基于ASC8851的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機設(shè)計

　　從以往PC板卡發(fā)展到今天的嵌入式系統(tǒng)，監(jiān)控產(chǎn)品變得越來越專業(yè)，集成度也越來越高。壓縮規(guī)格已經(jīng)從JPEG、MPEG2、MPEG4發(fā)展到H.264，壓縮效率越來越高，這表明同樣的帶寬能傳送更高質(zhì)量的畫面。監(jiān)控產(chǎn)品的分辨率則從CIF、D1、720p向高清1080p轉(zhuǎn)換，甚至可能更高，這說明人們對畫質(zhì)以及清晰度的追求更上一層樓。除此之外，監(jiān)控影像也逐漸從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字信號，系統(tǒng)從封閉轉(zhuǎn)向開放式與網(wǎng)絡(luò)化，從非實時(低于每秒25或30幀)轉(zhuǎn)向?qū)崟r，甚至每秒50或60幀的影像質(zhì)量。

　　恩智浦半導(dǎo)體(NXP)的ASC8851就是一款專門針對高清實時網(wǎng)絡(luò)攝像機(IP camera)而設(shè)計的高集成度、單芯片解決方案，它提供了網(wǎng)絡(luò)攝像機所需的功能，可以直接采集從CMOS影像傳感器得到的原始數(shù)據(jù)(raw data)影像，經(jīng)過影像的優(yōu)化處理，包含各種ISP功能(數(shù)字影像處理，包含3A)，壓縮之后再通過網(wǎng)絡(luò)傳送出去。

數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機采用的技術(shù)

　　單片機設(shè)計能力，嵌入式ARM與Linux系統(tǒng)的程序設(shè)計能力是必備的；此外，如網(wǎng)絡(luò)通訊、影像壓縮等在以往的DVR、DVS產(chǎn)品中的重要功能也必不可少；由于網(wǎng)絡(luò)攝像機整合了前端影像輸入，因此以往由模擬CCTV產(chǎn)品處理的鏡頭及傳感器影像質(zhì)量問題(含對焦、光圈、快門、增益等)，都成為網(wǎng)絡(luò)攝像機制造商所需要面對與解決的問題。

數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機遇到的難題

　　如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)可以大致分為前端的影像傳感器與后端的影像處理IC(ISP+視頻編碼/視頻流)。對于ISP部分，有的與前端傳感器整合在一起，有的是獨立的ISP芯片，而恩智浦方案目前為集成進(jìn)單芯片的后端影像處理IC。以下是數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機目前面臨的一些主要問題：

　　選擇CCD 還是CMOS傳感器：以往的CCTV通常都是采用CCD傳感器，但是在高清數(shù)字?jǐn)z像機領(lǐng)域里，CCD通常達(dá)不到在百萬畫素以上輸出每秒25或30張的畫面，即使有單價也非常高。CMOS傳感器可能將是高清實時攝像機(尤其是200萬像素)的主流，現(xiàn)在各家CMOS傳感器各有千秋，選擇時需要廠商費一番心思。

　　顏色和畫質(zhì)的表現(xiàn)：消費者習(xí)慣CCD傳感器在顏色和畫質(zhì)上的表現(xiàn)，該領(lǐng)域過去由少數(shù)CCD傳感器廠商控制。轉(zhuǎn)換到CMOS傳感器時，需要進(jìn)行一番調(diào)整才能符合大部分消費者的喜好。

　　低照度下的噪點：以往CCD在低照度下的噪點比CMOS要來得好，現(xiàn)在，新的背照式CMOS傳感器技術(shù)正逐漸改善這個弱項，甚至可以超過CCD的表現(xiàn)。但CMOS傳感器又對熱相當(dāng)敏感，需要廠商對熱進(jìn)行隔絕以及在散熱機構(gòu)上做妥善處理。

　　WDR(HDR)、寬動態(tài)、高反差畫面下的表現(xiàn)：隨著消費者的要求越來越高，對網(wǎng)絡(luò)攝像機在高反差畫面下的表現(xiàn)越來越重視。這可以分別從前端傳感器以及后端的影像處理兩方面來改善。傳感器方面，可以用兩次曝光的方式，也可以將所有像素分成長、短曝光兩部分，分別取得亮處和暗處的細(xì)節(jié)，再迭加成一張同時具備亮暗處細(xì)節(jié)的影像。

　　像素高低、實時壓縮、多碼流以及功耗：由于H.264的壓縮運算量較大，已經(jīng)很少有人使用純DSP來做高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的應(yīng)用。目前的主流都是使用純ASIC或用DSP加ASIC硬件壓縮加速引擎來實現(xiàn)，在1080p(200萬像素)高清分辨率下，不見得每家都能做到實時每秒25或30張的壓縮，同時又要兼顧到其它分辨率的子碼流輸出。不同壓縮格式以及不同分辨率的子碼流是必要的，因為一些配套設(shè)備，解不動高清高碼流的視頻流，而為了跟以前及現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備兼容，可能也需要壓縮其它格式(MPEG-4或是Motion JPEG)及較低的分辨率與碼率。最后，由于繁雜的運算量可能會使芯片的功耗上升，而網(wǎng)絡(luò)攝像機的應(yīng)用環(huán)境很多，尤其是有些戶外的機種需要在太陽曝曬下使用，為了不使設(shè)備過熱而出現(xiàn)不穩(wěn)定，功耗也是重要的考慮因素之一。

恩智浦ASC885x解決方案的優(yōu)勢

　　1.數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、低延遲時間

　　數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機是監(jiān)控業(yè)界的新方向，以往的模擬圖像信號需要連接許多纜線，而數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機通過以太網(wǎng)把攝像機全部連在一起，能傳送更長的距離，同時不會因為距離而影響影像的質(zhì)量，并且更容易和廣大的互聯(lián)網(wǎng)相通，以傳送高清高畫質(zhì)的影像。

　　數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送影像，主控芯片需要能夠以低延遲時間壓縮并提供優(yōu)質(zhì)的影像水平。

　　2.豐富的接口，完整的功能

　　恩智浦的方案帶有PCI-e、SPI、USB接口，可以擴充支持SATA硬盤及無線網(wǎng)絡(luò)等外圍設(shè)備。除了可通過網(wǎng)絡(luò)傳送畫面，也支持通過HDMI或HD-SDI(HD-CCTV)的方式傳送實時影像，客戶可以實現(xiàn)雙模的高清攝像機。另外，恩智浦的方案還具有硬件的碼流加密功能。

　　3.清楚而流暢的畫面，功耗更低

　　恩智浦ASC885x系列中目前最高端的ASC8851芯片，可以達(dá)到1080p每秒45張的H.264壓縮效果(High Profile L4.1)。僅用一顆芯片，用戶就可以實現(xiàn)1080p加上720p子碼流的雙實時編碼，或8路D1的實時壓縮。也可以實現(xiàn)720p每秒60張的流暢視頻，還有機會做到3百萬像素每秒25到30張的超高清實時網(wǎng)絡(luò)攝像機。而且恩智浦ASC8851芯片的功耗比之前產(chǎn)品更低(低于1.4W)。

　　4.高集成度、低技術(shù)門檻的方案

　　由于ASC885x包含ISP模塊，不需要外置的ISP芯片，因此客戶在前端傳感器的選擇上更廣泛。恩智浦已經(jīng)支持多款主流傳感器，不需要額外的授權(quán)與開發(fā)費用，客戶就可以獲得整合與優(yōu)化過的傳感器驅(qū)動，而且只需花費較少的精力就可以達(dá)到不錯的效果。恩智浦還提供軟硬件參考設(shè)計，簽完保密協(xié)議與網(wǎng)上注冊通過后，客戶可以免費下載芯片數(shù)據(jù)手冊、軟件開發(fā)套件、硬件設(shè)計線路圖及獲得技術(shù)支持等。

本文小結(jié)

　　高清網(wǎng)絡(luò)攝像機是目前監(jiān)控產(chǎn)業(yè)的趨勢，更高分辨率、更流暢的畫面(更高幀率)是必然的走向；隨著該應(yīng)用越來越普及，消費者對畫質(zhì)的要求會越來越高。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，兼容與互通性上將來也會變成必需條件，目前 ONVIF與PSIA兼容規(guī)范各有支持者，產(chǎn)品開發(fā)商需要留意未來的走向。除此之外，在智能分析檢測上的應(yīng)用，也會隨著時間推移逐漸成熟完備，恩智浦在這方面也有妥善的規(guī)劃，在不久的將來將會發(fā)布。