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2021-04-09
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从以往PC板卡发展到今天的嵌入式系统，监控产品变得越来越专业，集成度也越来越高。压缩规格已经从JPEG、MPEG2、MPEG4发展到H.264，压缩效率越来越高，这表明同样的带宽能传送更高质量的画面。监控产品的分辨率则从CIF、D1、720p向高清1080p转换，甚至可能更高，这说明人们对画质以及清晰度的追求更上一层楼。除此之外，监控影像也逐渐从模拟转向数字信号，系统从封闭转向开放式与网络化，从非实时（低于每秒25或30帧）转向实时，甚至每秒50或60帧的影像质量。
恩智浦半导体（NXP）的ASC8851就是一款专门针对高清实时网络摄像机（IP camera）而设计的高集成度、单芯片解决方案，它提供了网络摄像机所需的功能，可以直接采集从CMOS影像传感器得到的原始数据（raw data）影像，经过影像的优化处理，包含各种ISP功能（数字影像处理，包含3A），压缩之后再通过网络传送出去。
数字网络摄像机采用的技术
能力，嵌入式ARM与Linux系统的程序设计能力是必备的；此外，如网络通讯、影像压缩等在以往的DVR、DVS产品中的重要功能也必不可少；由于网络摄像机整合了前端影像输入，因此以往由模拟CCTV产品处理的镜头及传感器影像质量问题（含对焦、光圈、快门、增益等），都成为网络摄像机制造商所需要面对与解决的问题。
数字网络摄像机遇到的难题
如图1所示，网络摄像机系统可以大致分为前端的影像传感器与后端的影像处理IC（ISP+视频编码/视频流）。对于ISP部分，有的与前端传感器整合在一起，有的是独立的ISP芯片，而恩智浦方案目前为集成进单芯片的后端影像处理IC。以下是数字网络摄像机目前面临的一些主要问题：
选择CCD 还是CMOS传感器：以往的CCTV通常都是采用CCD传感器，但是在高清数字摄像机领域里，CCD通常达不到在百万画素以上输出每秒25或30张的画面，即使有单价也非常高。CMOS传感器可能将是高清实时摄像机（尤其是200万像素）的主流，现在各家CMOS传感器各有千秋，选择时需要厂商费一番心思。
颜色和画质的表现：消费者习惯CCD传感器在颜色和画质上的表现，该领域过去由少数CCD传感器厂商控制。转换到CMOS传感器时，需要进行一番调整才能符合大部分消费者的喜好。
低照度下的噪点：以往CCD在低照度下的噪点比CMOS要来得好，现在，新的背照式CMOS传感器技术正逐渐改善这个弱项，甚至可以超过CCD的表现。但CMOS传感器又对热相当敏感，需要厂商对热进行隔绝以及在散热机构上做妥善处理。
WDR（HDR）、宽动态、高反差画面下的表现：随着消费者的要求越来越高，对网络摄像机在高反差画面下的表现越来越重视。这可以分别从前端传感器以及后端的影像处理两方面来改善。传感器方面，可以用两次曝光的方式，也可以将所有像素分成长、短曝光两部分，分别取得亮处和暗处的细节，再迭加成一张同时具备亮暗处细节的影像。
像素高低、实时压缩、多码流以及功耗：由于H.264的压缩运算量较大，已经很少有人使用纯DSP来做高清网络摄像机的应用。目前的主流都是使用纯ASIC或用DSP加ASIC硬件压缩加速引擎来实现，在1080p（200万像素）高清分辨率下，不见得每家都能做到实时每秒25或30张的压缩，同时又要兼顾到其它分辨率的子码流输出。不同压缩格式以及不同分辨率的子码流是必要的，因为一些配套设备，解不动高清高码流的视频流，而为了跟以前及现有的监控设备兼容，可能也需要压缩其它格式（MPEG-4或是Motion JPEG）及较低的分辨率与码率。最后，由于繁杂的运算量可能会使芯片的功耗上升，而网络摄像机的应用环境很多，尤其是有些户外的机种需要在太阳曝晒下使用，为了不使设备过热而出现不稳定，功耗也是重要的考虑因素之一。
恩智浦ASC885x解决方案的优势
1.数字化、网络化、低延迟时间
数字网络摄像机是监控业界的新方向，以往的模拟图像信号需要连接许多缆线，而数字网络摄像机通过以太网把摄像机全部连在一起，能传送更长的距离，同时不会因为距离而影响影像的质量，并且更容易和广大的互联网相通，以传送高清高画质的影像。
数字网络摄像机通过IP网络传送影像，主控芯片需要能够以低延迟时间压缩并提供优质的影像水平。
2.丰富的接口，完整的功能
恩智浦的方案带有PCI-e、SPI、USB接口，可以扩充支持SATA硬盘及无线网络等外围设备。除了可通过网络传送画面，也支持通过HDMI或HD-SDI（HD-CCTV）的方式传送实时影像，客户可以实现双模的高清摄像机。另外，恩智浦的方案还具有硬件的码流加密功能。
3.清楚而流畅的画面，功耗更低
恩智浦ASC885x系列中目前最高端的ASC8851芯片，可以达到1080p每秒45张的H.264压缩效果（High Profile L4.1）。仅用一颗芯片，用户就可以实现1080p加上720p子码流的双实时编码，或8路D1的实时压缩。也可以实现720p每秒60张的流畅视频，还有机会做到3百万像素每秒25到30张的超高清实时网络摄像机。而且恩智浦ASC8851芯片的功耗比之前产品更低（低于1.4W）。
4.高集成度、低技术门槛的方案
由于ASC885x包含ISP模块，不需要外置的ISP芯片，因此客户在前端传感器的选择上更广泛。恩智浦已经支持多款主流传感器，不需要额外的授权与开发费用，客户就可以获得整合与优化过的传感器驱动，而且只需花费较少的精力就可以达到不错的效果。恩智浦还提供软硬件参考设计，签完保密协议与网上注册通过后，客户可以免费下载芯片数据手册、软件开发套件、硬件设计线路图及获得技术支持等。
本文小结
高清网络摄像机是目前监控产业的趋势，更高分辨率、更流畅的画面（更高帧率）是必然的走向；随着该应用越来越普及，消费者对画质的要求会越来越高。在标准化方面，兼容与互通性上将来也会变成必需条件，目前 ONVIF与PSIA兼容规范各有支持者，产品开发商需要留意未来的走向。除此之外，在智能分析检测上的应用，也会随着时间推移逐渐成熟完备，恩智浦在这方面也有妥善的规划，在不久的将来将会发布。
作者： 陈尔泰
恩智浦半导体 产品应用工程师
(mbbeetchina)
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