“讓我們看得更清晰”
——從高品質(zhì)圖像質(zhì)量談高清監(jiān)控攝像機

■本刊記者 劉毅

“讓我們看得更清晰”
——從高品質(zhì)圖像質(zhì)量談高清監(jiān)控攝像機

■本刊記者 劉毅

“看的更清晰”是高清監(jiān)控攝像機發(fā)展的原動力。想要看的更清晰，必須依賴于前端攝像機所能提供的圖像質(zhì)量。高品質(zhì)的圖像是看的更清晰的前提，也是視頻監(jiān)控智能化應用的先決條件。

冠以“高清”之名的攝像機就是好攝像機嗎？高清監(jiān)控攝像機如何才能看得更清楚？高品質(zhì)的圖像質(zhì)量需要哪些的要素去保障？本期，《高清智能》欄目圍繞高清監(jiān)控攝像機研發(fā)生產(chǎn)的有關問題及如何考量高清監(jiān)控圖像質(zhì)量等問題與索尼中國專業(yè)系統(tǒng)集團應用業(yè)務市場部高級產(chǎn)品經(jīng)理文軍，海康威視數(shù)字技術股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)應向群，天津天地偉業(yè)網(wǎng)絡視頻部產(chǎn)品經(jīng)理馬可威進行了初步探討。

“看的更清晰”是高清監(jiān)控攝像機發(fā)展的原動力。想要看的更清晰，必須依賴于前端攝像機所能提供的圖像質(zhì)量。高品質(zhì)的圖像是看的更清晰的前提，也是視頻監(jiān)控智能化應用的先決條件。

冠以“高清”之名的攝像機就是好攝像機嗎？高清監(jiān)控攝像機如何才能看得更清楚？高品質(zhì)的圖像質(zhì)量需要哪些的要素去保障？本期，《高清智能》欄目圍繞高清監(jiān)控攝像機研發(fā)生產(chǎn)的有關問題及如何考量高清監(jiān)控圖像質(zhì)量等問題與索尼中國專業(yè)系統(tǒng)集團應用業(yè)務市場部高級產(chǎn)品經(jīng)理文軍，海康威視數(shù)字技術股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)應向群，天津天地偉業(yè)網(wǎng)絡視頻部產(chǎn)品經(jīng)理馬可威進行了初步探討。

高清監(jiān)控攝像機研發(fā)生產(chǎn)的核心關鍵

高清攝像機在研發(fā)中的兩大核心關鍵技術一是攝像機Sensor的3A控制部分，即自動白平衡、自動電子快門AES、自動增益控制AGC。3A的核心算法直接影響到高清攝像機的圖像畫質(zhì)水平，決定產(chǎn)品在各類場景下的圖像畫質(zhì)表現(xiàn)，是體現(xiàn)高清攝像機應用價值最直接的表現(xiàn)。第二個關鍵技術是高清網(wǎng)絡攝像機的后端壓縮處理部分，即將圖像采集模塊輸出的數(shù)字視頻信號進行編碼壓縮。使用的壓縮芯片方案不同，和廠家后期對壓縮算法優(yōu)化程度不同，也會對攝像機的壓縮質(zhì)量產(chǎn)生差異，好的壓縮芯片方案和算法，會使得高清攝像機的圖像具有色彩還原真實、邊緣銳度良好、低碼流等良好的高清網(wǎng)絡攝像機特性表現(xiàn)。

DSP芯片對高清攝像機起著重要作用，DSP對Sensor芯片輸出的信號進行放大和校正，作為攝像機產(chǎn)品核心的處理芯片，它的功耗等性能優(yōu)劣直接決定高清攝像機的散熱量、低照度能力及圖像的質(zhì)量。高品質(zhì)的DSP芯片主要的性能體現(xiàn)在二維數(shù)字濾波、數(shù)字動態(tài)圖像檢測、數(shù)字背光補償、顏色輪廓校正、細節(jié)補償、自動聚焦等方面。

目前市場上百萬高清數(shù)字攝像機所用到的DSP包括了TI、NXP、海思、美信等諸多企業(yè)的方案。TI的達芬奇DSP方案在低功耗、性能等方面表現(xiàn)出色，但是開發(fā)難度較大。因此很多廠家更多的選擇了海思，NXP。如海思的3516方案在原有壓縮方案的基礎上又集成了3A控制，并且用戶廠家可調(diào)節(jié)。支持寬動態(tài)WDR、強光抑制、背光補償、Gamma校正、色彩增強等技術，使高清網(wǎng)絡攝像機的畫質(zhì)表現(xiàn)更上一個臺階，同時也給用戶廠家的高清產(chǎn)品快速發(fā)布提供了一個較高的開發(fā)平臺基礎，因而受到很多國內(nèi)企業(yè)的青睞。

對高清監(jiān)控攝像機的研發(fā)生產(chǎn)來說，機芯的選擇也是非常重要的一方面。如現(xiàn)在高清網(wǎng)絡攝像機的云臺類產(chǎn)品在市場上的應用越來越多，與之配套的數(shù)字攝像機機芯產(chǎn)品也越來越豐富：130萬像素CCD的產(chǎn)品比如日立等廠家都相繼推出了自己的產(chǎn)品，200萬像素CMOS產(chǎn)品目前也有產(chǎn)品趨于成熟，比如日立和索尼的全高清全實時的1080P分辨率的數(shù)字機芯產(chǎn)品。市場上眾多的高清數(shù)字機芯各自都有不同的特點表現(xiàn)，有的價格便宜，容易控制產(chǎn)品成本，有的性能效果優(yōu)異，適合用于高端的高清云臺類產(chǎn)品，有的使用CCD成像，低照效果表現(xiàn)好，有的使用CMOS成像，白天畫質(zhì)色彩鮮艷，等等。選擇機芯的方法其實應該是首先在市場上定位產(chǎn)品，然后根據(jù)產(chǎn)品的市場定位，不同的應用場所、價格定位，再根據(jù)市場上不同的機芯的效果表現(xiàn)，來選擇不同的機芯。

考量高清監(jiān)控攝像機圖像品質(zhì)的要素

目前高清監(jiān)控攝像機市場上已經(jīng)有了很多機型，如高清寬動態(tài)，高清紅外等等，但并非冠以高清的就是好的攝像機。高品質(zhì)的圖像質(zhì)量是高清監(jiān)控最基本也是最重要的要求，離開了圖像品質(zhì)這一點再談其他的功能特性都是舍本逐末。監(jiān)控場景千差萬別，這就要求監(jiān)控攝像機能適應各種場景的復雜光線，獲得出色的圖像。考量高品質(zhì)的高清圖像主要有以下幾點：

保證高品質(zhì)圖像，高清攝像機首先應該滿足720*1080P的高清標準，其次，高清攝像機的清晰度，靈敏度、色彩還原度、寬動態(tài)范圍、紅外效果、低照度等，都是決定攝像機圖像品質(zhì)重要的因素。同樣是高清快球，不同的攝像機其色彩還原性有很大的不同。在室外和室內(nèi)不同的情況下，高清攝像機圖像的色彩還原度也不同。隨著照度的降低，圖像的色彩會衰減的很厲害。照度和色彩還原度，這兩點，是考量高清攝像機圖像品質(zhì)的重要指標。

在實際應用中，在街道治安監(jiān)控、夜間監(jiān)控、道路交通監(jiān)控等不同的應用需求中；在燈光明亮，視線通透的環(huán)境和冬季傍晚5、6點鐘街頭的光線環(huán)境下，高清攝像機的圖像效果是完全不同的。光線暗淡乃至完全沒有光照條件下，高清攝像機拍攝的圖像質(zhì)量如何，就更為考驗高清攝像機的品質(zhì)，如果高清攝像機沒有低照度特性，應用就極為受限制。因而高清攝像機在低照度情況下，尤其是在夜間在夜間的效果，是否真的能夠達到用戶的應用需求，也是判定高清攝像機圖像品質(zhì)很重要的一點。在低照度情況下，圖像品質(zhì)與攝像機感光器件的靈敏度有很大關系。

高清監(jiān)控，高靈敏度CMOS唱主角

目前使用CMOS芯片的高清攝像機非常普遍。作為業(yè)內(nèi)唯一能同時提供監(jiān)控攝像機各個主要部件的廠商，索尼的產(chǎn)品線包括了感光器件CCD/CMOS、圖像處理芯片DSP、攝像機模塊、及成品攝像機。索尼的全系列高清監(jiān)控攝像機均采用了CMOS感光器件。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。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。但目前市場已經(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。

索尼利用在CCD方面所積累的經(jīng)驗與技術，解決了傳統(tǒng)的CMOS芯片具有的缺陷，如噪點、低照度、拖尾等問題。索尼針對安防開發(fā)的CMOS芯片，發(fā)揮了它自身特有的優(yōu)勢：速度快，幀率高，分辨率高，功耗低。針對安防業(yè)務，索尼對CMOS感光芯片做了優(yōu)化：一是每列像素的A/D轉(zhuǎn)換器可以迅速將每列產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；二是.雙向降噪，它有對模擬的電信號的降噪，還有對轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后的降噪；第三是本身結構的變化，從原來的前照射結構改為背照射結構，這可以有效提高感光效應，使噪點更少，靈敏度更好，圖像更明亮。

超寬動態(tài)解決圖像拖尾

拖尾現(xiàn)象是百萬高清攝像機最常見的弊端，有的安防廠家為了提高低照度，采用電子慢門或幀累積，這樣處理可大大提升低照度效果，但是弊端也是非常明顯的，那就是當畫面上有運動物體時，會出現(xiàn)圖像拖尾，看不清楚運動物體模糊，看不清楚行動中的人特征。

在索尼推出的高清產(chǎn)品中，為了提升圖像效果，包括靈敏度和寬動態(tài)，索尼特別開發(fā)了一項新的功能——View-DR。這是索尼的最新寬動態(tài)技術，寬動態(tài)范圍達到15dB，相比傳統(tǒng)技術靈敏度提升2倍。而其可視性增強（Visibility Enhancer）、超級動態(tài)降噪（XDNR）等技術也能對圖像的亮度提升和降噪起到革命的提升，能夠達到15DB動態(tài)范圍。即能夠達到在1/30秒的時間內(nèi)，實現(xiàn)標準快門1次，高速快門3次的速度。在同樣的時間范圍內(nèi)，得到的影像內(nèi)容更多，影像動作的連續(xù)性更豐富。而普通的攝像機的只能夠達到普通快門1次，電子快門1次的速度。View-DR功能實際上包含了三項先進技術：索尼針對安防監(jiān)控研發(fā)的專業(yè)高靈敏度Exmor CMOS、多次曝光寬動態(tài)技術、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。

在高清監(jiān)控攝像機噪點控制方面，索尼采用了超級動態(tài)降噪技術（XDNR）。傳統(tǒng)的降噪技術往往在噪點控制和移動物體拖尾兩方面難以兼顧，噪點降低了但移動物體就會有拖尾，而移動物體邊緣清晰了那噪點就會增加。索尼高清攝像機的超級動態(tài)降噪技術正是平衡了這兩者的關系，在降低噪點的同時也能保證移動物體的邊緣清晰不拖尾。這對于安防監(jiān)控來說是非常關鍵的，因為安防主要就是關注移動物體如人、車等。

紅外效果影響高清圖像質(zhì)量

高清紅外攝像機這款機型，一直存在紅外燈的壽命問題。攝像機的紅外燈因為在電路設計，發(fā)熱控制等方面一直存在未解決的技術問題，因而紅外燈壞的非常快。這在實際應用中會帶來很多更換，維修等方面的不便。

除了紅外燈的壽命之外，高清紅外攝像機在使用過程中，還存在有效照射距離的問題。在實際應用中，在黑夜缺少照明的情況下，在10－15米的范圍內(nèi)，高清紅外攝像機看不見物體的情況非常普遍。另外，在高清紅外攝像機的使用過程中，還會出現(xiàn)紅外燈照在人臉上發(fā)生“過曝”現(xiàn)象，造成圖像中人臉發(fā)白，看不清面目,影響圖像質(zhì)量。索尼在2010年推出紅外攝像機之前，一直在研究解決紅外的使用壽命問題，通過紅外燈電路的設計，發(fā)熱量的控制，以及紅外燈材質(zhì)的選擇等途徑的改造，索尼的高清紅外攝像機在紅外設計的過程中，增加了一個防止過曝，保持合理曝光的設計，保留了人體的細節(jié)特征，保證了圖像的品質(zhì)，通過一些列技術改造，使得索尼的紅外攝像機在紅外燈每天使用7小時的情況下，可以使用7年。

除了上述因素之外，高清攝像機的壓縮格式和碼流也是影響高清視頻圖像效果的重要原因。因為高清攝像機比普通標清攝像機發(fā)送的圖像分辨率更大、信息更多，客觀上對網(wǎng)絡提出了更高的要求。很多方面的問題諸如最大分辨率對帶寬的影響、有幾種編碼方式、有幾種碼流可選、是否實時、是否支持無線網(wǎng)絡等等都需要考慮。

目前主流的壓縮格式有三種，分別是JPEG、MPEG-4、H.264。JPEG是單幀圖片的壓縮，單張圖片的效果最佳，但占用的網(wǎng)絡帶寬資源較大；MPEG-4和H.264是幀與幀之間的連續(xù)壓縮，這是指如果監(jiān)控的目標圖像沒有變化或變化不大時，攝像機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常小，這樣就能避免重復傳輸占用帶寬。其中目前最流行的壓縮格式H.264的壓縮效率最高。這三種壓縮方式各有優(yōu)缺點，不能簡單地說哪種更好，只能根據(jù)用戶實際使用的需求來選擇。H.264雖然壓縮效率最高，但其對后端服務器和管理軟件的解碼能力和資源耗費也最大；JPEG雖然占用帶寬最高，但作為存儲格式的圖像品質(zhì)是最好的，對于后期調(diào)查取證來說能得到最清晰的圖像；MPEG-4格式通用性最強，各個品牌和型號對其支持最好，同時對后端軟件系統(tǒng)解碼資源的占用也相對較低。

高清監(jiān)控帶來了海量數(shù)據(jù)，這就要求系統(tǒng)在網(wǎng)絡壓縮處理方面要非常高效。如果要單張圖像清晰，JPEG 壓縮格式的效果是最好的，而MPEAG4 的兼容性很好，它對服務器資源的要求比較少。因此，需要高清攝像機具備可以提供多種編碼格式，同時支持任意格式，任意格式都可以達到實時圖像的能力。另外，輸出碼流是否穩(wěn)定也成為影響網(wǎng)絡傳輸?shù)闹匾蛩亍Ｈ绻a流不穩(wěn)，造成占用帶寬突然增大會造成圖像出現(xiàn)丟幀，遺漏重要圖像信息；網(wǎng)絡阻塞引起癱瘓；網(wǎng)絡架構和存儲資源在設計時不得不考慮更多冗余造成浪費。使碼流控制在持續(xù)穩(wěn)定的水平,是攝像機在產(chǎn)品設計的過程中必須考慮的問題。

高清圖像品質(zhì)內(nèi)涵豐富，層次多

對單獨的高清攝像機來說，在實際應用中，高清也還包含很多豐富的含義和多層次的圖像質(zhì)量要求。高清這個概念，在實際應用中，不僅僅是清晰度，還包括效果。如夜間情況下，目前，高清攝像機追求的還是在晚上能不能達到一個比較好的效果。而在不同的行業(yè)，不同的應用場景對于視頻本身的要求也不一樣，有的希望看得更廣，但對清晰度的要求不是很嚴格，比如廣場上；有的希望看得更清晰，需要高分辨率，但可以低幀率；有的希望看得更平滑，圖像沒有跳頓……所以對于產(chǎn)品形態(tài)需要不同的定制化。而對于功能應用的定制化就更多了，比如對于零時存儲、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密、用戶安全等等，不同的客戶也會提出不同的需求。

比如交通行業(yè)，對車輛抓拍、車道監(jiān)控、車牌識別，甚至司乘人員辨識等都有非常嚴格的需求，因此，這里需要的不僅是一個能支持上述功能的高清網(wǎng)絡攝像攝像機，而是以這種攝像機為關鍵設備的一套完整的高清卡口或車牌識別系統(tǒng)，從而實現(xiàn)人與車的全方位監(jiān)控。在金融行業(yè)，由于攝像機主要是安裝于柜臺和大廳等部位，因此更需要寬動態(tài)的功能；而對于柜臺等部位，對高清攝像機還有高幀率的要求，以看清點鈔的細節(jié)。因此在技術層面上，必須結合應用做相應的創(chuàng)新和發(fā)展：結合Sensor在圖像處理上做更多的改善；針對寬動態(tài)，可以使用多次曝光技術、區(qū)域曝光技術，以及圖像的Gamma提升等各種復雜的算法，以得到一個很好的動態(tài)響應范圍；對于低照度情況，可以選用高端的CCD 作為Sensor，或高靈敏度的Sensor，并結合去噪技術等實現(xiàn)優(yōu)異的低照度效果。

現(xiàn)階段，市場上高清圖像的水平確實層次不齊的現(xiàn)狀，大家看重還僅僅是一個概念：我的系統(tǒng)到底是不是高清的？具體用怎樣的怎樣的產(chǎn)品？但廠商和用戶對高清、智能的期望，絕不僅僅是帶來一個概念，最重要的還是能否帶來產(chǎn)品的價值。高清的價值就在于在圖像方面帶來了核心的變化，如原來客戶應用中的一些核心問題，如看不見，看不清的問題，通過高清監(jiān)控能夠解決。