多業(yè)務融合驅動高清視頻芯片整合化

　　目前國內安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流產品已經從十多年前的純模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，逐步轉變成了純數(shù)字的百萬高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即從視頻采集、視頻傳輸、視頻錄像和回放全部采用數(shù)字信號。相比于模擬視頻監(jiān)控設備，百萬高清數(shù)字攝像機大大提升了畫質，對比模擬監(jiān)控設備傳輸技術而言，數(shù)字視頻監(jiān)控設備僅需普通網線，易于實現(xiàn)遠距離傳輸，更重要的是降低了工程造價且易于維護。隨著純數(shù)字高清監(jiān)控系統(tǒng)配套設備越來越齊全，解決方案越來越完善，網絡化已經成為安防視頻監(jiān)控領域不可逆轉的潮流，并占據(jù)市場主導地位。

　　從數(shù)字攝像機的組成結構來看，它主要由鏡頭、圖像傳感器（CCD或者CMOS器件）、ARM/DSP等組成。鏡頭聚集被攝物體反射的光線至圖像傳感器上，再由圖像傳感器轉換成數(shù)字視頻信號輸出給芯片，芯片進行一系列數(shù)字圖像信號處理（ISP）和數(shù)據(jù)壓縮之后，通過網絡傳輸給后端解碼顯示設備，進而實現(xiàn)視頻預覽、錄像、回放等功能。

　　由此可以看出，攝像機芯片是整個攝像機里面核心部件，它接收來自圖像傳感器獲取的圖像，然后進行一系列的運算和處理，實現(xiàn)了數(shù)字網絡攝像機的主要功能。

　　數(shù)字攝像機芯片組，習慣上又稱之為片上系統(tǒng)（SoC，System-on-Chip），它將處理器資源、內存資源、編解碼算法、外圍設備接口等都集成在單個平臺上，其中大部分功能固化在芯片上，并且對一些特殊功能需求模塊化，采用提供源代碼方式給用戶，用戶再根據(jù)不同的應用需求進行二次開發(fā)。除此之外，SoC還可以增加視頻協(xié)處理器以及其他視頻子系統(tǒng)，實現(xiàn)如預覽、縮放、光學處理、圖文疊加等功能，從而進一步增強視頻處理能力。SoC作為高清數(shù)字攝像機芯片解決方案，能夠有效滿足百萬高清攝像機內部復雜視頻處理運算以及外圍設備接口擴展的需求。

　　攝像機處理芯片的組成架構

　　一般的監(jiān)控攝像機分為傳感器、ISP、編碼壓縮或轉換三個常見部分，部分高清攝像機還會包含一個智能處理器。

　　傳感器：指的是我們常常提及的CCD或或CMOS，主要作用是光電轉換，將光信號轉換為芯片可以接收識別的電信號。

　　ISP：即圖像處理部分，我們常常提及的2A（AWB/AE）或者3A（AWB/AE/AF）都在這里完成的。傳統(tǒng)模式下一般采用一顆DSP或者一顆FPGA來完成對圖像的后期處理。

　　編碼壓縮或轉換：傳感器信號經過ISP部分處理后，一般以SMPTE296M/BT.1120等數(shù)字接口格式傳輸?shù)胶罄m(xù)的編碼壓縮或轉換部分，處理成壓縮后的TCP/IP信號或者非壓縮的HD-SDI信號。

　　智能視頻分析：一般采用一顆單獨的DSP來實現(xiàn)，通過該DSP實現(xiàn)視頻分析功能，如行為分析、視頻診斷、特征識別等，由于受算法性能有限和跨平臺移植的難度等限制，目前這類產品應用較少。

　　傳統(tǒng)意義上，這幾個部分是彼此分開的，不同的部分由不同的芯片來完成。隨著技術的發(fā)展，越來越多的芯片廠商將后面的兩個部分融合到了一起，使得高清視頻終端的集成度越來越高，在這一個以融合為趨勢的大背景下，高清視頻SoC在多業(yè)務融合上的技術發(fā)展將是最關鍵的點。

　　高清攝像機芯片發(fā)揮功能需配套產品配合

　　百萬高清攝像機芯片功能主要包含圖像傳感器、圖像處理、視頻編解碼、視頻輸出、智能分析等等。圖像傳感器主要有低照度，寬動態(tài)等等。圖像處理（ISP）包括3A（自動曝光，自動白平衡，自動聚焦），邊緣增強，3D降噪，圖像的縮放、翻轉、亮度、色度、飽和度、對比度調節(jié)，還有數(shù)字寬動態(tài)、數(shù)字放大、電子防抖等等；圖像編解碼主要有MPEG4、H.264、MJPEG、多碼流處理等等；視頻輸出主要有Ethernet、WIFI、CVBS、HDMI、SDI等等；智能分析方面有運動偵測、周界防范、人臉檢測、車牌識別、視頻診斷等等。

　　如果只是簡單少量點的需求，或者已經有了大平臺，要滿足用戶高清網絡視頻上電視墻的需求，采用具有單路解碼效果的芯片即可。對中小型項目和大項目的分級點而言，則要用到NVR或者目前最熱門的混合型DVR來解決?？紤]到把多臺百萬高清網絡攝像機的大量數(shù)據(jù)流進行管理和存儲會消耗非常大的網絡和PCI帶寬，這對網絡芯片和CPU來說也是非常大的考驗，這也是目前一些芯片要集成雙核CPU和千兆網口的原因。

　　百萬高清攝像機芯片應用前景

　　對目前網絡攝像機芯片解決方案而言，一方面SoC芯片解決方案的公司只有具備足夠的相關技術才能應對未來更多挑戰(zhàn)；另一方面網絡攝像機也不是功能越多越全越好，在目前工程水平上快速便捷地滿足客戶的需求才是根本。

　　隨著百萬高清網絡攝像機的發(fā)展，芯片實現(xiàn)更多功能的同時，集成度也越來越高，隨之外圍器件會越來越少，功耗也會越來越低。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的搭配，數(shù)字高清攝像機既要有適合于安防應用的圖像傳感器，與之對接的后端還要有解碼芯片技術的支持，所以后端解碼顯示芯片的性能也有待更大突破。

　　百萬高清網絡攝像機的芯片發(fā)展不能簡單看成網絡攝像機的發(fā)展，更值得關注的是系列配套產品的完善。如果能夠從芯片設計部分就開始考慮好怎樣更加貼近實際安防工程項目，這將會使百萬高清網絡攝像機更廣泛的應用起來。

　　高清視頻芯片的技術發(fā)展趨勢

　　從整個SoC視頻監(jiān)控編解碼芯片發(fā)展過程來看，圖像壓縮技術快速發(fā)展推動了圖像壓縮標準的制定，從而促使嵌入式架構及ARM及X86信號CPU處理器得以應用在編解碼芯片平臺上，DSP數(shù)字信號處理器的高性能和低功耗的可編程設計，讓SoC成為嵌入式圖像壓縮的理想平臺。在這樣的通用平臺上集成多個不同的圖像界面以及I/O接口，讓SoC得以發(fā)展成為目前備受關注的多媒體處理器，以應對監(jiān)控產品的推陳出新。SoC除了具有高速的ARM或x86及DSP核心系統(tǒng)之外，視頻輔助與子系統(tǒng)的處理器如高清輸出端口及報警門禁I/O或是畫面多媒體處理器也被加入到其中，這也是目前編解碼芯片越來越明確的發(fā)展趨勢。

　　在智能分析和高清成為主流需求的情況下，除了DSP應對一般的圖像處理之外，F(xiàn)PGA運算優(yōu)勢也逐漸被重視并被納入協(xié)處理器中。隨著智能監(jiān)控項目的增加，以FPGA的高速運算搭配DSP的良好信號處理能力得到重視。FPGA可以在復雜的圖像處理方面代替DSP，例如視頻分析及各種寬動態(tài)范圍的圖像壓縮處理等。對于高清圖像處理來說，F(xiàn)PGA更能提供自動曝光、自動白平衡、寬動態(tài)范圍等功能，以往DSP費力應對，只要在芯片架構中加入FPGA就可以完成復雜的矩陣運算，這樣使得編解碼部分更具有靈活的擴展性。目前，大部分的高端監(jiān)控設備已經在朝這個方向發(fā)展。

　　SoC編解碼芯片的技術發(fā)展必須包括傳感器(CCD或CMOS)、圖像處理器(ISP)、圖像壓縮編解碼及網絡傳輸，當然，也不可以忽略高清信號格式HDcctv的發(fā)展或SLOC的局部整合。那么，是否有那種能滿足大部分數(shù)字視頻監(jiān)控需求的單芯片產品呢？據(jù)記者了解，國際大品牌產品中，安訊士的ARTPEC系列芯片具備此種功能，目前其已發(fā)展到第四代即ARTPEC-4。

　　據(jù)安訊士中國區(qū)解決方案經理鄒毓帆介紹，ARTPEC-4于2011年底推出，是安訊士專為網絡監(jiān)控設計自主研發(fā)的一款單芯片解決方案，該芯片可以將圖像處理、編碼、壓縮以及智能分析等功能集成于一體。這種單芯片解決方案可以實現(xiàn)更多的資源應用，并在穩(wěn)定性、編解碼處理、網絡適應能力等方面性能優(yōu)越，具有延時更短、壓縮效率更高，所占帶寬更少等特點。同時，該芯片在超低寬動態(tài)，超低照度等方面也具備優(yōu)勢。 ARTPEC-4提供的視頻具備較低的噪音和較高的感光性，因此可以為移動物體提供更為清晰的視頻圖像。不過記者也了解到，ARTPEC芯片目前僅用于安訊士的產品，并不對外供應。

　　隨著近年高清視頻監(jiān)控產品的應用取得突飛猛進的發(fā)展，預計在接下來的1-2年，市場對高清產品的需求將呈現(xiàn)井噴的趨勢，需求量的提升一方面會帶來更高性能和更多功能的需求，另一方面也會帶來差異化競爭的進一步加劇。而高清視頻SoC作為最能影響到這兩者的核心部分，其技術的演進和性能的提升對高清視頻終端的市場狀況起到決定性作用。

　　業(yè)內人士認為，今后高清視頻SoC在功耗、編碼性能、ISP、智能分析、解碼和顯示幾個方面的技術突破和發(fā)展狀況將會深入影響到終端產品的發(fā)展。更低的功耗、更高的編碼壓縮能力、圖像處理技術的融合、整合智能視頻技術、完善系統(tǒng)配套芯片等將是發(fā)展方向。

　　結束語

　　目前業(yè)界主要的芯片制造商都已經意識到高清視頻芯片的整合化趨勢，并投入大量力量進行新一代高清芯片的研發(fā)，已經開始在高度融合的高清視頻芯片上有所建樹，同時也還有一些有影響力的IC廠商正躍躍欲試，相信隨著芯片廠商的努力和推動，結合下游終端廠商的市場推廣和用戶需求的拉動，高度集成和高度融合的新一代高清視頻芯片會取得越來越大的發(fā)展，并逐步成為一個成熟的產業(yè)。