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      高清監控前端及核心組件發展趨勢分

      作者:原創   發布時間: 2013/12/21 11:06:36

    •   談到高清攝像機前端問題,從推出到現在普遍的應用,綜合整理大致有以下十點。前端高清攝像機的十大問題給工程商在攝像機應用選型及使用上帶來很多困惑,因為這十大問題幾乎都與高清攝像機所采用的元器組件有很大的關聯,而對于更加專業的元器件的知識,工程商實在不知該如何從高清攝像機的規格特性條件上看出端倪,從而解決相應的問題。IP與HD-SDI前端常見的十大問題:Sensor傳感器幀數條件差異造成高清效果差異;DSP/ISP效能差異及輸出部份非采高清BT.1120/LVDS純高清信號,而是以BT.656ParallelScaleup方式呈現的假高清;IP影像信號流量封包過大,帶寬不足時延時過大高清畫面不順暢;IPCODECCPU效能不足無法滿足高清幀數呈現;前端智能嵌入過度耗能易過熱當機;IP影像串流數不足應付后端需求造成畫面掉幀;鏡頭必須搭配適合的百萬畫素等級非球面鏡頭才有高清效果;SDI影像720P/1080i/1080P高清無格式標準一致性;私有協議SDK部分標準化不統一,不易集成,整合困難;大部分無ABF(自動對焦)工程安裝調整麻煩。攝像機在此次2012Secutech臺北國際安全博覽會高清IPMegapixel與HD-SDI的評測中,我們就將高清的評選項目鎖定在如何解決這十大問題上,去進行初測與復評。很幸運的,從本次參加評測的20組IPMegapixel及11組HD-SDI攝像機,總共31款高清攝像機中,我們看到不同品牌的高清攝像機采用不同的元器組件對以上十大問題的解決所所帶來的進步與差異化。CMOS發展主流趨勢已明朗作為高清監控攝像機的核心組件之一,CCD與CMOS的區別大家應該已經很明確了。但以現有性能來區分,從評測中兩者之間的差異具體體現在靈敏度、噪點處理以及功耗等方面。過去在像素相同的條件下,CMOS明顯要比CCD的靈敏度差很多;而在Sensor尺寸一樣下,在進光量上CCD會遠勝于CMOS,這通常也是CCD與CMOS在成像和亮度上最大的差異。但在此次評測中1-2Lux低光測試環境中我們卻看到CMOS的表現完全不亞于CCD的表現(參考圖1結果比較),因此,對于常見的低照高清CCD技術而言,在清晰度上來看CMOS已經站穩高清攝像機使用首選。對于IP高清監控來說,由于視頻在傳輸前需要經過編碼器進行壓縮,而壓縮后的視頻像素大約只在四十萬左右。因此在CCD難以得到良好高清效果的情況下,對選擇實用又廉價的CMOS設備無疑是更好的選擇。這一點在20款IPMegapixel攝像機上都得到做實際的印證。此外拋開理論;單單從清晰度的效果來看,相同尺寸的CCD設備在分辨率上會優于CMOS傳感器,但是如果不理會尺寸問題的話,CMOS傳感器則會有更好的發揮優勢,這一點也從此次參與測試的攝像機選用CMOS以1/2.7”、1/2.8”尺寸約占了一半以上數量可看出。這也讓芯片廠商在大尺寸感光組件的批量生產可以增加產能。進而從量產上看CMOS芯片在高清分辨率的情況下,建立起對CCD傳感器絕對的后繼優勢。還有一點重要的發現是絕對不能不提的,相對于CCD影像響應速度,從本次有CCD有CMOS芯片共同參與之下,從影像的傳輸響應及擷取動作中,都可以看到CMOS傳感器的響應處理速度要更快速很多。對于SensorCapture30fps或是60fps在這次評測中也印證了更順暢的條件是60fps,但這跟分辨率與畫質都無關,應該要導正過去錯誤的觀念,在高清IP及SDI攝像機上也都看到720P@60fps、1080P@30fps或1080P@60fps就是這樣的Sensor需求來的。這對視頻的實時性是一個重要的參數點,特別是用在遠距傳輸或報警畫面的應用上。而Sensor傳感器相對穩定的影像及實時性更是從本次評測中看到成熟及可靠的表現。DSP/ISP圖像處理組件多任務化隨著CMOS廠商在技術上的不斷改進。在效果上,如今的一些CMOSSensor已經越發的接近CCD的效果。但好的影像擷取也必須要搭配好的圖像處理DSP/ISP的處理組件才能發揮適當的功效,尤其在DSP/ISP芯片在克服前端功耗問題之后,不論是在影像的控制或是訊號噪聲比及背光寬動態部分的功能都接受到廠商明顯的關注。ISP無論是單獨采用還是包入Sensor或IPCodec,不少的廠商已經努力在IP及SDI攝像機上研發出更高的寬動態,更好的強光抑制及更穩定的色彩控制等多任務化的DSP/ISP芯片,這情況在本次Secutech評測項目中的寬動態項目上(參考圖2WDR寬動態比較),更可以看到在組件采用及API/SDK開發上各廠家的研發功力及圖像處理組件帶給攝像機的附加價值所在,這也無疑帶給ISP在未來有著更加廣闊的應用前景。透過ISP組件在影像銳化及色彩色調與白平衡的電路控制,從評測中我們也看到在ISP控件上,特別是白平衡這個主要的控件上,在不同廠牌的DSP/ISP所呈現的色彩還原力與各項默認值下的白平衡控制力的表現(參考圖3AWB色差白平衡比較),從基本的顏色互補呈現及灰階的色階呈現及白色的完全穩定度來看,DSP/ISP圖像處理芯片是占了很重要的決定角色,也就是說從Sensor過來的模擬或數字信號在DSP/ISP的再制能力是決定IP與SDI高清攝像機最后色彩穩定與色調偏差與否的關鍵。這也是工程商在產品選型上很重要的一個參考因素。IP/SDI的Backend組件帶來了什么?IP壓縮芯片與SDI發射芯片是攝像機組件核心部分,對于IP與SDI最后一里的傳送結果,IP壓縮芯片與SDI發射芯片起到關鍵作用。對于IPMegapixel百萬高清而言,CODEC這個壓縮芯片主導了影像輸出后傳的一些條件,包含影像流量、串流數提供、處理CPU速度、畫面延時差、影像張數速度及熱耗等,這些部分我們在從各個廠家所采用的SoC本身上看來與過去一年來采用的內容并無太大改變,但從整個壓縮SoC上看影像封包流量設置與串流數提供及應用、CODECCPU處理速度及影像張數調整上來看卻與過去有很大的不同。舉一個影像封包流量的設置來說,由于一般網絡帶寬都有限,高清視頻帶來的封包高流量成為高清其最大的推廣瓶頸。如何盡可能降低的碼流量給傳輸及維持高畫質的影像是高清監控需要解決的首要問題。同時也由于網絡的異構性,不同的網絡具有不同的信道特性,不同的用戶享受到的網絡帶寬也不相同,甚至同一用戶的帶寬也可能是隨時變化的。隨著這種發展,我們從評測中看到各廠商在變動碼流與固定碼流量的壓縮率改良,過去須要4Mbps的720P及8Mbps的1080P在芯片廠商與攝像機制造廠努力下,現階段的IP百萬高清在720P@30fps已經可以壓在2-3Mbps間,而1080P@30fps也可以壓在6Mbps以下的帶寬流量控制,這對于IP百萬高清的傳輸負擔可以說是大大改良,而且在不改變壓縮比下對于這樣的壓縮結果,更不會造成熱效應的產生,使得壓縮芯片得以穩定且可靠的運行。由于CODECSoC的效能大幅改善,再加上廠商在研發上對于串流類型的應用規范慢慢產生共識,諸如主碼流以H.264,720P或1080P@30fps供應給錄像服務器,監看則以MPEG4或H.264D1或CIF@30/60fps發送監看影像,而移動遠程則可以MJPEG或H.264提供3-5fps畫面給于移動端監看,這樣一種合理又不影響流量及張數的控制方式正在形成一種IP高清的監控標準,而這樣的應用做法所帶來的結果就是大大的降低畫面延時的過大產生,從此次Secutech評測結果顯示,超過人眼所能分辨延時的500ms畫面延時在IP百萬高清的參賽機型中都已絕跡(參考圖4畫面lag比較),這情況在去年同期時,一樣的檢測條件下延時超過500ms還為數不少。這種從Sensor到ISP再到CODECSoC這一連串的產品組件應用改良下,最終結果就是一個順暢且有質量的監控畫面的呈現。另外在這樣的低壓縮率下,對于儲存來說更是一個相對有利的局面,因為圖像分辨率的提升,必然會消耗更大的存儲空間。以1920×1080@30幀視頻為例,利用H264的編碼算法,為保證清晰度,碼流至少在6Mbps以上,約為D1標清視頻的4-8倍。因此在降低碼流下,原本儲存所須要的錄像空間將不再被縮短,即會帶來存儲成本的降低。以上是在SecutechAward評測中針對組件部分在IPMegapixel與HD-SDI主樣元器件在評測中的不同面向觀察結果,當然一個攝像機的問題不可能只有在這幾個面向上,例如還有包含高清顯示這樣的問題,相對于標清視頻,高清視頻的信息量大為豐富,相應的對譯碼顯示性能要求也大大提高,但攝像機畢竟只是高清監控的前端,不管是IP或是SDI我們都從評測中看到它在呈現一個穩定且繼續前行的態勢。

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