球型网络摄像机瞄准“技术焦点”

　   摘要：几年前，在视频监控网络化的过程中，模拟球机逐渐转化为标清网络球机，不过由于传统模拟球机厂家和一些小规模球机厂家在网络方面研发能力有限，所以开发网络球机的厂家不多，另外成本优势也不明显，所以标清网络球机在市场上推广和使用不太多。

　　随着视频监控高清化的不断发展，球机也要求高清视频了，包括130万和200万像素，所以各个厂家在大力开发高清球，形态上包括了网络高清球和数字高清球。其中，数字高清球传输的是非压缩的数字视频信号，数据传输接口为SDI接口，由于其组网和配套设备成本较高等的局限性，目前来看使用不太广泛。网络高清球发展最快，市场需求量也较大，由于用户很关注夜晚的图像质量，所以带红外的网络高清球使用量非常大，远远超过了非红外高清球。现在市场上出现了一些公模的红外高清球，除了机芯和网络板，其它部分都由公模厂家生产，成本比较低，销量也比较大。当然，有研发实力的厂家，所有部分都是自己开发的，其产品功能、性能、可靠性、质量、成本等都可以自己把控，并做到差异化。

　　目前，网络高速球还处于发展阶段，还有较大的发展空间，其发展方向为高清、红外、低照度、低码流。首先在清晰度方面，枪机和半球，已经有500万甚至800万像素的了，但是高速球还只有最多300万像素。这里有一个瓶颈就是机芯镜头，这是球机的一颗核心物件。目前，机芯镜头还不能达到很高的像素，需要有突破;其次在红外补光方面，这将会是各个厂家一直努力的方向，这在后面再来论述;再次在低照度方面，还可以有挖掘的空间，比如改善镜头透光率、优化ISP和3D降噪等，也可以选择更好的Sensor。一般来说，Sensor靶面越大，低照度效果更好，当然Sensor的靶面要有机芯镜头来匹配，所以需要大力开发大靶面的机芯镜头，来匹配大靶面低照度的Sensor;最后在低码流方面，由于高清码流比较大，采用H.264编码标准，720P/30fps的码流2Mbps左右，1080P/30fps的码流4Mbps左右，需要的传输带宽和存储容量都比较大，如果可以想办法降低码流，将会节约传输和存储的成本。由ITU-T组织发布的HEVC/H.265标准，相比H.264标准，其码流可以减少一半左右，这是后续高清球编码发展的方向。

　　红外高清球技术讨论

　　红外高清球主要的组成部分包括接口部分、电源部分、编码部分、云台控制部分、红外补光部分、机芯模块等。其中，接口部分完成外部接口的隔离和防护以及部分信号的转换;电源部分完成AC24V/Hi-PoE电源转换为内部所需要的电源，如DC12V、DC5V、DC3.3V等;编码部分主要完成视频压缩编码和网络传输;云台控制部分主要完成PTZ控制;红外补光部分主要完成红外灯的驱动和开关;机芯模块也是球机的核心部件，完成图像采集、镜头的自动聚焦和变倍。为了集成度更高，同时降低成本，部分厂家把机芯模块与编码部分合并，即通常所说的网络机芯，还有厂家把云台控制部分的CPU与编码部分的主处理器合并，整个产品就一颗处理器，集成度非常高，成本也会更低。

　　本文重点讨论红外补光部分，不过对于高速球来说，机芯也是很关键的物料，也简单提一下。近几年，随着高清球的普及，高清机芯需求量增大，国际厂家的机芯价格很高，所以有研发实力的厂家也投入了机芯的研发，尤其是高清机芯。经过不断的技术积累和开发，基本上解决了大部分机芯的技术瓶颈，并且将产品推向了市场。由于售价低，销量大，经过这几年的市场使用和不断改进，不论从ISP处理、聚焦、跟焦，还是从长期稳定性，都基本上达到了国际厂家的水平，部分指标和效果甚至超过了国际厂家，并且销售价格低，大大冲击了SONY和日立的市场领导地位。同时，高清机芯的镜头也发展很快，不再只是有腾龙、佳能、富士能这些日系厂家，国内厂家也推出了众多的机芯镜头，极大地推动了机芯的发展。目前机芯的形态大致有2种：数字机芯和网络机芯，后续网络机芯会有较大的发展，可满足大多数应有场景，成本较低，数字机芯适用于要求较高的场合，其整机的功能可以做得齐全。

　　红外补光技术

　　监控补光一开始使用的是多颗小功率红外灯，后来发展了一段时间阵列式红外灯，到现在大多数使用大功率补光灯。大功率补光灯包括有激光红外灯、白光灯、大功率点阵式红外灯(图1)。激光红外灯的应用方式主要是同步变焦，白光灯主要是应用在要求彩色图像的场合，大功率点阵式红外灯主要有两种应用方式：同步变焦和分段点亮，下面重点讨论一下这两种方式。

    同步变焦

　　同步变焦是红外球中可实现一体机变倍过程中视角和红外照射视角大小同步调整。能够实现此功能的红外照射角度调整的光机电一体化机构，称为红外球同步变焦模组，具体实现方法称之为红外同步变焦功能(图2)。红外同步变焦功能可以应用在红外高清球、红外高清枪机上面。

　　红外同步变焦有如下优势：

　　可实现红外灯照射角度随着摄像机视角变化同步调整，使得有限的补光能够更集中，提高红外照明效率;

　　照射均匀，解决手电筒效应;

　　同等照度情况下，功率低，有利于提高红外灯使用寿命;

　　相同补光功率情况下，效率更高;

　　使用大功率少数量的灯，整个变倍范围内无照射死角。

　　不过红外同步变焦研发技术要求较高：

　　需要机械结构、传动、光学配合，对结构设计、加工及装配要求高;

　　软件处理复杂，需要一体机变倍同补光同步进行;

　　针对不同机芯，需要进行光与图像的匹配测试;

　　每台设备生产时需要校准光轴，对生产要求较高。

　　分段点亮

　　分段点亮方式是把多颗大功率点阵式红外灯分为2组或者3组，这几组红外灯使用不同角度的聚光灯杯，包括大角度、中等角度和小角度，当机芯镜头在不同的焦段时，开启不同角度的红外灯(图3、图4)。

    分段点亮方式有如下缺点(图5)：

　　不同倍数中间段存在补光不足或者不够集中的问题;

　　不同组灯切换过程中，光线变化较大对聚焦有影响;

　　部分焦段具有手电筒效果;

　　部分焦段光线利用率较少。

　　当然分段式点亮设计、生产和使用都比较简单，所以目前使用的厂家较多。

　　同步变焦模组的组成

　　同步变焦模组由红外灯板、透镜、步进电机组成，灯板上使用一颗或者多颗大功率红外灯，红外波长可以是808nm、850nm、940nm其中的一种，但需要注意，波长越短，越接近可见光，Sensor的感应效果更好，所以如果不要求无红曝，就尽量使用短波长的红外光。红外灯板固定，灯前面有一片光学透镜，透镜专门设计并开模，光路与红外灯相匹配，可以通过控制步进电机转动来改变透镜与灯之间的距离，从而改变红外光的出光角度，达到出光角度连续，光线在画面中分布均匀。

　　在模拟监控时代，一线品牌机芯主要是SONY和日立，还有一些韩国、台湾的二线品牌，后来国内也有很多更低端的模拟机芯厂家，但是SONY和日立的领导地位始终没有被改变。当然，随着芯片技术的发展，网络机芯的整机也可能开发出强大的功能，国内厂商的研发力度也越来越集中，所以以后机芯的技术发展很是值得期待。