感器有CMOS和CCD兩種模式。CMOS既互補性金屬氧化物半導體,CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現(xiàn)基本的功能的。這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD和CMOS電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右,CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時,由于電流變換過于頻繁而過熱。暗電流抑制的好就問題不大,如果抑制的不好就十分容易出現(xiàn)噪點。
眾所周知,感光器件是攝像機最為核心的部件,在模擬攝像機以及標清網(wǎng)絡攝像機中,最為廣泛使用的是CCD,而CCD長期以來都在市場上占有主導地位,出貨量遙遙領先。進入高清監(jiān)控時代以后,CMOS逐漸被人們所認識。CCD的特點是靈敏度高,但響應速度較低,不適用于高清監(jiān)控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式,因此高清監(jiān)控攝像機普遍采用CMOS感光器件。對于相同尺寸的感光器件,像素越高,意味著每個像素的進光量越少,因此目前高清監(jiān)控攝像機的突出問題是清晰度提高,靈敏度降低。幸運的是,目前已經(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。索尼大名鼎鼎的Exmor背照式COMS圖像傳感器,這種背照式CMOS被SONY廣泛應用于Cyber-shot系列DC和Handycam系列DV上面,Exmor改變了傳統(tǒng)傳感器二極管位于電路晶體管下方的布局,讓光線首先到達感光二極管,由于不受金屬線路和晶體管的阻礙,開口率可提高至近100%。與表面照射型CMOS傳感器相比,背照式CMOS在靈敏度(S/N)上具有很大優(yōu)勢,顯著提高低光照條件下的拍攝效果,因此在低照度環(huán)境下拍攝,能夠大幅降低噪點。傳統(tǒng)表面照射型CMOS傳感器每個像素點都要搭配一個對應的A/D轉換器以及對應的放大電路,因此,這部分電路會占用更多的像素面積,直接導致光電二極管實際感光的面積變小,感光能力變?nèi)酢6鳨xmorCMOS將光電二極管放置在傳感器芯片的最上層,把A/D轉換器及放大電路放到傳感器芯片的“背面”。這樣一來,通過微透鏡和色彩濾鏡進來的光線就可以最大限度地被光電二極管利用,開口率得以大幅度提高,即便是小尺寸的影像傳感器,也能獲得優(yōu)良的高感光度能力。根據(jù)計劃,索尼2011年將在長崎投資1000億日元,包括收購東芝的半導體工廠,意在將Exmor傳感器產(chǎn)量提高一倍,但不知該計劃是否收到地震的影響。
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IPC使用CMOS多于CCD已成為不爭的事實,是什么造成了這種現(xiàn)狀?兩者其中的差異化特征是什么?杭州海康威視數(shù)字技術股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)應向群指出:“CCD、CMOS都是影像傳感器,由于其工藝不同,特性相差很大:CCD特有的工藝(制造工藝復雜,只有少數(shù)的廠商能夠掌握),具有低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等優(yōu)點,在交通、醫(yī)療等高端領域中廣泛應用。由于其成像方面的優(yōu)勢,在很長時間內(nèi)還會延續(xù)采用,但同時由于其成本高、功耗大也制約了其市場發(fā)展的空間;CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝,具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點,最近幾年在寬動態(tài)、低照度方面發(fā)展迅速;特別是背照式CMOS技術,在低照度、信噪比方面有了一個嶄新的發(fā)展,有些方面甚至超過了CCD。相信在高清攝像機未來的發(fā)展中,CMOS將占據(jù)著越來越越重要的地位。”
深圳波粒智能科技有限公司總經(jīng)理毛忠彪認為,CMOS芯片功耗低,成本低,可以做到更高像素視頻,實現(xiàn)百萬或千萬級像素,而CCD做高幀率(全實時)視頻攝像機,暫時最高只能做到200萬。
米卡侯武東介紹說,至于為什么IPC使用CMOS多于CCD呢?這是因為,CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD被集成在半導體單晶材料上,而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上,工作原理雖然沒有本質的區(qū)別,但由于CCD制造技術僅僅掌握在索尼、松下、夏普等少數(shù)幾個廠商手中,并且制造工藝較復雜,所以采用CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。CCD雖然成像質量好,但是成本高,使用中也比較費電。以前在攝像機都是標清的時代,應用在攝像機里的CCD圖像傳感器通常以十萬像素為單位,比如40萬像素的CCD,基本就是標清720×576分辨率了。隨著高清數(shù)碼攝像機普及,CCD的像素開始增多,但是還沒有多少機型的CCD達到百萬像素的時候,新的CMOS圖像傳感器開始大舉占領圖像傳感器領域。相較CCD來說,CMOS有成本低、省電的特點,隨著成像質量不斷提高,越來越廣泛被使用在家用、專業(yè)甚至廣播級的攝像機中。CMOS和CCD一樣是在數(shù)碼設備記錄光線變化的半導體,外觀上幾乎無法分別。CMOS的制造技術和CCD不同,比較接近一般電腦晶片。CMOS發(fā)展的很快,像素數(shù)量也增速很快,目前在攝像機領域使用的高端CMOS,很多都達到了1080×1920全高清分辨率。有些家用數(shù)碼攝像機的CMOS像素數(shù)量也達到1000萬。因此,在以高清為主打的IPC中采用CMOS就順理成章了。
寬動態(tài)一場持續(xù)6年的“軍備”競賽
無獨有偶的是,目前市售的高清網(wǎng)絡攝像機幾乎都添加了寬動態(tài)功能,難道這只是個巧合嗎?怎么來看待這個現(xiàn)象呢?
如果高清攝像機的CCD只能對明亮柔和的環(huán)境高清,而對高對比度的環(huán)境“看不清楚”,就只能算是偽高清了。寬動態(tài)技術是在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像的特色而運用的一種技術,很好的解決了影像傳感器的動態(tài)范圍相對人眼要窄的問題。當在強光源(日光、燈具或反光等)照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對亮度較低的區(qū)域在圖像中同時存在時,攝像機輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色,而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色,嚴重影響圖像質量。攝像機在同一場景中對最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在局限的,這種局限就是通常所講的“動態(tài)范圍”。寬動態(tài)攝像機比傳統(tǒng)只具有3:1動態(tài)范圍的攝像機超出了幾十倍,能讓你在黎明、黃昏或者陰天都看得清清楚楚,已經(jīng)作為高清攝像機的性能指標之一了。
深圳市中瀛鑫科技股份有限公司市場推廣部副總經(jīng)理夏其春介紹說,如果高清攝像機只能對明亮柔和的環(huán)境高清,而對高對比度的環(huán)境“看不清楚”,就只能算是偽
高清了。寬動態(tài)技術是在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像的特色而運用的一種技術,很好的解決了影像傳感器的動態(tài)范圍相對人眼要窄的問題。當在強光源(日光、燈具或反光等)照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對亮度較低的區(qū)域在圖像中同時存在時,攝像機輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色,而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色,嚴重影響圖像質量。攝像機在同一場景中對最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在局限的,這種局限就是通常所講的“動態(tài)范圍”。寬動態(tài)攝像機比傳統(tǒng)只具有3:1動態(tài)范圍的攝像機超出了幾十倍,能讓你在黎明、黃昏或者陰天都看得清清楚楚,已經(jīng)作為高清攝像機的性能指標之一了。
值得注意的是,大家記憶猶新的寬動態(tài)大幅出現(xiàn)階段雖然處于模擬攝像機時代,但是卻見證了攝像機由模擬時代變遷到數(shù)字時代的整個過程,尤其是當年來自美國風靡一時的PiximD2025P方案將寬動態(tài)范圍一舉推到了至今都尚未落伍的256dB水平。去年名聲大噪的Exmor背照式CMOS集成了多次曝光寬動態(tài)技術和可視性增強(VE)技術,一般來說寬動態(tài)打開后靈敏度是會降低的,但通過開啟這個功能,不僅寬動態(tài)范圍超過120dB,達到超寬動態(tài)的驚人效果,而且相比傳統(tǒng)寬動態(tài)靈敏度提升了2倍,同時對比度也增加4倍,使圖像效果在低光和明暗對比強烈的環(huán)境中得到極大增強和改善。
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對此,深圳波粒智能科技有限公司總經(jīng)理毛忠彪認為,IPC要廣泛應用,必須做到品種豐富,有低照度、紅外、高速球、背光補償、寬動態(tài)等等,系列齊全才能更好地應用到實際工程中。如果高清攝像機廠家品種少,會極大的阻礙高清監(jiān)控的應用,因此寬動態(tài)高清IPC的必須性很大。
杭州海康威視數(shù)字技術股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)應向群高清解決了圖像細節(jié)的問題,在圖像感官上大大提升了客戶的體驗,也解決了客戶原來“看得見、看不清”的實際問題。但對于實際的、自然光線下的環(huán)境,肯定會有亮、暗同時存在的情況,這個時候就必然需要寬動態(tài)的功能。因此海康威視加大了寬動態(tài)功能的研發(fā)投入,例如推出了120萬、200萬的高清寬動態(tài)攝像機,以解決客戶的實際使用需要。
米卡(中國)有限公司副總經(jīng)理侯武東也持相同觀點,他在采訪中表示,在IPC中植入寬動態(tài)功能是一個必然的趨勢,簡單地說寬動態(tài)就是場景中特別亮的部位和特別暗的部位同時都能看得特別清楚。寬動態(tài)范圍是圖像能分辨最亮的亮度信號值與能分辨的最暗的亮光信號值的比值。由于真實的監(jiān)控環(huán)境中往往光照不理想或非常復雜,采用傳統(tǒng)CCD取得的圖像效果往往不理想,由于CCD的感光特性所限制,在技術上很難在有重大突破,而CMOS技術已經(jīng)達到160dB,采用CMOS技術的攝像機,寬動態(tài)范圍要比CCD寬動態(tài)范圍有極大的提高。對于DPS技術,每個像素對應的光線都可以優(yōu)化曝光,每一幀數(shù)據(jù)讀取時間只需0.8毫秒(傳統(tǒng)CCD技術則需數(shù)十毫秒),這樣系統(tǒng)可以對每個像素進行多次單獨采樣;而成像系統(tǒng)控制著每個像素的最佳采樣時間,在每個像素達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息。在所有像素被采集后,系統(tǒng)再對其進行處理,最終形成高質量的圖像。即使在最苛刻的光照條件下,也可捕捉到清晰、逼真的圖像,再也不會因為陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發(fā)暗或被破壞。因此,可以說未來的監(jiān)控攝像機屬于寬動態(tài)攝像機,寬動態(tài)技術屬于CMOS。
智能技術的植入是多此一舉還是錦上添花
為了便于管理,監(jiān)控網(wǎng)絡中常常需要有圖像矩陣顯示功能,方便監(jiān)控人員對反饋信號及時分析處理,也要讓運動監(jiān)測能夠與時間監(jiān)控和警報管理功能結合,這種智能化避免了因人為疏忽而帶來失誤。報警緩沖功能可將報警期間錄制的視頻圖像在傳輸線保存在存儲器上,防止圖像數(shù)據(jù)的丟失,即使在因寬帶限制或網(wǎng)路流量問題而導致圖像傳輸延遲時也是如此。從現(xiàn)在來看,用戶對動態(tài)視頻的要求會越來越高,廠商只有不斷地開創(chuàng)新的技術才能在市場競爭之中立于不敗之地。比如在解決高清和數(shù)據(jù)流這對矛盾時,德國Basler公司率先推出了兩項創(chuàng)新技術:支持編碼器多種碼流的同時傳輸,可使用幾個MJPEG碼流,同時MPEG-4或者H.264也可以打開,以便同時獲得高分辨率的圖片和高幀率的視頻。其次是感興趣區(qū)域的功能(AOI)。BaslerBIP系列為了表現(xiàn)更多圖像細節(jié)及精準度,圖像的格式和縱橫比是可以調(diào)節(jié)和設置的。AOI能夠在用戶在原始視頻里設置多個自己感興趣的區(qū)域,這些被選定的區(qū)域能夠單獨編碼和傳輸。以此功能傳輸更多的圖像細節(jié),節(jié)省硬盤空間,提高利用率,并降低寬帶占用率。時下200萬像素以上機型包括索尼、三星、松下都無一例外地在高端IPC中植入智能化功能,難道這又是高清網(wǎng)絡攝像機風云際會的一次巧合嗎?對此,記者就此問題采訪了幾家具有代表性的負責人。
索尼(中國)專業(yè)系統(tǒng)集團B2B銷售及市場開發(fā)部產(chǎn)品經(jīng)理文軍在采訪中表示,智能分析一直是網(wǎng)絡攝像機追求的功能,這個功能最初的開發(fā)構想就是讓人從繁重的監(jiān)控工作中解放出來,讓機器智能地進行監(jiān)控、判斷、分析、報警。但由于目前智能分析的研發(fā)能力有限,市面上大多數(shù)智能功能都難以滿足實際應用,這些問題極大地限制了智能應用的推廣。索尼早在2006年就推出了具備智能分析功能的DEPA系列網(wǎng)絡攝像機,后來又推出了增強型的DEPA二代產(chǎn)品。DEPA二代技術將智能分析處理完全前移到前端網(wǎng)絡攝像機中,攝像機自身即可對采集的圖像進行分析判斷,并將報警信號傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)中,這不同于以往智能技術將圖像傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)后再由軟件進行分析報警的方式,有點類似于網(wǎng)絡存儲中比較類似的“集中存儲”向“分布存儲”過度的類型。DEPA二代智能分析技術還具備最新研發(fā)的“智能防破壞探測”和“智能語音探測”功能。智能防破壞探測功能可以識別人為地對攝像機進行的遮擋、調(diào)焦、噴涂、移位等動作,并及時發(fā)出報警;智能語音探測則可以對尖叫、異響等作出報警。
深圳市中瀛鑫科技股份有限公司市場推廣部副總經(jīng)理夏其春指出,智能化一直都是數(shù)字監(jiān)控行業(yè)發(fā)展的方向,因此,智能視頻監(jiān)控產(chǎn)品真正地應用,智能化才能取得實質性的進展。當智能化與IP化緊密集合在一起的時候,IP監(jiān)控行業(yè)將會翻開新的一頁。同時高清技術的發(fā)展將推動圖像識別和智能分析技術的發(fā)展和應用,圖像識別和智能分析技術一直沒能得到業(yè)界普遍期待的大規(guī)模應用。主要原因是識別的精確度離用戶的期待還有不小的差距,而圖像的分辨率則是影響識別精確度的主要因素,高清監(jiān)控技術的發(fā)揮和大規(guī)模市場應用將會為圖像識別和智能分析技術的推廣應用帶來前所未有的機遇。如人臉識別技術的應用,目前主要應用于經(jīng)特別設計的出入口通道等場合,每次也只能識別一張人臉,高清監(jiān)控技術的應用將大大提高識別效率,拓展應用場合,如城市治安監(jiān)控、銀行營業(yè)廳監(jiān)控、車站廣場監(jiān)控中的應用。
米卡(中國)有限公司副總經(jīng)理侯武東認為,高清和智能化是網(wǎng)絡攝像機未來發(fā)展的2個相輔相成的重要方向:高清的畫面使人們可以清晰的監(jiān)控目標事物,智能化可以減輕人們監(jiān)控管理的難度,輔助我們實現(xiàn)更多的更實用、實時的監(jiān)控需求。因此,越來越多的廠商會把高清、智能化或者2者都加入到網(wǎng)絡攝像機的功能和性能中去,以期給客戶提供更高的性價比。深圳波粒智能科技有限公司總經(jīng)理毛忠彪也認為,高清與智能是視頻監(jiān)控發(fā)展必然趨勢,目前發(fā)展智能最好有高清的畫質做基礎,先實現(xiàn)數(shù)字高清化,接著智能化。目前數(shù)字高清還沒有廣泛普及應用,因此智能化的發(fā)展會受到一定限制。
結束語
有夢就有未來,對于上世紀90年代第一批拿彩色CCD說事兒的安防人而言,高清與網(wǎng)絡恐怕是當時想都不敢想的夢,但是時隔十多年,這個難以企及的夢想竟然成真,這就是夢想與創(chuàng)新的結果,高清網(wǎng)絡攝像機代表著監(jiān)控攝像機的未來,高清網(wǎng)絡攝像機這個曾經(jīng)被眾多業(yè)內(nèi)人士譽為“窗上的蒼蠅”(寓意前景一片光明但卻找不到出路)的新生事物,對于用戶和生產(chǎn)商來說,夢想都實現(xiàn)了,好日子還遠嗎?
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