图像传感器实现监控摄像头创新应用

视频监控行业正在经历一场重要的转变，从传统的主要基于模拟技术的CCD闭路电视（CCTV）系统转向更先进的数字互联网协议（IP）监控解决方案。监控摄像头的一个关键根本趋势是转向720P和1080P两种高清晰度（HD）视频格式。新趋势包括融合宽动态范围（WDR）和立体成像能力。此外，相较于目前使用的CCD图像传感器，CMOS图像传感器具有同样或更好的图像性能、更低的成本、更高的集成度、更低的功耗和更快的速度，因而在网络摄像头中的应用不断增加。

在该市场上，CMOS图像传感器的出色技术可以实现许多新特点和新功能，并可为监控系统OEM厂商提供关键的差异化特性。此外，采用CMOS图像传感器可以使IP监控系统实现更经济和安装更容易，从而在市场竞争当中脱颖而出，而吸引到更多客户。例如，某些具有前瞻性思维的监控系统OEM厂商正在开发全新的、潜在大批量的、自己制作（DIY）的监控细分市场。家用甚至是小型的办公室DIY监控系统可能仅需花费100美元，因此可以引发比基于CCD的CCTV系统大得多的市场。相比CCTV系统，IP摄像头系统具有多项优势，包括摆脱数十年前所建立的国家电视系统委员会（NTSC）制式和逐行倒相制式（PAL）分辨率标准的种种限制，为采用百万像素图像传感器以提高性能提供了机会。

高清摄像头

图像传感器技术的创新激励着监控市场转向高清视频标准并同时转向IP解决方案，从而能够逐渐脱离模拟（CCTV）安保摄像方案。全高清视频图像能够提供清晰的细节、更好的总体视觉体验和信息，但是摄取高品质视频却需要高帧率和适应从极高对比度到极暗场景的各种光照条件的能力。实现高品质、高清晰度视频需要高水平的创新和非凡的像素技术。

IP摄像头系统中使用的图像传感器必须具有相对较高的分辨率，在60帧/秒等高帧率下能够达到720P或1080P.虽然标准的视频帧率为30fps，但60fps的帧率为摄像头厂商提供了更大的灵活性，可以调整快门宽度以撷取场景内快速移动的物体。另外，赌场之类的应用场合也需要使用高视频帧率的监控，以撷取认定违规的必要证据。

高速HD视频摄像头转向CMOS传感器的原因之一是CMOS具有更低功耗的固有特性。功耗更低的CMOS图像传感器还综合了多项省电功能，如门控时钟设计、可变帧率和采用CMOS工艺技术实现的低待机电流。此外，对于数字或IP摄像头来说，接口选项的数量增多，千兆位以太网、HDCCTV和同轴线缆IP等都可作为高清视频的接口选择。

宽动态范围摄像头

现今许多IP摄像头系统都采用宽动态范围技术，这项技术解决了在极暗和极亮环境下撷取影像的相关技术难题，使得摄像头几乎可以放置在任何地点。没有宽动态范围功能的摄像头将具有曝光过度和曝光不足的风险，而使得影像无法使用，这是监控产品所无法接受的。

最新的趋势是在图像传感器上集成宽动态范围功能和宽动态范围影像处理，以提供细节清晰的流畅视频。尽管当今摄影头系统的图像分辨率在不断提高，但像素动态范围却随像素尺度的缩小而不断缩小，从而限制了摄像头产生保留有光影分布的逼真影像。为此，人们提出了各种实现宽动态范围的像素方案，包括对数像素、横向溢出法、帧多重曝光（ME）和帧内多重曝光（IFME）。

这些宽动态范围技术的目的是要获得较大的场景内动态范围，这意味着一个场景内的黑暗区域和明亮区域都可以被适当曝光。其实现方法通常是利用多帧方案对一个影像进行多次曝光或多次帧撷取，或是利用一种非线性信号处理方式来降低更高曝光强度下像素的回应度。这些技术一般都能够在一个影像中获得高于100dB的超高动态范围，这对许多应用都非常有益。比如，即使场景其余部分被阳光或刺眼的光线照射到，监控摄像头也可以清晰记录下人的脸孔。

3D/立体摄像头

越来越多以视频分析形式出现的技术正在用于安保摄像头中，这些技术主要用于人体侦测和人员追踪。基本技术包括背景建模、前景萃取、BLOB分析和光流分析能力所需的算法。虽然数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）的计算能力不断提高，但在视频分析中却仍然存在许多挑战。严苛的真实环境（如拥挤的房间、不断改变的光线和物体遮挡对2D摄影技术的影响）带来了许多严峻的挑战。但是，不断改变的光线和外观颜色却不会对3D成像技术造成影响，故可在动态光照环境下保持追踪精度。此外，3D立体摄像头能够建立景深效果，这样就可精确侦测到某个场景（甚至非常拥挤的环境）中的人和运动。3D影像只需一个能够拍摄目标物体局部的立体摄像头，就可实现对其精确跟踪；使用多个摄像头则可用来扩展系统的监控面和应对严重的遮蔽环境。3D摄像头深度感测处理实例如图1所示。

图1:3D摄像头深度感测处理实例。[page]

图像传感器实现监控摄像头的创新

Aptina的AR0331高清监控图像传感器具有卓越的性能、宽动态范围、支持3D摄像头和弱光下的灵敏度，以期创建下一代全高清和3D视频应用的摄像头。AR0331是世界上首款可在线性和多重曝光宽动态范围两种模式下实现1080p分辨率和60fps帧率的监控图像传感器，它采用了1/3英寸光学格式，具有低于1lux的弱光性能和宽动态范围，带有内置的自适应区域色调映射功能。配合高效H.264编码和IP带宽管理功能，AR0331可让监控摄像头设计人员实现在最严苛的环境中撷取到全高清视频影像。此外，AR0331还采用了Aptina的A-Pix技术，能够最大限度地增强光线的收集能力，以提高弱光下的灵敏度（图2）。

图2:Aptina AR0331图像传感器在线性和多重曝光宽动态范围两种模式下所获得的影像。

AR0331的技术创新并不仅是可在各种光照条件下撷取高清视频，除此之外，它还支持3D/立体摄像技术。在典型的双摄像头视差立体设计中，高复杂性、慢响应速度、高功耗及高系统成本，使得摄像头的设计步履艰难。而通过在AR0331中增加3D/立体摄像头支持功能，即可提供立体摄像能力，使立体摄像头在同步模式工作。一个传感器用作主传感器，其它则作为从传感器，从而简化了高效3D摄像头的设计并节省了设计成本。