多業(yè)務(wù)融合驅(qū)動(dòng)高清視頻芯片整合化

　　目前國(guó)內(nèi)安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流產(chǎn)品已經(jīng)從十多年前的純模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，逐步轉(zhuǎn)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(hào)。相比于模擬視頻監(jiān)控設(shè)備，百萬高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)大大提升了畫質(zhì)，對(duì)比模擬監(jiān)控設(shè)備傳輸技術(shù)而言，數(shù)字視頻監(jiān)控設(shè)備僅需普通網(wǎng)線，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，更重要的是降低了工程造價(jià)且易于維護(hù)。隨著純數(shù)字高清監(jiān)控系統(tǒng)配套設(shè)備越來越齊全，解決方案越來越完善，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域不可逆轉(zhuǎn)的潮流，并占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。

　　從數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的組成結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)輸出給芯片，芯片進(jìn)行一系列數(shù)字圖像信號(hào)處理（ISP）和數(shù)據(jù)壓縮之后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給后端解碼顯示設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視頻預(yù)覽、錄像、回放等功能。

　　由此可以看出，攝像機(jī)芯片是整個(gè)攝像機(jī)里面核心部件，它接收來自圖像傳感器獲取的圖像，然后進(jìn)行一系列的運(yùn)算和處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的主要功能。

　　數(shù)字?jǐn)z像機(jī)芯片組，習(xí)慣上又稱之為片上系統(tǒng)（SoC，System-on-Chip），它將處理器資源、內(nèi)存資源、編解碼算法、外圍設(shè)備接口等都集成在單個(gè)平臺(tái)上，其中大部分功能固化在芯片上，并且對(duì)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(yīng)用需求進(jìn)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(shí)現(xiàn)如預(yù)覽、縮放、光學(xué)處理、圖文疊加等功能，從而進(jìn)一步增強(qiáng)視頻處理能力。SoC作為高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)芯片解決方案，能夠有效滿足百萬高清攝像機(jī)內(nèi)部復(fù)雜視頻處理運(yùn)算以及外圍設(shè)備接口擴(kuò)展的需求。

　　攝像機(jī)處理芯片的組成架構(gòu)

　　一般的監(jiān)控?cái)z像機(jī)分為傳感器、ISP、編碼壓縮或轉(zhuǎn)換三個(gè)常見部分，部分高清攝像機(jī)還會(huì)包含一個(gè)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(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為芯片可以接收識(shí)別的電信號(hào)。

　　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(duì)圖像的后期處理。

　　編碼壓縮或轉(zhuǎn)換：傳感器信號(hào)經(jīng)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(zhuǎn)換部分，處理成壓縮后的TCP/IP信號(hào)或者非壓縮的HD-SDI信號(hào)。

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

　　傳統(tǒng)意義上，這幾個(gè)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(shù)的發(fā)展，越來越多的芯片廠商將后面的兩個(gè)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(gè)以融合為趨勢(shì)的大背景下，高清視頻SoC在多業(yè)務(wù)融合上的技術(shù)發(fā)展將是最關(guān)鍵的點(diǎn)。

　　高清攝像機(jī)芯片發(fā)揮功能需配套產(chǎn)品配合

　　百萬高清攝像機(jī)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(dòng)態(tài)等等。圖像處理（ISP）包括3A（自動(dòng)曝光，自動(dòng)白平衡，自動(dòng)聚焦），邊緣增強(qiáng)，3D降噪，圖像的縮放、翻轉(zhuǎn)、亮度、色度、飽和度、對(duì)比度調(diào)節(jié)，還有數(shù)字寬動(dòng)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(yùn)動(dòng)偵測(cè)、周界防范、人臉檢測(cè)、車牌識(shí)別、視頻診斷等等。

　　如果只是簡(jiǎn)單少量點(diǎn)的需求，或者已經(jīng)有了大平臺(tái)，要滿足用戶高清網(wǎng)絡(luò)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(duì)中小型項(xiàng)目和大項(xiàng)目的分級(jí)點(diǎn)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(tái)百萬高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的大量數(shù)據(jù)流進(jìn)行管理和存儲(chǔ)會(huì)消耗非常大的網(wǎng)絡(luò)和PCI帶寬，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片和CPU來說也是非常大的考驗(yàn)，這也是目前一些芯片要集成雙核CPU和千兆網(wǎng)口的原因。

　　百萬高清攝像機(jī)芯片應(yīng)用前景

　　對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(guān)技術(shù)才能應(yīng)對(duì)未來更多挑戰(zhàn)；另一方面網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展，芯片實(shí)現(xiàn)更多功能的同時(shí)，集成度也越來越高，隨之外圍器件會(huì)越來越少，功耗也會(huì)越來越低。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的搭配，數(shù)字高清攝像機(jī)既要有適合于安防應(yīng)用的圖像傳感器，與之對(duì)接的后端還要有解碼芯片技術(shù)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(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的芯片發(fā)展不能簡(jiǎn)單看成網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展，更值得關(guān)注的是系列配套產(chǎn)品的完善。如果能夠從芯片設(shè)計(jì)部分就開始考慮好怎樣更加貼近實(shí)際安防工程項(xiàng)目，這將會(huì)使百萬高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)更廣泛的應(yīng)用起來。

　　高清視頻芯片的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　從整個(gè)SoC視頻監(jiān)控編解碼芯片發(fā)展過程來看，圖像壓縮技術(shù)快速發(fā)展推動(dòng)了圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的制定，從而促使嵌入式架構(gòu)及ARM及X86信號(hào)CPU處理器得以應(yīng)用在編解碼芯片平臺(tái)上，DSP數(shù)字信號(hào)處理器的高性能和低功耗的可編程設(shè)計(jì)，讓SoC成為嵌入式圖像壓縮的理想平臺(tái)。在這樣的通用平臺(tái)上集成多個(gè)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(guān)注的多媒體處理器，以應(yīng)對(duì)監(jiān)控產(chǎn)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(bào)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(shì)。

　　在智能分析和高清成為主流需求的情況下，除了DSP應(yīng)對(duì)一般的圖像處理之外，F(xiàn)PGA運(yùn)算優(yōu)勢(shì)也逐漸被重視并被納入?yún)f(xié)處理器中。隨著智能監(jiān)控項(xiàng)目的增加，以FPGA的高速運(yùn)算搭配DSP的良好信號(hào)處理能力得到重視。FPGA可以在復(fù)雜的圖像處理方面代替DSP，例如視頻分析及各種寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像壓縮處理等。對(duì)于高清圖像處理來說，F(xiàn)PGA更能提供自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、寬動(dòng)態(tài)范圍等功能，以往DSP費(fèi)力應(yīng)對(duì)，只要在芯片架構(gòu)中加入FPGA就可以完成復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，這樣使得編解碼部分更具有靈活的擴(kuò)展性。目前，大部分的高端監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)在朝這個(gè)方向發(fā)展。

　　SoC編解碼芯片的技術(shù)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(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)然，也不可以忽略高清信號(hào)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?jǐn)?shù)字視頻監(jiān)控需求的單芯片產(chǎn)品呢？據(jù)記者了解，國(guó)際大品牌產(chǎn)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(guó)區(qū)解決方案經(jīng)理鄒毓帆介紹，ARTPEC-4于2011年底推出，是安訊士專為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)更多的資源應(yīng)用，并在穩(wěn)定性、編解碼處理、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力等方面性能優(yōu)越，具有延時(shí)更短、壓縮效率更高，所占帶寬更少等特點(diǎn)。同時(shí)，該芯片在超低寬動(dòng)態(tài)，超低照度等方面也具備優(yōu)勢(shì)。 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(dòng)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(chǎn)品，并不對(duì)外供應(yīng)。

　　隨著近年高清視頻監(jiān)控產(chǎn)品的應(yīng)用取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，預(yù)計(jì)在接下來的1-2年，市場(chǎng)對(duì)高清產(chǎn)品的需求將呈現(xiàn)井噴的趨勢(shì)，需求量的提升一方面會(huì)帶來更高性能和更多功能的需求，另一方面也會(huì)帶來差異化競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)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(shù)的演進(jìn)和性能的提升對(duì)高清視頻終端的市場(chǎng)狀況起到?jīng)Q定性作用。

　　業(yè)內(nèi)人士認(rèn)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(gè)方面的技術(shù)突破和發(fā)展?fàn)顩r將會(huì)深入影響到終端產(chǎn)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(shù)的融合、整合智能視頻技術(shù)、完善系統(tǒng)配套芯片等將是發(fā)展方向。

　　結(jié)束語

　　目前業(yè)界主要的芯片制造商都已經(jīng)意識(shí)到高清視頻芯片的整合化趨勢(shì)，并投入大量力量進(jìn)行新一代高清芯片的研發(fā)，已經(jīng)開始在高度融合的高清視頻芯片上有所建樹，同時(shí)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(dòng)，結(jié)合下游終端廠商的市場(chǎng)推廣和用戶需求的拉動(dòng)，高度集成和高度融合的新一代高清視頻芯片會(huì)取得越來越大的發(fā)展，并逐步成為一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)。