浙江红苹果电子有限公司 研发主任 毛光辉
百万高清晰度成像的技术原理
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。
从成像原理上讲，其实跟传统的模拟相机基本一致，图像通过镜头传递到传感器上，通过传感器感光后产生电信号，再通过ISP(Image Signal Processing)图像处理，中间辅以3A专用电路进行曝光、光圈和聚焦等处理，最后进行按照特定的接口进行编码输出。
大家在市场上经常会看到一些，高清200W，或高清1080P的宣传，这时候有部分人就有点晕了，那高清的标准应该是什么呢，这里要注意一个误区，单纯的200W或1080P并不能完整的代表实际图像的清晰度，实际图像的清晰度需要经过专业的测试才能够准确的判断。比如：使用一百万的传感器，后面通过芯片放大至1080P进行编码，那么实际输出的图像是无法达到200W的效果，反之将一个使用二百万传感器的摄像机配置为720P输出，那么输出的图像也同样不能够达到200W的效果。
所以，在实际应用中要求图像传感器实际像素数和最终输出分辨率都达到所对应清晰度以上标准才能实现所需要的清晰度。
百万高清清晰度对芯片和传感器要求
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。
在早期应用方案中，ISP一般由厂商在FPGA或DSP芯片上自主开发，或选择专用ASIC，主要有SONY等主流传感器厂商以套片的方式提供，随着行业的发展，Nextchip、Pixelplus等厂商也推出相关ISP芯片。ISP芯片主要搭载自动曝光、自动聚焦、自动白平衡电路，用于对图像的线性纠正、噪声去除、坏点去除、边缘加强、白平衡、自动曝光控制等，使图像更能接近真实的效果，所以ISP算法的优劣对图像的质量影响是至关重要的。
后端接口芯片，在上文中提到一般有非压缩输出和压缩输出两种，非压缩输出一般不会造成图像质量的下降，而压缩输出的摄像机，会根据压缩算法及压缩比，对图像造成不同程度的失真。市场上常见的压缩编码类SOC有TI、Hislicon、NXP、Ambarella等厂商。
随着技术的发展，大部分厂商已经将ISP及压缩编码融合在一起，形成单芯片解决方案，甚至还集成了智能分析的应用，如运动检测、人脸识别、越界报警、自动去雾等功能，大大降低了高清摄像机的开发难度和BOM成本，这也是促进高清监控发展的关键因素。
不同英寸的传感器对高清晰度有那些不同的成像效果和影响
图像传感器的尺寸，是指图像传感器对角线的长度，尺寸越大代表图像传感器面积越大，在同样工艺下，面积越大，内部所集成的像素数越多，其所能提供的画面分辨率也就越高，图像就越清晰。例如：常见的1/3英寸，尺寸比为4:3的图像传感器，感应区域对角线长6mm，宽4.8mm，高3.6mm。
另外大家知道，外界光线是通过镜头映射在靶面(图像传感器)上，再经过转换形成电信号，那么在同样环境下，靶面越大，预示着摄像机的视角越大，反之则越小。
随着高清晰度的提升，对图像传感器的像素数越大，为保障帧率不低于24或30帧的情况下，单位时间内处理像素数需要增加，表示处理速度需要提升，那么对于图像传感器的要求更高。CCD的信息采集方式，是以行为单位，串行读取的方式，而CMOS传感器可以同时读取所采集到的电信号，速度上比CCD要快很多，所以在高清监控中CMOS的应用较为广泛。
CCD因技术起步早，技术成熟，成像质量上相对CMOS传感器有一定的优势，但成本也较高，所以在高端相机及摄像机上还是不可被替代的，日常应用中的数码相机及广电级摄像机都采用高分辨率CCD图像传感器。特别是广电级摄像机采用高分辨率CCD，配备3CCD摄像机，利用3个CCD分别采集3个色度信号，最后通过合成从而达到高清晰度的图像效果，当然价格也是较为昂贵的。
高清晰度监控摄像机应用，网络高清监控未来发展的前景
红苹果电子是最早进入高清监控的厂商之一，自2009年首先推出高清矩阵产品，在连续几年的发展中，我们投入大量的精力进行高清产品的研发，见证了高清监控的成长历程。在整个高清监控发展过程中，由准高清到高清，甚至到4k的应用，由FPGA/DSP等到高集成化的单芯片解决方案，由高成本到低成本，由自定义到标准化，由单一产品到整套解决方案，标志着高清监控在安防行业中的发展成熟。
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。红苹果高清监控各系列产品也紧跟高清发展步伐积极进行产品升级换代，目前PM70高清数字矩阵、PE5128网络高清数字键盘等产品已经站到了高清最前沿，期待大家有机会切身感受红苹果数字全高清视频监控的完美体验!
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