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基于ASC8851的数字网络摄像机设计

导读: 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。

  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

  单片机设计能力,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。

  

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