CMOS圖像傳感器推動(dòng)商業(yè)IP攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)

前言

商業(yè)安全行業(yè)為這個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備和技術(shù)公司提供了一個(gè)日益增長的市場機(jī)會(huì)。最近發(fā)生的事件(如9.11恐怖襲擊事件)以及技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)使安全成為更重要的事情，使安全置于企業(yè)IT部門的領(lǐng)導(dǎo)之下，并且讓安全技術(shù)進(jìn)一步脫離開始時(shí)的模擬格式向全部數(shù)字格式轉(zhuǎn)變。隨著安全水平的提高和使用包含更多攝像頭的更昂貴的安全系統(tǒng)，人們需要這種系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的(實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)視)、智能的、更容易安裝和維護(hù)。要滿足這些需求，基于IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)的系統(tǒng)將成為更誘人的和可行的安全攝像機(jī)解決方案。

影像技術(shù)最近幾年的進(jìn)步已經(jīng)吸引一些競爭的技術(shù)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。從歷史上看，商業(yè)安全攝像機(jī)過去完全依靠閉路電視及其CCD影像技術(shù)。因此，用戶經(jīng)常遇到(并且不得不應(yīng)付)CCD技術(shù)固有的分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和溫度等方面的限制問題。在這里，圖像傳輸是通過同軸電纜傳送到模擬錄像機(jī)的模擬信號(hào)。當(dāng)數(shù)字視頻錄像機(jī)開始商業(yè)應(yīng)用的時(shí)候，存儲(chǔ)和提取視頻錄像的功能增強(qiáng)了。但是，數(shù)字視頻錄像機(jī)的物理接觸范圍仍受電纜的限制。要超越閉路電視的限制和保證下一代安全技術(shù)，安全影像系統(tǒng)正在發(fā)展成為基于IP的技術(shù)。有許多安全提供商目前正在認(rèn)真考慮IP和無線安全攝像機(jī)系統(tǒng)。

這種日益向IP攝像機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是以CMOS(互補(bǔ)金氧半導(dǎo)體)圖像傳感器為基礎(chǔ)的。CMOS圖像傳感器是目前取代CCD技術(shù)的一種可行的替代技術(shù)。本文主要介紹為什么基于CMOS圖像傳感器的IP攝像機(jī)系統(tǒng)將很快成為商業(yè)安全應(yīng)用的技術(shù)選擇。我們還將提供一些總的看法，在商業(yè)安全監(jiān)視方面從基于CCD的閉路電視系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于CMOS的IP系統(tǒng)的理由，如整個(gè)系統(tǒng)成本較低、耗電量低和顯著提高CMOS傳感器性能等。我們還將重點(diǎn)介紹CMOS傳感器技術(shù)對(duì)住宅安全市場產(chǎn)生的影響。

IP攝像機(jī)系統(tǒng)概覽

IP攝像機(jī)(或者說網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī))是一種能夠獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備，能夠讓人們通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的任何地方都能看到實(shí)時(shí)的、全動(dòng)態(tài)視頻。IP攝像機(jī)在電路板上配置了處理器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器軟件，視頻輸出能夠記錄在網(wǎng)絡(luò)中的任何硬盤上。IP攝像機(jī)不需要使用價(jià)格昂貴的同軸電纜線。

IP攝像機(jī)的安裝并不是沒有挑戰(zhàn)的，因?yàn)樗枰幚硪粋€(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址。由于長期依賴現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施、工程、布線和設(shè)備的閉路電視技術(shù)，在有充分的理由采用IP攝像機(jī)之前，企業(yè)和IT部門對(duì)于淘汰這些老式系統(tǒng)總是有些猶豫不決。包括配置發(fā)送端口在內(nèi)的一些安裝步驟有些復(fù)雜，需要進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。發(fā)送端口通過把攝像機(jī)使用的網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的遠(yuǎn)程訪問。要完成這個(gè)任務(wù)，需要內(nèi)置IP攝像機(jī)的路由器IP地址?？紤]到IP地址的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，這對(duì)于安裝者是一個(gè)難題。

在向完全基于IP的系統(tǒng)過渡的過程中，一個(gè)臨時(shí)的替代方法是把視頻服務(wù)器連接到IP網(wǎng)絡(luò)，然后把模擬攝像機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，從而保護(hù)老式的系統(tǒng)。在這種情況下，視頻服務(wù)器包含處理器和軟件。這樣，這個(gè)攝像機(jī)就有了IP地址，并把閉路電視攝像機(jī)變成了IP攝像機(jī)，這僅需要計(jì)算服務(wù)器的額外開銷。閉路電視系統(tǒng)通常包含一個(gè)連接到電視系統(tǒng)或者錄像機(jī)的模擬攝像機(jī)。這個(gè)信號(hào)不是公開發(fā)布的，而是限制在一個(gè)很小的地方，如一個(gè)商店、辦公樓、倉庫或者學(xué)校。圖1是一個(gè)把有線和無線攝像機(jī)連接在一起用于現(xiàn)場監(jiān)視或者遠(yuǎn)程監(jiān)視的無線IP攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決方案的例子。

圖1  無線IP攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決方案

住宅安全市場

在住宅安全市場，系統(tǒng)價(jià)格、尺寸和功能的方便性是重要的差異化因素。CMOS傳感器技術(shù)在這個(gè)市場已經(jīng)占有了重要的一席之地。OmniVision客戶包括大樓門衛(wèi)監(jiān)視和人身/房間監(jiān)視在內(nèi)的許多安全解決方案。這些解決方案主要是中國企業(yè)生產(chǎn)的，并且已經(jīng)開始商業(yè)性銷售。此外，還有不需要IP路由器的、為家庭應(yīng)用設(shè)計(jì)的多攝像機(jī)系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)。OmniVision于2007年3月在拉斯維加斯舉行的ISC West展會(huì)上發(fā)布的Home SecuCam產(chǎn)品(如圖2所示)就是住宅安全市場可能上一個(gè)典型的應(yīng)用例子。

圖2  Home SecuCam產(chǎn)品

Home SecuCam為使用OmniVision公司的OV7720 CameraChip傳感器的MPEG 4視頻系統(tǒng)提供了一個(gè)安全攝像機(jī)解決方案，并且是第一個(gè)使用805.15.4/Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)上的視頻的產(chǎn)品。Home SecuCam(家庭安全攝像機(jī))可以作為一個(gè)集成的安全監(jiān)視方案，通過各種協(xié)議(包括無線和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及其它即將出現(xiàn)的無線技術(shù))實(shí)現(xiàn)節(jié)省成本的音/視頻家庭安全。用戶將很容易采用這個(gè)解決方案來滿足個(gè)人的需求。這個(gè)解決方案的安裝不需要專家的知識(shí)，運(yùn)行的耗電量很低，使用電池就可以保持幾個(gè)月的待機(jī)狀態(tài)。這個(gè)解決方案最多可擁有16個(gè)頻道，支持覆蓋多個(gè)區(qū)域的多臺(tái)攝像機(jī)，并且很容易串聯(lián)在一起，在更大的區(qū)域覆蓋更遠(yuǎn)的距離。

CCD與CMOS在商業(yè)安全應(yīng)用中的對(duì)比

雖然系統(tǒng)價(jià)格、尺寸和使用/功能的方便性是住宅安全市場重要的差異化因素，但是，相比之下，商業(yè)市場總是由性能占統(tǒng)治地位的。因此，商業(yè)影像解決方案必須耐用，能夠承受高溫并且能在照明條件差的情況下正常工作。這個(gè)市場要繼續(xù)發(fā)展，技術(shù)必須要改善。隨著像素尺寸繼續(xù)縮小，攝像機(jī)的像素和敏感度必須提高。

在過去的幾年里，CMOS技術(shù)已經(jīng)得到了發(fā)展。隨著耗電量和成本的下降以及像素的增大而出現(xiàn)的性能和敏感度的顯著改善，CMOS技術(shù)已經(jīng)開始了入門級(jí)的商業(yè)安全應(yīng)用。CMOS圖像傳感器把電路集成在一個(gè)采用緊湊型設(shè)計(jì)的單個(gè)芯片上，因此，攝像機(jī)體積比CCD系統(tǒng)中的攝像機(jī)要小一些。此外，CMOS圖像傳感器的耗電量僅是CCD圖像傳感器的十分之一。當(dāng)在目前的大型安全網(wǎng)絡(luò)上使用多個(gè)圖像傳感器的時(shí)候，這個(gè)優(yōu)勢可以節(jié)省許多錢。還有，CMOS圖像傳感器生產(chǎn)成本較低，一般來說銷售價(jià)格也比較低，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，這就意味著進(jìn)一步為廠商節(jié)省成本。

從傳感器性能方面看，CCD和CMOS圖像傳感器之間的差距已經(jīng)極大地縮小了。因此，新的一批基于CMOS的攝像機(jī)已經(jīng)開始投產(chǎn)并且進(jìn)入中、高級(jí)水平的應(yīng)用。商業(yè)監(jiān)視設(shè)備的復(fù)雜性是這種新一代基于CMOS的系統(tǒng)日益流行的原因。這種設(shè)備重點(diǎn)是尺寸、低耗電量、支持智能化、安全和能夠隨時(shí)隨地輸出視頻。

CMOS的發(fā)展

要理解CMOS為什么將進(jìn)入商業(yè)安全監(jiān)視應(yīng)用這個(gè)廣闊的領(lǐng)域，完全理解CMOS為什么可行是很重要的。技術(shù)進(jìn)步是以多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用和對(duì)CMOS芯片的積極需求為基礎(chǔ)的。從奔騰處理器到基帶芯片，CMOS已經(jīng)成為制造工藝技術(shù)的選擇。在僅僅7年的時(shí)間里，CMOS工藝已經(jīng)從0.8微米發(fā)展到0.18微米、0.13微米、以至90納米和65納米。從800納米到65納米的發(fā)展幾乎等于把尺寸縮小了15倍，從而顯著提高了性能。

CMOS的優(yōu)勢包括高集成密度、高性能、低耗電量和低成本。與CCD圖像傳感器不同，CMOS圖像傳感器在一個(gè)芯片上同時(shí)具有模擬和數(shù)字兩種屬性，能夠適應(yīng)廣泛的溫度范圍，可提供隨機(jī)像素存取和與復(fù)雜的電路共存。CMOS能夠向商業(yè)安全桌面提供高性能、紅外線功能和嵌入在流程中的高動(dòng)態(tài)范圍。目前，CMOS傳感器已經(jīng)能夠完成70%的CCD傳感器能夠完成的高端的安全監(jiān)視應(yīng)用。這個(gè)數(shù)字在未來的12至18個(gè)月將提高到100%。

CMOS還具有改善的像素設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。由于工藝的改善，目前的像素具有噪聲低(也就是干擾較少)，需要的電流少和具有更好的敏感度等特點(diǎn)。CMOS工藝是以晶體管技術(shù)和像素中的晶體管為基礎(chǔ)的。晶體管數(shù)量越多，像素上獲得的亮度就越好。目前，最多配置7個(gè)晶體管，每一個(gè)晶體管都有從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)換的功能。實(shí)際上，每一個(gè)像素現(xiàn)在就是一臺(tái)攝相機(jī)。像素尺寸在幾年前還是9 x 9微米。這個(gè)尺寸在短短的幾年里已經(jīng)縮小到了我們?cè)贠mniPixel2技術(shù)中看到的2.2微米?，F(xiàn)在，這個(gè)行業(yè)正準(zhǔn)備邁向1.4微米，在保持質(zhì)量水平的同時(shí)進(jìn)一步縮小尺寸。由于圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字噪聲也在降低。無噪聲的像素極為重要，小像素的CMOS傳感器的性能已經(jīng)大幅提高。

CCD的局限性

CCD圖像傳感器過去曾經(jīng)提供高性能的成像和靈活性，不過，為了容納昂貴的多芯片解決方案，系統(tǒng)需要足夠大的尺寸。過去，CCD圖像傳感器的光敏感度比上一代CMOS傳感器要好得多。光敏感度越高，在照明條件差的情況下的圖像質(zhì)量就越好。然而，明亮的物體對(duì)于CCD技術(shù)來說是一個(gè)問題，導(dǎo)致在顯示屏上造成人們稱作“污點(diǎn)(Smear)”效應(yīng)的垂直線條。

CCD還很復(fù)雜，是以非常專業(yè)的處理為基礎(chǔ)的。商業(yè)安全攝像機(jī)應(yīng)用需要高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)，也就是能夠在各種照明條件下記錄范圍更廣的色調(diào)細(xì)節(jié)。在此之前，由于技術(shù)原因監(jiān)控系統(tǒng)幾乎完全依靠CCD傳感器。因此，用戶必須要應(yīng)付CCD傳感器固有的分辨率、適應(yīng)范圍和溫度等局限性。這些問題在安全應(yīng)用中是極為重要的。當(dāng)尺寸和耗電量變得很重要時(shí)，多芯片解決方案與高度集成的單芯片解決方案相比總是處于劣勢?？紤]到平衡，CMOS傳感器(如OmniVision公司的OV10620 CMOS傳感器)，提供了更好的高動(dòng)態(tài)范圍性能，而且在安全應(yīng)用中使用CMOS的實(shí)例也在繼續(xù)增加。圖3顯示了使用高動(dòng)態(tài)范圍芯片和非高動(dòng)態(tài)范圍芯片有多大的區(qū)別。這對(duì)于安全市場的積極意義是顯而易見的。圖3a和3b顯示高動(dòng)態(tài)范圍傳感器提供的差別。

圖3  使用高動(dòng)態(tài)范圍傳感器和未使用這一技術(shù)的成像區(qū)別

CCD還需要一個(gè)定時(shí)發(fā)生器，驅(qū)動(dòng)配置多個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，從一個(gè)芯片到另一個(gè)芯片計(jì)算路由延遲和潛在的性能下降。不過，CCD處理過程本身就是獲取數(shù)據(jù)然后用模擬信號(hào)格式把這個(gè)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

結(jié)語

在商業(yè)安全市場，能夠最好地把解決方案集成到耐用、智能和高性能系統(tǒng)中的技術(shù)和公司將保持領(lǐng)先的地位。

雖然商業(yè)CMOS傳感器的現(xiàn)場應(yīng)用還比較新，但是，商業(yè)CMOS傳感器正在耗電量、系統(tǒng)成本、溫度范圍和尺寸等屬性的基礎(chǔ)上取得實(shí)際的進(jìn)展。技術(shù)的成熟現(xiàn)在提供了CMOS傳感器不久前還沒有的許多功能。借鑒CMOS技術(shù)對(duì)家庭安全市場已經(jīng)產(chǎn)生的影響，我們堅(jiān)定地認(rèn)為是CMOS技術(shù)，而不是CCD技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)，基于單片機(jī)的可編程數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，并且最終在商業(yè)安全市場獲得重要的大量應(yīng)用。