高清摄像机视频芯片的整合化趋势凸显

    摄像机图像处理芯片是摄像机的核心部件，摄像机传感器在将光信号转换成电信号后都须在SoC芯片组处理后才从后端发射出去，其承载了图像处理与分析、编解码压缩等大量工作，如果是智能设备，还会嵌入大量的智能分析算法，进入高清监控时代，其作用更为凸显。

    目前国内安防视频监控系统的主流产品已经从十多年前的纯模拟视频监控系统，逐步转变成了纯数字的百万高清视频监控系统，即从视频采集、视频传输、视频录像和回放全部采用数字信号。相比于模拟视频监控设备，百万高清数字摄像机大大提升了画质，对比模拟监控设备传输技术而言，数字视频监控设备仅需普通网线，易于实现远距离传输，更重要的是降低了工程造价且易于维护。随着纯数字高清监控系统配套设备越来越齐全，解决方案越来越完善，网络化已经成为安防视频监控领域不可逆转的潮流，并占据市场主导地位。

    从数字摄像机的组成结构来看，它主要由镜头、图像传感器(CCD或者CMOS器件)、ARM/DSP等组成。镜头聚集被摄物体反射的光线至图像传感器上，再由图像传感器转换成数字视频信号输出给芯片，芯片进行一系列数字图像信号处理(ISP)和数据压缩之后，通过网络传输给后端解码显示设备，进而实现视频预览、录像、回放等功能。

    由此可以看出，摄像机芯片是整个摄像机里面核心部件，它接收来自图像传感器获取的图像，然后进行一系列的运算和处理，实现了数字网络摄像机的主要功能。

    数字摄像机芯片组，习惯上又称之为片上系统(SoC，System-on-Chip)，它将处理器资源、内存资源、编解码算法、外围设备接口等都集成在单个平台上，其中大部分功能固化在芯片上，并且对一些特殊功能需求模块化，采用提供源代码方式给用户，用户再根据不同的应用需求进行二次开发。除此之外，SoC还可以增加视频协处理器以及其他视频子系统，实现如预览、缩放、光学处理、图文叠加等功能，从而进一步增强视频处理能力。SoC作为高清数字摄像机芯片解决方案，能够有效满足百万高清摄像机内部复杂视频处理运算以及外围设备接口扩展的需求。

    摄像机处理芯片的组成架构

    一般的监控摄像机分为传感器、ISP、编码压缩或转换三个常见部分，部分高清摄像机还会包含一个智能处理器。

    传感器：指的是我们常常提及的CCD或或CMOS，主要作用是光电转换，将光信号转换为芯片可以接收识别的电信号。

    ISP：即图像处理部分，我们常常提及的2A(AWB/AE)或者3A(AWB/AE/AF)都在这里完成的。传统模式下一般采用一颗DSP或者一颗FPGA来完成对图像的后期处理。

    编码压缩或转换：传感器信号经过ISP部分处理后，一般以SMPTE296M/BT.1120等数字接口格式传输到后续的编码压缩或转换部分，处理成压缩后的TCP/IP信号或者非压缩的HD-SDI信号。

    智能视频分析：一般采用一颗单独的DSP来实现，通过该DSP实现视频分析功能，如行为分析、视频诊断、特征识别等，由于受算法性能有限和跨平台移植的难度等限制，目前这类产品应用较少。

    传统意义上，这几个部分是彼此分开的，不同的部分由不同的芯片来完成。随着技术的发展，越来越多的芯片厂商将后面的两个部分融合到了一起，使得高清视频终端的集成度越来越高，在这一个以融合为趋势的大背景下，高清视频SoC在多业务融合上的技术发展将是最关键的点。

    高清摄像机芯片发挥功能需配套产品配合

    百万高清摄像机芯片功能主要包含图像传感器、图像处理、视频编解码、视频输出、智能分析等等。图像传感器主要有低照度，宽动态等等。图像处理(ISP)包括3A(自动曝光，自动白平衡，自动聚焦)，边缘增强，3D降噪，图像的缩放、翻转、亮度、色度、饱和度、对比度调节，还有数字宽动态、数字放大、电子防抖等等；图像编解码主要有MPEG4、H.264、MJPEG、多码流处理等等；视频输出主要有Ethernet、WIFI、CVBS、HDMI、SDI等等；智能分析方面有运动侦测、周界防范、人脸检测、车牌识别、视频诊断等等。

    如果只是简单少量点的需求，或者已经有了大平台，要满足用户高清网络视频上电视墙的需求，采用具有单路解码效果的芯片即可。对中小型项目和大项目的分级点而言，则要用到NVR或者目前最热门的混合型DVR来解决。考虑到把多台百万高清网络摄像机的大量数据流进行管理和存储会消耗非常大的网络和PCI带宽，这对网络芯片和CPU来说也是非常大的考验，这也是目前一些芯片要集成双核CPU和千兆网口的原因。

    百万高清摄像机芯片应用前景

    对目前网络摄像机芯片解决方案而言，一方面SoC芯片解决方案的公司只有具备足够的相关技术才能应对未来更多挑战；另一方面网络摄像机也不是功能越多越全越好，在目前工程水平上快速便捷地满足客户的需求才是根本。

    随着百万高清网络摄像机的发展，芯片实现更多功能的同时，集成度也越来越高，随之外围器件会越来越少，功耗也会越来越低。为了实现系统的搭配，数字高清摄像机既要有适合于安防应用的图像传感器，与之对接的后端还要有解码芯片技术的支持，所以后端解码显示芯片的性能也有待更大突破。

    百万高清网络摄像机的芯片发展不能简单看成网络摄像机的发展，更值得关注的是系列配套产品的完善。如果能够从芯片设计部分就开始考虑好怎样更加贴近实际安防工程项目，这将会使百万高清网络摄像机更广泛的应用起来。

    高清视频芯片的技术发展趋势

    从整个SoC视频监控编解码芯片发展过程来看，图像压缩技术快速发展推动了图像压缩标准的制定，从而促使嵌入式架构及ARM及X86信号CPU处理器得以应用在编解码芯片平台上，DSP数字信号处理器的高性能和低功耗的可编程设计，让SoC成为嵌入式图像压缩的理想平台。在这样的通用平台上集成多个不同的图像界面以及I/O接口，让SoC得以发展成为目前备受关注的多媒体处理器，以应对监控产品的推陈出新。SoC除了具有高速的ARM或x86及DSP核心系统之外，视频辅助与子系统的处理器如高清输出端口及报警门禁I/O或是画面多媒体处理器也被加入到其中，这也是目前编解码芯片越来越明确的发展趋势。

    在智能分析和高清成为主流需求的情况下，除了DSP应对一般的图像处理之外，FPGA运算优势也逐渐被重视并被纳入协处理器中。随着智能监控项目的增加，以FPGA的高速运算搭配DSP的良好信号处理能力得到重视。FPGA可以在复杂的图像处理方面代替DSP，例如视频分析及各种宽动态范围的图像压缩处理等。对于高清图像处理来说，FPGA更能提供自动曝光、自动白平衡、宽动态范围等功能，以往DSP费力应对，只要在芯片架构中加入FPGA就可以完成复杂的矩阵运算，这样使得编解码部分更具有灵活的扩展性。目前，大部分的高端监控设备已经在朝这个方向发展。

    SoC编解码芯片的技术发展必须包括传感器(CCD或CMOS)、图像处理器(ISP)、图像压缩编解码及网络传输，当然，也不可以忽略高清信号格式HDcctv的发展或SLOC的局部整合。那么，是否有那种能满足大部分数字视频监控需求的单芯片产品呢?据记者了解，国际大品牌产品中，安讯士的ARTPEC系列芯片具备此种功能，目前其已发展到第四代即ARTPEC-4。

    据安讯士中国区解决方案经理邹毓帆介绍，ARTPEC-4于2011年底推出，是安讯士专为网络监控设计自主研发的一款单芯片解决方案，该芯片可以将图像处理、编码、压缩以及智能分析等功能集成于一体。这种单芯片解决方案可以实现更多的资源应用，并在稳定性、编解码处理、网络适应能力等方面性能优越，具有延时更短、压缩效率更高，所占带宽更少等特点。同时，该芯片在超低宽动态，超低照度等方面也具备优势。ARTPEC-4提供的视频具备较低的噪音和较高的感光性，因此可以为移动物体提供更为清晰的视频图像。不过记者也了解到，ARTPEC芯片目前仅用于安讯士的产品，并不对外供应。

    随着近年高清视频监控产品的应用取得突飞猛进的发展，预计在接下来的1-2年，市场对高清产品的需求将呈现井喷的趋势，需求量的提升一方面会带来更高性能和更多功能的需求，另一方面也会带来差异化竞争的进一步加剧。而高清视频SoC作为最能影响到这两者的核心部分，其技术的演进和性能的提升对高清视频终端的市场状况起到决定性作用。

    业内人士认为，今后高清视频SoC在功耗、编码性能、ISP、智能分析、解码和显示几个方面的技术突破和发展状况将会深入影响到终端产品的发展。更低的功耗、更高的编码压缩能力、图像处理技术的融合、整合智能视频技术、完善系统配套芯片等将是发展方向。

    结束语

    目前业界主要的芯片制造商都已经意识到高清视频芯片的整合化趋势，并投入大量力量进行新一代高清芯片的研发，已经开始在高度融合的高清视频芯片上有所建树，同时也还有一些有影响力的IC厂商正跃跃欲试，相信随着芯片厂商的努力和推动，结合下游终端厂商的市场推广和用户需求的拉动，高度集成和高度融合的新一代高清视频芯片会取得越来越大的发展，并逐步成为一个成熟的产业。