高清一體機機芯技術(shù)特點

文/吳德鐘

高清一體機機芯技術(shù)特點

文/吳德鐘

高清一體化攝像機一般專指使用百萬像素鏡頭內(nèi)嵌、可自動聚焦的攝像機，它主要有高清一體化槍機、高清球形攝像機(高清球機)等，在這些產(chǎn)品中核心部件為高清一體化攝像機機芯。 相比普通高清攝像機，使用高清一體機機芯機芯的攝像機監(jiān)控范圍廣，特別是高清球機，它能實現(xiàn)全方位遠(yuǎn)距離監(jiān)控。相比標(biāo)清一體化攝像機，高清一體化攝像機圖像細(xì)致清晰、色彩準(zhǔn)確而亮麗、畫面通透感好、無行間閃爍，其畫質(zhì)是標(biāo)清一體化攝像機無可比擬的。普通攝像機稍遠(yuǎn)距離監(jiān)控只能達(dá)到“看得見”程度，球機在這個距離可以表現(xiàn)到“看得清”，而配備高清一體機機芯機芯的高清球機更是將這個效果表現(xiàn)到極致。

高清一體機機芯機芯的技術(shù)構(gòu)造與特點

鏡頭

高清一體機機芯機芯主要由三個重要部分構(gòu)成：鏡頭（光學(xué)部分）、傳感器（光電轉(zhuǎn)換）和ISP（影像處理）。一體化攝像機鏡頭采用變倍變焦鏡頭，分標(biāo)清鏡頭和高清鏡頭兩類，統(tǒng)稱一體機鏡頭。除光學(xué)鏡片組外，一體機鏡頭還包括濾光片切換部件、步進(jìn)電機控制部件、光圈控制部件等，在標(biāo)清一體機機芯中，很多產(chǎn)品省略了濾光片切換部件及光圈控制部件，但在高清一體機機芯機芯中，這些部件是必不可少的。評判高清一體機機芯鏡頭品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)大致可以分為：光學(xué)性能、關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性和一致性。光學(xué)性能主要參考各種光學(xué)倍數(shù)下鏡頭的解像力；其它還包括鬼影、紫邊、色散等問題嚴(yán)重性。關(guān)鍵部件主要包括鏡片組、光圈、馬達(dá)和濾光片切換等，這些部件的穩(wěn)定性、一致性將影響高清一體機機芯的穩(wěn)定性與一致性。

目前高清一體機機芯鏡頭大致可以分為日系鏡頭和國產(chǎn)鏡頭。經(jīng)過多年的發(fā)展，國產(chǎn)標(biāo)清一體化攝像機鏡頭已基本成熟，已有多家國內(nèi)廠家技術(shù)水平已接近日系鏡頭，并以其性價比優(yōu)勢成為目前市場標(biāo)清一體機的主流選擇。在標(biāo)清一體機多年技術(shù)和經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，部分國內(nèi)廠家也已研發(fā)出高清一體機機芯鏡頭，經(jīng)過我們的測試評估，其性能也基本達(dá)到或接近日系鏡頭水平。盡管目前市場上高清一體機機芯鏡頭大多采用日系鏡頭，但相信不久的將來國產(chǎn)高清一體機機芯鏡頭仍將被市場普遍認(rèn)可。

傳感器

傳感器是攝像機中至關(guān)重要的部件，它決定了攝像機的極限性能。監(jiān)控用攝像機的特點是適應(yīng)各種環(huán)境下全天侯持續(xù)使用，這既要求傳感器達(dá)到低照所需靈敏度，同時也要求其適應(yīng)達(dá)到工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的耐用性和可靠性。在標(biāo)清攝像機時代，傳感器主要采用CCD傳感器，主要由索尼公司和SHARP公司提供，CCD傳感器的高靈敏度和耐用性可靠性高的特點是它相比CMOS傳感器的最大優(yōu)勢。在高清攝像機的初期，傳感器仍主要采用CCD，隨著索尼、松下等公司在技術(shù)上的突破，CMOS傳感器的靈敏度及耐用性可靠性也已接近或達(dá)到CCD的水平，因此高清攝像機時代，CCD傳感器將逐步為CMOS傳感器取代。

目前市面上高性能CMOS傳感器主要有索尼公司的IMX122/IMX136系列CMOS高清傳感器和PANASONIC公司最新推出的MN34031/MN34041 CMOS高清傳感器，其低照性能和耐用性已經(jīng)接近或達(dá)到CCD水平，Aptina公司推出的9M034和AR0331 CMOS高清傳感器的低照性能也較好，價格也相對低廉一些，也是一個選擇。 從技術(shù)上看，CMOS易于實現(xiàn)高解析度，DSP處理和發(fā)熱方面也相對優(yōu)于CCD。目前采用最新的CMOS圖像傳感器的攝像機在圖像質(zhì)量方面明顯優(yōu)于CCD。因此，CMOS傳感器用于高清攝像機將是未來發(fā)展的趨勢。

ISP（image signal processor）

高清一體機機芯的性能除鏡頭和傳感器外很大程度由ISP性能決定。ISP的主要功能包括亮色分離、3A（AE、AWB、AF）、圖像后處理（亮度增強、銳化、降噪等），其中AF實現(xiàn)一體機的對焦功能，是一體機區(qū)別普通攝像機的特有功能。

區(qū)別于標(biāo)清一體機，高清一體機機芯不再采用模擬聚焦技術(shù)，且更多采用集成在ISP芯片內(nèi)的AF功能實現(xiàn)聚焦。鏡頭及傳感器是通用部件，因此高清一體機機芯的好壞將主要由ISP芯片的性能及運用的好壞決定。目前用于高清產(chǎn)品的ISP芯片大多數(shù)來自于國外廠商，如日立、索尼、韓國Nextchip等， 另外TI的365/368、海思的3516等媒體處理芯片也內(nèi)置ISP模塊，采用這些芯片都是實現(xiàn)高清一體機機芯的可能途徑。國內(nèi)方面，除海思3516外，成都動力視訊公司也研發(fā)出專門針對高清一體機機芯的專用ISP芯片PV8112，目前已進(jìn)入樣機推廣階段，預(yù)計芯片將于2012年3季度正式銷售。PV8112芯片于高清一體機機芯有很強的針對性，其運用簡潔，方案完整，可適用國內(nèi)外各種鏡頭和傳感器。從目前的樣機看，PV8112聚焦性能和畫質(zhì)接近進(jìn)口水平，是性價比較高的選擇。

自動聚焦（AF）

聚焦速度與聚焦觀感

好的一體機要求在保證好的聚焦觀感同時實現(xiàn)快速聚焦。聚焦觀感差的一體機往往需要多次較大范圍的來回往復(fù)聚焦，聚焦速度越快來回擺動范圍越大，這是因為大步長調(diào)焦造成在焦點的大幅度跨越。好的一體機通過在遠(yuǎn)離焦點采用大步長調(diào)焦，在焦點附近采用小步長調(diào)焦的方式實現(xiàn)快速聚焦及良好聚焦觀感的兼顧，達(dá)到這一技術(shù)目標(biāo)的難點是在調(diào)焦過程中如何判斷焦點的遠(yuǎn)近。

小信號聚焦

小信號是指聚焦目標(biāo)為平面物體且物體上的聚焦信息很少，如白墻上的縫隙。面對大小信號目標(biāo)均能成功聚焦而不相互誤判是其難點，涉及對目標(biāo)信號大小的準(zhǔn)確分析判斷。差的一體機往往放棄對小信號的聚焦功能。

變倍跟蹤

好的一體機要求在變倍時圖像始終清晰且無明顯的來回聚焦現(xiàn)象。差的一體機往往通過截除部分長焦段來達(dá)到這一目的。好的變倍跟蹤技術(shù)涉及對鏡頭參數(shù)大量的數(shù)學(xué)分析及產(chǎn)品的在線參數(shù)修正。

低照下的對焦

在聚焦算子中，往往有相應(yīng)的噪聲抑制參數(shù)，在低照條件下通過配置相應(yīng)參數(shù)實現(xiàn)最佳低照聚焦。低照聚焦性能的好壞取決于聚焦算子及其參數(shù)的使用水平。

預(yù)置位聚焦

高速球大多工作在預(yù)置位巡航狀態(tài)，因此預(yù)置位的速度和穩(wěn)定性是十分重要的，而大家選擇一體機時往往忽略了這一性能。好的高清一體機機芯預(yù)置位聚焦速度可達(dá)兩秒，這可充分配合高速球的高速轉(zhuǎn)動。步進(jìn)馬達(dá)軟硬件驅(qū)動的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)鏡頭的極限速度。

除AF功能外，高清一體機機芯的優(yōu)越性還體現(xiàn)在與普通機相比更好的畫質(zhì)上。鏡頭的鏡片組、濾光片對亮色分離和白平衡的效果影響極大，只有好的亮色分離才能獲得最佳清晰度和色彩還原性。一體機由于其集成的特點可通過針對鏡頭、濾光片對ISP參數(shù)的最佳配置而獲得最佳畫質(zhì)。

目前，自動聚焦核心技術(shù)主要還是集中在日韓企業(yè)手上，不過，隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)對技術(shù)不斷深入學(xué)習(xí)與研究，目前也有部分國企在自動聚焦技術(shù)上有一定技術(shù)體現(xiàn)。如深圳菲特數(shù)碼公司在標(biāo)清一體機自動對焦技術(shù)上擁有多年的研發(fā)經(jīng)驗，并且已經(jīng)研發(fā)出自動對焦專用處理芯片在市場上大量銷售；依托在標(biāo)清自動對焦技術(shù)基礎(chǔ)，菲特公司在高清自動對焦技術(shù)也有獨到之處，即將推出的高清一體機機芯機芯無論在聚焦效果還是畫質(zhì)效果都接近于日系廠商產(chǎn)品，它將是一款極具競爭力的產(chǎn)品。

數(shù)字高清一體機機芯機芯將成趨勢

安防行業(yè)正在經(jīng)歷“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高清化、智能化”的方向發(fā)展，一體機機芯也不例外。一體機機芯在邁入高清時代，日韓公司率先推出了高清機芯產(chǎn)品。2010年索尼和三星主推模擬高清機芯，而日立公司則推出了數(shù)字高清機芯。模擬高清相對D1標(biāo)清來說，參數(shù)指標(biāo)上由原來480TVL提升到640TVL，而數(shù)字高清則由原來D1的40萬像素提高到百萬像素。因此，單從參數(shù)指標(biāo)上可以看出模擬高清比標(biāo)清整體效果提高了1/3，而數(shù)字高清提高了1倍多。同時，與數(shù)字高清一體機機芯比較，模擬高清一體機機芯在色彩還原上也有很大的差距。

另外，由于模擬高清在傳輸過程中的損耗較大，而百萬高清僅僅是高清最低的要求，因此，數(shù)字高清在圖像效果上要比模擬高清有更大優(yōu)勢。因此，數(shù)字高清一體機機芯機芯必將是一體機機芯發(fā)展的主要趨勢。

作者單位：深圳市菲特數(shù)碼技術(shù)有限公司