文/汤凯

　　高清晰度摄像机类型

　　高清摄像机按清晰度进而又分为高清、准高清(720P)、高清(1080P)、全高清(1280P)以及4K，而百万高清监控摄像机采用H.264视频压缩解码，支持多码流选择。现在高清已经是现在安防监控行业的主流。

　　核心架构

　　网络高清已经是监控领域的大体趋势了，而网络高清摄像机的关键架构由三部分组成，镜头、图像传感器以及压缩处理芯片，其中图像传感器是图像采集处理部分的核心。而网络高清摄像机的崛起无疑又是掀起一场波浪，随着监控行业的不断发展，传感器的发展也是日新月异，技术上更是推陈出新，传感器的选择也是成为网络高清一个重要的选择，CMOS和CCD传感器谁更适合网络高清也是一个值得商榷的问题。CCD传感器的使用是最广泛的，然而CMOS传感器在成本上还是给了CCD很大的压力，尽管CCD和CMOS在监控中有不同的优势，但CMOS工艺和技术的日趋成熟，以及高端CMOS的成本下降，网络高清摄像机的未来将会由CMOS传感器主导。镜头又分为固定光圈、自动光圈、自动变焦和自动变倍。

　　高清成像的关键部件及其功能

　　浙江大华技术股份有限公司(以下简称大华)研发经理梁文豪向笔者谈到从光学器件、传感器、ISP及图像编码这几个方面对清晰度的影响。


        光学器件

　　他认为，根据凸透镜折射原理，在成像面上会有一个焦点。在摄像机进行拍摄时，调节相机镜头焦点，使距离相机一定距离的景物清晰成像的过程叫做对焦。因为“清晰”并不是一种绝对的概念，所以对焦点前、后一定距离内的景物的成像都可以是清晰的，这个前后范围的总和就叫做景深。一般只有那些像位置恰好在感光器件位置上面的物体可以清晰的成像，而更近和更远的物体在感光器件上面都会形成一个弥散光斑，就是虚化现象。这个弥散斑的增大是逐步的，而感光器件的分辨率也是有限的，因此当弥散斑的大小比较小的时候，我们仍然可以认为它是清晰的。弥散斑直径是由通过镜头的最外面的光线决定的。如果遮挡外围的光线，必然压缩弥散斑的尺寸，这样焦点前后成像的可分辨范围就大。这就是光圈对于景深的作用原理。光圈越大，到达感光器件的光就更多，弥散斑就会更大，景深就小。镜头焦距、滤光片以及偏振镜都影响清晰度。对焦点越远，那么其成像越接近镜头，像接近镜头的时候，像之间的距离更小，从而弥散斑也更小，景深也会变大。故焦距最小，对焦点越远，景深越大。

　　传感器

　　传感感在摄像机系统中是非常重要的部分，它的主要功能是将光信号转换成数字信号，它的性能直接决定了图像质量的好坏。影响清晰度的几个主要方面是：分辨率、靶面大小以及宽动态。一般同样大小的分辨率传感器，靶面大的传感器在单位面积上像素点少，对图像中的高频成分区分度更高，故拍摄出来的图像也更清晰。宽动态摄像机在某些宽动态场景下发挥着重要作用，带宽动态功能的sensor能够将暗处和亮处的细节部分都能还原出来，这弥补了线性sensor的不足。宽动态sensor是将多帧曝光进行融合后输出，长曝光帧保留暗处的细节、短曝光帧保留亮处的细节。在ISP方面，摄像机中的ISP处理模块很多，也是一个非常重要的部分。其算法的优劣直接影响图像质量。其中对清晰度影响的模块主要有：曝光时间、坏点校正、降噪滤波、插值模块、对比度增强模块、边缘增强模块等。
　　

       在图像编码上对于高清摄像机而言，分辨率越高图像信息量越大，这样大量的图像信息不利于传输和存储，故需要将处理好的图像信号做编码压缩。由于有信息的压缩，所以图像编码对清晰度也会有损失。当视频中的码流设置的越小，压缩比越高，图像清晰度损失的越多。在高清摄像机图像效果里面，尤其是在光线比较微弱的低照环境下拍摄时，清晰度和噪点两者就比较难权衡，保留清晰度的同时噪点就会起来，否则噪点抹的太平滑清晰度就不够了。我们可以通过采用更大光圈的镜头，切换滤光片，采用更好的降噪滤波方法来抑制噪点的同时保证清晰度，采用更高的码流或者更好的编码算法来减少清晰度的损失。

　    浙江红苹果电子有限公司(以下简称红苹果)研发主任毛光辉介绍到，根据成像原理上不难看出，摄像机的清晰度，跟镜头、传感器、ISP密切相关，传感器尤为重要，目前市场上的图像传感器分为CCD和CMOS两大类，主要有Sony、Aptina、Omnivison等主流厂商供应。由于两者之间的构造不同，CCD采用电荷耦合传递方式输出，同一放大器进行信号放大，而CMOS则是每一个像素都有独立的放大器，所以在相同面积及相同像素点时，CMOS的感光面积要小于CCD，同时由于每个放大器放大系数不一致的原因，所以CMOS在低照度情况下，CCD效果会更好一些，CMOS躁点较大。此外由于CMOS传感器采用半导体最常见的CMOS工艺，可以轻易的将周边电路集成到芯片中，工艺较CCD简单，成本较低，并且随着工艺的提升，CMOS在高像素、信号处理速度上的优势逐渐体现，以及通过后端ISP对图像效果的提升，CMOS在高清监控领域越来越多的被应用在高清摄像机中。

　　后端ISP及编码芯片，用于处理前端传感器采集到的视频信号，直接影响到呈现给用户的图像品质，不同的ISP用来匹配不同厂商的图像传感器。早期后端芯片一般由ISP和接口芯片组成，ISP用于进行图像处理，处理后再进行压缩或编码处理，通过不同的接口输出给用户，一般有非压缩输出和压缩输出两种，在安防监控相机中一般有SDI高清摄像机和网络高清摄像机，SDI高清摄像机是采用非压缩方式的串行视频信号输出，网络高清摄像机是按照H.264/MPEG/MJPEG算法编码压缩并通过网络协议发送的视频信号输出。SDI因非压缩缘故，视频数据清晰度高，但带宽要求也高，传输距离有限，在高清监控刚发展阶段曾一度和网络高清产品竞争。随着网络高清的快速发展，网络高清已占据了大部分的高清监控市场，但在特定的应用场合，SDI还是具备一定的优势。

　　传感器尺寸

　　北京蓝色星际软件技术发展(以下简称蓝色星际)有限公司产品经理焦成平谈到，其实CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展，之前通常用于一些电脑摄像头、手机摄像头等对画质要求不高的电子产品等设备上，以至于CMOS成了低端的代名词。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素多等优点一直在之前主宰着图像传感器市场。

       高清监控摄像机中，图像传感器尺寸越大，感光面积就越大，成像效果就会越好。比如1/1.9英寸的200万像素的传感器效果通常好于1/2.8英寸的同像素产品。 (后者的感光面积只有前者的大约55%)。更大靶面的传感器，带来的通常是更好的低照效果，更好的像素宽容度，和像素密度。但是更大的传感器，同时带来的还有更加高昂的成本。

　　高清、超高清，如何表现?

　　高清的标准是视频垂直分辨率超过720P或1080i，视频宽纵比为16;9。而超高清分辨率是1080P的4倍。红苹果的毛主任还介绍到，百万高清度，是指网络摄像机清晰度的一个级别，一般是指百万及百万以上像素和720P/1080i/1080P以上分辨率的高清摄像机，主要是跟摄像机所应用的传感器有效像素数有关，另外跟摄像机输出的分辨率也有关，像素越高，分辨率越大，清晰度越高。而传统模拟相机因为是模拟信号，所以用扫描线来表达清晰度。目前在安防领域，百万成为高清的分水岭，市面上主流摄像机有百万像素、130万像素、200万像素、甚至到500万像素， 1280×720分辨率实际像素数为92万，从严格意义上讲未达到百万级别，所以也有人称之为准高清，而1920×1080分辨率200万画质才是被公认的高清图像。4K的分辨率有4096*2160和3840*2160两种，也就是超高清。前者主要用于数字电影领域。

        4K的摄像机在一些专用领域如智能交通道路监控，因为在需要较大分辨率的摄像机来监控多个车道的车辆情况，300万、600万像素的IP摄像机也不断得到应用，4K即800万像素甚至是1200万像素的IP摄像机也逐渐推出市场。除了前端以及显示设备，中间传输的光端机采用光纤传输，不必太担心分辨率的问题，因此原有设备便可支持4K的传输，那么就只剩下后端的解码设备和存储设备了。随着性能的提升，纵然现在的解码设备还不具备解码多路4K摄像机的能力，但集中力量解一路视频还是没问题的。另外，各大厂商已相继推出4K NVR产品，它能够接入4K分辨率的超清网络摄像机，在不进行缩放的前提下对4K图像进行预览、录像、解码回放和显示输出，这对于NVR来说也是一个新的高度

　　存储设备对网络高清的影响

　　对于监控系统中重要的环节存储来说，高清监控的应用也对其发展提出了相应的需求。面对高清监控更宽的数据传输带宽和更大的存储容量要求，高清监控系统采用高清网络摄像机作为监控点视频采集设备，这类设备的数据存储过程更多是经过网络传输数据，进而在其他专门的存储设备上实现数据的存储。高清监控带来更高清晰度画质的同时，随之而来的是编码流增大、同样的存储时间但存储数据量增大的压力，这就要存储设备能够基于高清监控码流的特性，高效、完整地实现视频数据的安全写入。随着网络高清监控的不断发展，存储设备需要满足视频信息所需的存储空间，要充分考虑到视频的访问特点，以及与数据库系统存储和文件服务系统存储的区别。

　　]蓝色星际的焦经理谈到，现如今，随着H.265技术的成熟，高清监控行业也正在悄悄的发生着改变。H.265相比264编码主要更新的内容包括：提高压缩效率、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送;H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送1080P(分辨率1920*1080)高清音视频传送。在H.265的影响下，安防行业厂家在今年陆续推出了自己的2K、4K甚至是8K的超高清晰度网络摄像机。

　　高清、超高清，未来如何发展

　　从行业发展趋势上，网络高清监控是必然趋势，目前网络高清监控产品(如：前端相机、存储、显示等)已经完善和成熟，未来的发展将重点将在智能化、云服务及终端应用等环节。自安防行业智能化的实现，为满足各行业的需求，安防产品会根据市场需求逐步的细分，安防产品也会逐渐趋向于多样化，根据不同的应用环境及应用场合(如：交通、社区、家庭、物联网)结合智能化的应用将产品进行细化，不再是原来的一套解决方案可以满足大部分的需求。

　　2014年前，高清监控产品受价格、带宽、标准及老系统的影响，大部分企业市场并没有达到预期值，但随着技术的突破，高清监控已进入快车道，后续发展必将是由现有市场的快速膨胀，并向多样化方向延伸，重新占领新市场的发展方向。

　　目前H.265标准的推出，将网络高清监控推向新的高点，为高清及超高清产品的推广奠定了一个基础，形成可持续发展的道路，同时应对编解码芯片和相关产品会得到一个快速发展的空间。回首已经过去的2014年，高清图像的分辨率从主流的720p发展到1080p。未来的高监控市场，将会是1080P占据市场主导地位，4K/8K主攻高端市场。同时随着整体成本的下降，高清监控将逐步普及到民用及家用市场中去。

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