CMOS圖像傳感器推動商業(yè)IP攝像機網(wǎng)絡

前言

商業(yè)安全行業(yè)為這個領域的設備和技術公司提供了一個日益增長的市場機會。最近發(fā)生的事件(如9.11恐怖襲擊事件)以及技術進步已經(jīng)使安全成為更重要的事情，使安全置于企業(yè)IT部門的領導之下，并且讓安全技術進一步脫離開始時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)絡的(實現(xiàn)遠程無線監(jiān)視)、智能的、更容易安裝和維護。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解決方案。

影像技術最近幾年的進步已經(jīng)吸引一些競爭的技術進入這個領域。從歷史上看，商業(yè)安全攝像機過去完全依靠閉路電視及其CCD影像技術。因此，用戶經(jīng)常遇到(并且不得不應付)CCD技術固有的分辨率、動態(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的模擬信號。當數(shù)字視頻錄像機開始商業(yè)應用的時候，存儲和提取視頻錄像的功能增強了。但是，數(shù)字視頻錄像機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，安全影像系統(tǒng)正在發(fā)展成為基于IP的技術。有許多安全提供商目前正在認真考慮IP和無線安全攝像機系統(tǒng)。

這種日益向IP攝像機系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是以CMOS(互補金氧半導體)圖像傳感器為基礎的。CMOS圖像傳感器是目前取代CCD技術的一種可行的替代技術。本文主要介紹為什么基于CMOS圖像傳感器的IP攝像機系統(tǒng)將很快成為商業(yè)安全應用的技術選擇。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。我們還將重點介紹CMOS傳感器技術對住宅安全市場產(chǎn)生的影響。

IP攝像機系統(tǒng)概覽

IP攝像機(或者說網(wǎng)絡攝像機)是一種能夠獨立運行的設備，能夠讓人們通過標準的網(wǎng)絡瀏覽器在計算機網(wǎng)絡的任何地方都能看到實時的、全動態(tài)視頻。IP攝像機在電路板上配置了處理器和網(wǎng)絡服務器軟件，視頻輸出能夠記錄在網(wǎng)絡中的任何硬盤上。IP攝像機不需要使用價格昂貴的同軸電纜線。

IP攝像機的安裝并不是沒有挑戰(zhàn)的，因為它需要處理一個動態(tài)的IP地址。由于長期依賴現(xiàn)有的基礎設施、工程、布線和設備的閉路電視技術，在有充分的理由采用IP攝像機之前，企業(yè)和IT部門對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雜，需要進行技術培訓。發(fā)送端口通過把攝像機使用的網(wǎng)絡端口發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)對攝像機的遠程訪問。要完成這個任務，需要內(nèi)置IP攝像機的路由器IP地址?？紤]到IP地址的動態(tài)性質(zhì)，這對于安裝者是一個難題。

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

圖1  無線IP攝像機網(wǎng)絡解決方案

住宅安全市場

在住宅安全市場，系統(tǒng)價格、尺寸和功能的方便性是重要的差異化因素。CMOS傳感器技術在這個市場已經(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、為家庭應用設計的多攝像機系統(tǒng)的參考設計。OmniVision于2007年3月在拉斯維加斯舉行的ISC West展會上發(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典型的應用例子。

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)提供了一個安全攝像機解決方案，并且是第一個使用805.15.4/Zigbee無線網(wǎng)絡上的視頻的產(chǎn)品。Home SecuCam(家庭安全攝像機)可以作為一個集成的安全監(jiān)視方案，通過各種協(xié)議(包括無線和移動網(wǎng)絡以及其它即將出現(xiàn)的無線技術)實現(xiàn)節(jié)省成本的音/視頻家庭安全。用戶將很容易采用這個解決方案來滿足個人的需求。這個解決方案的安裝不需要專家的知識，運行的耗電量很低，使用電池就可以保持幾個月的待機狀態(tài)。這個解決方案最多可擁有16個頻道，支持覆蓋多個區(qū)域的多臺攝像機，并且很容易串聯(lián)在一起，在更大的區(qū)域覆蓋更遠的距離。

CCD與CMOS在商業(yè)安全應用中的對比

雖然系統(tǒng)價格、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。這個市場要繼續(xù)發(fā)展，技術必須要改善。隨著像素尺寸繼續(xù)縮小，攝像機的像素和敏感度必須提高。

在過去的幾年里，CMOS技術已經(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技術已經(jīng)開始了入門級的商業(yè)安全應用。CMOS圖像傳感器把電路集成在一個采用緊湊型設計的單個芯片上，因此，攝像機體積比CCD系統(tǒng)中的攝像機要小一些。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。當在目前的大型安全網(wǎng)絡上使用多個圖像傳感器的時候，這個優(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，一般來說銷售價格也比較低，從而降低了整個系統(tǒng)的成本，這就意味著進一步為廠商節(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的攝像機已經(jīng)開始投產(chǎn)并且進入中、高級水平的應用。商業(yè)監(jiān)視設備的復雜性是這種新一代基于CMOS的系統(tǒng)日益流行的原因。這種設備重點是尺寸、低耗電量、支持智能化、安全和能夠隨時隨地輸出視頻。

CMOS的發(fā)展

要理解CMOS為什么將進入商業(yè)安全監(jiān)視應用這個廣闊的領域，完全理解CMOS為什么可行是很重要的。技術進步是以多個行業(yè)的應用和對CMOS芯片的積極需求為基礎的。從奔騰處理器到基帶芯片，CMOS已經(jīng)成為制造工藝技術的選擇。在僅僅7年的時間里，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圖像傳感器在一個芯片上同時具有模擬和數(shù)字兩種屬性，能夠適應廣泛的溫度范圍，可提供隨機像素存取和與復雜的電路共存。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)視應用。這個數(shù)字在未來的12至18個月將提高到100%。

CMOS還具有改善的像素設計的特點。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。CMOS工藝是以晶體管技術和像素中的晶體管為基礎的。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個晶體管，每一個晶體管都有從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)換的功能。實際上，每一個像素現(xiàn)在就是一臺攝相機。像素尺寸在幾年前還是9 x 9微米。這個尺寸在短短的幾年里已經(jīng)縮小到了我們在OmniPixel2技術中看到的2.2微米?，F(xiàn)在，這個行業(yè)正準備邁向1.4微米，在保持質(zhì)量水平的同時進一步縮小尺寸。由于圖像處理技術的進步，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，明亮的物體對于CCD技術來說是一個問題，導致在顯示屏上造成人們稱作“污點(Smear)”效應的垂直線條。

CCD還很復雜，是以非常專業(yè)的處理為基礎的。商業(yè)安全攝像機應用需要高動態(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)細節(jié)。在此之前，由于技術原因監(jiān)控系統(tǒng)幾乎完全依靠CCD傳感器。因此，用戶必須要應付CCD傳感器固有的分辨率、適應范圍和溫度等局限性。這些問題在安全應用中是極為重要的。當尺寸和耗電量變得很重要時，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。考慮到平衡，CMOS傳感器(如OmniVision公司的OV10620 CMOS傳感器)，提供了更好的高動態(tài)范圍性能，而且在安全應用中使用CMOS的實例也在繼續(xù)增加。圖3顯示了使用高動態(tài)范圍芯片和非高動態(tài)范圍芯片有多大的區(qū)別。這對于安全市場的積極意義是顯而易見的。圖3a和3b顯示高動態(tài)范圍傳感器提供的差別。

圖3  使用高動態(tài)范圍傳感器和未使用這一技術的成像區(qū)別

CCD還需要一個定時發(fā)生器，驅(qū)動配置多個時鐘發(fā)生器，從一個芯片到另一個芯片計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)然后用模擬信號格式把這個數(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)中的技術和公司將保持領先的地位。

雖然商業(yè)CMOS傳感器的現(xiàn)場應用還比較新，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上取得實際的進展。技術的成熟現(xiàn)在提供了CMOS傳感器不久前還沒有的許多功能。借鑒CMOS技術對家庭安全市場已經(jīng)產(chǎn)生的影響，我們堅定地認為是CMOS技術，而不是CCD技術，可以實現(xiàn)，基于單片機的可編程數(shù)字攝像機，并且最終在商業(yè)安全市場獲得重要的大量應用。