高清網絡攝像機技術小議

■羅勇華

高清網絡攝像機技術小議

■羅勇華

高清攝像機，顧名思義，需要更高的清晰度的攝像機。在開始技術討論前，我們對高清攝像機這顆監控新星進行理所當然的定義，這就引出了我們今天討論的主題，高清攝像機的核心關鍵是什么，什么樣的方案滿足這個核心關鍵需求，滿足市場需求。

攝像機作為一個采集終端，是我們視頻監控的基石，是我們眼睛的延伸。在標清時代，經歷了20年多發展，CCTV已經發展到了一個極致，無論是模擬攝像機的成本，效果都已經達到了最佳的性價比。但是到了高清時代，由于sensor產業的技術變革，由于高清視頻數據量的增大等，引發了攝像機采集及傳輸的新挑戰。這個也是我們高清攝像機研發和生產的核心關鍵：如何對接各種高清sensor，并調試符合監控需求的圖像質量，以及如何解決高清網絡攝像機的視頻傳輸問題。

第一個問題是如何對接各種高清sensor，并調試符合監控需求的圖像質量。

這是所有高清攝像機方案要解決的共同關鍵，一方面高清sensor從CCD技術轉向CMOS（這個是工藝、成本等多方面決定的），另外各種CMOS sensor原廠沒有提供專門的ISP（CCTV時代又叫DSP），必須外面單獨購買ISP模塊，這樣導致要研發生產一個高清攝像機，對接好sensor+ISP的技術要求比較高。

目前有不少sensor公司（SONY、panasonic、aptina、omnivision、sharp、Altasens等）都推出了高清CMOS解決方案，但是除了SONY有自己的ISP（ISP：Image Signal Processor）外，其他公司都是獨立的Sensor，需要外面配置ISP,但是由于監控高清才起來，獨立的ISP方案少，還在對接各種sensor上缺乏靈活性，更不說成本、sensor板大小等負面影響因素了。所以一個好的ISP方案是解決高清攝像機效果問題的關鍵。

寬動態、色彩還原性，降噪、低照度等因素是影響圖像品質的關鍵，在智能交通、金融、平安城市等不同的應用環境，人們對高清攝像機的要求也不同,CMOS sensor處理效果和CCD相比還有些差異，所以ISP的處理是各種應用場景適應的保證。

海思在設計Hi3516這顆高清網絡攝像機專用芯片的時候，考慮到最后的系統成本、功耗、效果調試等綜合因素，決定在芯片中內嵌了ISP系統，該模塊設計之初就與各家sensor原廠緊密配合，匹配技術路標，針對各家sensor的特點進行了針對性的技術設計。如壞點校正、2D/3D降噪、3A處理、WDR、低照度、邊緣增強、數字防抖、動態對比度增強等等各種圖像處理技術。這些技術的應用，修正了sensor的一些缺點，可有效提升高清效果。海思ISP已經提前與上述sensor廠家的高清sensor對接成功，大大解決了客戶在此方面的投入，尤其各sensor公司的接口都不相同，提前匹配，減少外圍的FPGA的轉接，提升客戶TTM的同時也是降低客戶BOM成本。

3A算法是檢驗ISP的基本指標，海思ISP在為客戶提供一個適當的3A算法的同時，還為各家自有3A處理算法的公司提供可替換的平臺，在降低整個行業門檻的同時，還為各家公司提供差異化保護，畢竟每個細分市場的需求都不盡相同，沒有一個算法能滿足所有市場，各家根據不同廠家調整自己的3A也是現實需求。

先說寬動態效果是各種應用場景最關心的熱點，也是各家sensor重要的宣傳重點，海思的Hi3516想客戶所想，引入了兩種寬動態的模式，一種是針對所有sensor通用算法，另外是針對了類似aptina這樣的sensor中帶了HDR專用技術的算法，兩種寬動態的算法應用一方面加強了sensor可選擇性，另外也為客戶要求更多差異化提供了便利。

噪聲是視頻大忌，尤其是CMOS的技術本身與CCD有些差異而導致在光線不足時噪聲的增加，大大影響了高清的體驗。海思ISP自帶了2D和3D兩個模塊，對降噪處理有非常大的提升。

除了ISP和sensor配對的算法外，如何調試其實是關鍵，由于sensor板的布板不同，都會直接影響sensor最后的效果，所以我們要針對sensor、ISP進行調試，由于sensor的寄存器上千個，加上各種組合，要調試一個符合需要的效果非常難，海思考慮到行業效率問題，為大家提供了一個PC直接用的IPS TOOLS，這個TOOLS通過各種算法把各種效果調整與寄存器組合相關聯，避免了客戶一上來就調寄存器的痛苦，同時在這個基礎上，客戶可以根據自己的經驗再調試寄存器，保持通用場景的同時還兼顧特殊應用。所以ISP和ISP TOOLS的地位同樣重要。

■ 通用寬動態算法效果對比（左-開，右-關）

■ 3D降噪效果對比（左-開，右-關）

在這里我們就不一一展開介紹各種算法的效果了，只與同行們分享一下我們在選擇好的高清攝像機解決方案時在圖像質量方面的一些注意事項，同時也提供了大家選擇關鍵ISP的算法效果，ISP的調試工具。

第二個問題是高清如何傳輸問題。

市面有SDI和IP兩種技術主張，SDI技術原本屬于廣播應用的技術，它的優點和缺點都很明顯，而且這種應用和原來CCTV差不多，我們今天就不展開講了，本文主要闡述IP方案。

從百萬像素到Full H D（1080P），網絡攝像機一改多年前“叫好不叫座”的困境。現今，網絡攝像機受惠于互聯網的高速發展和編解碼技術的成熟，已迎來了高速發展的最好機遇。前端IP化后，一改原來模擬攝像機只能被動接受前端數據，很難雙向互動（姑且把通過串口控制云臺算是一種簡單互動吧），前端與后端的互動增加，就更能發揮我們遠方的這對“眼睛”的作用。

IP攝像機關鍵是前端視頻數字化和編碼，我們把編碼前端化，不僅大大降低了傳輸成本，而且也解決高清傳輸瓶頸問題，同時為更多的互動、智能提供了基礎，也大大降低了后端DVR的集成高清編碼要求。

編碼和網絡處理

由于顯示帶寬的限制以及客戶的使用成本考慮，高清的體驗雖然好，但是客戶不能以無限代價去獲得高清體驗，所以對高清攝像機的編碼效率提出了要求，海思從Hi3510開始，就致力于監控專用的視頻壓縮技術的研究，使用標準H.264并充分考慮到了視頻的時延和網絡打包的方便性等（例如H.264的有些TOOLS是給廣播級視頻用的，廣播視頻就不用考慮時延問題，但是監控就不能直接這樣用，需要在實現上優化），在Hi3512就已經推出了2M的720P實時高清解決方案。Hi3516在H.264算法上繼承了海思前3代產品的視頻優點，把H.264從baseline轉接提升高了high profile level5.0，這樣進一步提升壓縮比。同時向下兼容了Main profile和baseline，同時也兼容了MPEG4和MJPEG等壓縮算法，最大限度的為高清攝像機的兼容性考慮。

由于網絡攝像機是在IP網上跑的，在網絡傳輸上實現方式的不同也會直接影響到用戶的視覺體驗。未經處理的視頻的編碼特點是因視頻的運動量不同，編碼碼流大小會發生變動，這樣的碼流在DVR錄像應用中問題不大，但是在網絡中，因過大數據包則意味著網絡堵塞，所以對編碼器的內部控制需要非常的嚴格，并且要求這個控制還不能影響圖像質量。

海思借助在網絡領域的多年經驗，在這個領域有比較優勢的地方，并逐漸應用到產品中。隨著高清網絡攝像機的發展，對核心構建的芯片的編碼要求越來越苛刻，要求在更高壓縮比的前提下實現更貼近現實的場景，特別是隨著3G、LTE無線寬帶網絡的興起，對各種網絡的適配性正是芯片廠商研發的重要的發展方向。

同時網絡對不少工程商還是一個挑戰，端到端的解決好網絡攝像機與后端NVR的即插即用功能，也是海思基于自身的網絡技術為行業提供一個更好體驗而貢獻自己的一份力量。

實時預覽輸出

傳統的安防人拿到一個網絡攝像機其實真的會很頭疼，真的難用，每次拿起來都不記得網絡IP是多少（貼在機身的默認IP？或施工過程早改了？）維修這個設備還需要帶著便攜機，這讓工程商怎么會喜歡用網絡產品？難道以后布線就要找具有“華為大學”網絡認證的工程師才可以？

Hi3516內置CVBS輸出，可以讓客戶就像用模擬攝像機一樣，直接用傳統模擬顯示器就可看到網絡攝像機的內部各種參數，以及網絡攝像機的鏡頭效果燈，以方便工程施工。我們可以簡單而直觀地暢想，還是以前的施工人員，還是挖溝布線，不同的只是埋的線少了，甚至WIFI無線了，工人還是跟以前一樣布置和調試攝像頭，根本不用管是否IP的，只是接線的時候模擬視頻線變成了一根5類的網絡線而已。

同時為了滿足公安等一些需要無損實時圖像的特殊要求，如指揮中心等，Hi3516還提供了一個BT1120的高清視頻數字口，該接口可以完成HDMI、VGA、SDI等各種轉換，可以容許camera直接把未編碼高清視頻直接傳回公安指揮現場，這樣存儲和預覽可以同步進行。

所以對網絡攝像機芯片而言，要在目前工程水平上快速滿足客戶的需求，才是根本所在，我們不能把網絡傳輸成本的節省轉移到了施工人員的人力成本上。下圖是Hi3515組成架構及對外連接示意圖，讀者不妨瀏覽一下，加深對其的了解。

前端后端互動、智能化

前端數字化的最大好處是改善了原來模擬攝像機只管傳輸，而不管后端的需求，例如想改參數？爬桿子吧。如鏡頭虛焦了，模擬設備只會照管傳回來虛焦的東西，而不會告訴后端設備視頻不正常了，而前端IP化后就可以大大解決這些問題。

■ 海思即將發布的Hi3516芯片架構圖

如Hi3516集成了智能加速模塊，為大家提供了一個智能平臺，同時結合國內外著名智能廠家，為廣大客戶提供簡單實用的智能。

1、運動物體跨界？徘徊？逆行？區域入侵？區域離開……是不是覺得這些場景在現實中很常見？監控不就是監控可疑運動物體（人）嘛，海思平臺讓這些應用變成劃一根線，畫一個框，剩下的就是確定了。是不是和移動偵測一樣的使用習慣？對的，海思的智能平臺就是要解決以前各種智能需要工程師到現場匹配鏡頭的角度、安裝方位等要求，把工程師解放出來，讓客戶根據自己的需求隨時應用，讓智能變成簡單易用的智能。

2、人臉檢測功能：利用高清的圖像，把監控到的人臉都檢測到，然后以特寫抓拍下來，根據照片再和錄像關聯，以后就可以簡單按某個人來關聯所有的視頻了，這樣一方面為平臺的人臉識別提供高清晰照片，另外為監控管理提供了便利。

同時人臉檢測結合一些統計功能，如針對每個區域有多少人臉，達到數人頭的概念，雖然準確度跟其他專業算法相比還有些差別，但是在一些廣場，圈定區域有多少人，數量級清楚就可以了，這樣的場景其實也不需要關心到底是78個人還是82個人，我們知道80個人左右的數量級就可以，這樣的應用在實際開發中還有很多的組合，可以供各廠家自己研發。海思只是提供了基礎的平臺。

3、視頻診斷：一個小派出所就要管理幾百個攝像頭，僅看視頻都看不過來，更不要說時刻檢查他們的工作狀態了，Hi3516智能加速功能提供了視頻診斷功能算法，鏡頭臟了，虛焦了，被遮擋了，起霧了，視頻色彩不正常了，丟失視頻等12種診斷功能，再不用擔心管理的幾百路攝像機是否正常了，隨時能發現攝像機是否在正常工作。隨時可以讓工作人員維護，降低了案件發生時視頻丟失的情況。

通過這樣的智能組合，前后端完全互動起來，后端可以很隨意的控制調制前端，前端可以把各種有用信息傳遞給后端，達到真正的人員解放。

最后一個問題是后端管理，存儲及顯示

這是個高清攝像機都涉及到的問題，我們這里只介紹網絡攝像機的后端解決方案。

上面提到網絡攝像機可以像模擬攝像機一樣的布置調試，這應該扭轉了大家之前對網絡攝像機使用難的印象了吧？為了實現對這個系統的搭配，只有前端是不夠的，所以海思還有配套NVR管理平臺的芯片。無論是現在的Hi3520還是馬上要推出的Hi3531，都為解決這個問題。

如果沒有大平臺，只是要求像Camera+DVR的那種即插即用的應用，那么就要用到NVR或者現在最熱門的混合型DVR來解決了。

網絡高清的解決方案不能簡單地看作是網絡攝像機的方案，而是端到端的整體解決方案，關鍵是應用體驗與現實的結合，要看到配套產品的完善。

由于篇幅有限，我們不能展開對高清攝像機其他方面的發展趨勢的進一步探討，高清攝像機最大優勢是高清晰，而高清網絡攝像機在這基礎上還要加上前后端互動，智能，傳輸成本低等優勢。

這里提到NVR問題只是為了提醒讀者在選擇前端的同時，要系統的看到后端的解決方案，但是今天因篇幅所限，我們暫時不展開NVR的討論，后續另起文章吧。

作者為海思半導體有限公司戰略營銷經理