安防视频监控系统前端摄像机——DSP与SOC摄像机



一、DSP摄像机

DSP(Digital Signal Processing)即数字信号处理,它是利用数字计算机或专用数字信号处理设备,以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等加工处理,借以达到提取有用信息、便于应用的目的。DSP芯片是一种特殊的微处理器,它就是根据数字信号处理理论的数学模型和算法,设计出来的专门的数字信号微处理器芯片。计算程序全部“硬化”,数字滤波器所需要的其他设备也全部集成、硬化,如加法器、存储器、控制器、输入/输出接口,甚至其他类型的外部设备等。由于有了DSP芯片,才出现了DSP的新型摄像机。这种摄像机的主要特点是,在摄像机内部的电路采用了大规模数字信号处理集成电路(DSPLSI),并且由微处理器对系统的状态进行检测与控制,因此其稳定性、可靠性、一致性等都大大提高。许多在模拟信号处理器中无法进行的工作,都可以在数字处理中进行,如二维数字滤波、数字动态图像检测、数字背景光补偿、肤色轮廓校正、细节补偿频率调节、准确的彩色矩阵、精确的丫校正、自动聚焦等。摄像机有了DSP,能大大提高图像的质量。此外,通过数字设定,可进行画面格式变换,还可均衡调节各参数值,把摄像机之间的差别缩减到最小。DSP彩色摄像机,还能方便地输岀亮度信号与色度信号分离的视频信号(简称Y/C信号或S-Video信号)。

DSP技术不仅使摄像机在性能上获得优势,而且缩小了体积,节省了零件及装配时间,从而降低了成本。目前,TI公司的DSPTM320C6X芯片的处理速度已高达2000M1PS以上,这正好是网络摄像机等视频产品所需要的。

随着现代科学技术的发展,随着视频监控系统向数字化、网络化、集成化、高清化、智能化的发展,监控用的摄像机最终也必须智能化。下面先简介一下提高图像质量型的DSP摄像机,能检测识别预/报警型的智能DSP或SOC摄像机也将在后面的文章中介绍。

DSP彩色CCD摄像机的组成原理框图如图1所示。

图1 DSP摄像机的组成原理

由图1可知,当时钟脉冲信号产生行、场驱动及转移控制等脉冲驱动CCD工作时,CCD将所摄取的光学图像转换为时序的视频信号输出,经相关双取样及保持电路并进行低通滤波和自动增益控制放大该模拟信号。由于要进行DSP处理,必须将此模拟信号进行A/D转换,然后将此数字信号通过微处理控制器控制进行亮度和色度处理以及自动电子曝光和自动白平衡控制等(图中从A/D到D/A方框为DSP处理部分)。虽然自动增益控制,以及Y校正是在A/D转换前,但其控制电压和补偿信号是根据数字部分检测决定的,因而也可以调节得很精确。由于亮度与色度信号分开处理,且采用了二维数字梳状滤波最大限度保留亮度信号高频成分,并减小了亮度信号对色度信号的串扰,因而其图像质量比一般的CCD摄像机的高。亮度信号Y和色度信号C可数字输出,也可经过D/A转换而模拟输岀。但是,分开输出的Y与C信号,还需输入一个如图2所示的Y/C混合电路混合后,再经视频放大器输出。

图2 Y/C合成电路

这样,才能使输出的模拟视频信号与电视监控系统的其他模拟视频设备(如监视器等)进行直接连接。

相对于模拟摄像机,DSP摄像机能方便地使用一些改善图像质量的新技术。通过数字信号处理技术,可以获得许多模拟信号处理难以实现的效果。一般,提高图像质量型的DSP彩色CCD摄像机,采用了如下的几种技术。

(1)数字2H增强技术。采用数字2H增强技术,可以有效地增强视频信号的水平和垂直边缘,从而获得边缘分明的清晰图像。图3为2H增强技术示意图。

由图3可看出,在采用了2H增强信号与视频信号合成后,就可使视频信号的边缘部分得到增强。

图3 2H增强示意图

(2)数字拐点技术。数字拐点技术可以有效扩展视频信号的动态范围,这样在拍摄高亮度景物时,不致于使图像的高光部分被白色完全淹没。图4为数字拐点技术示意图。

图4 数字拐点技术示意图

由图4可看出,用模拟摄像机拍摄高亮度景物时,其图像的高光部分就被白色完全淹没。通过数字摄像机的数字拐点技术,可对图像高光部分进行压缩,从而使这部分的图像细节能够显现出来。

(1)数字背景光补偿(Digital Back-light Compinsation),背景光补偿亦即逆光补偿,在松下的一些CCD摄像机中,均采用了自适应型的数字背景光补偿技术。这种技术与常规的逆光补偿技术相比,是这里采用了数字检测与数字运算技术,因而可获得很好的逆光补偿效果。

这种数字背景光补偿的原理是:将摄像机摄取的整幅画面平均分成48个(即8x6块)正方形的小处理区域(如台湾敏通公司的M88DSP处理器就是这样),并对每一个小块的平均亮度进行检测,如果这些小块的平均亮度差别过大,则通过先进的算法缩小这些小块的亮度差,使过暗的景物能够较为清晰地重现,而又不致于使图像亮部区域出现过载。因此,采用这种智能化的数字检测技术,即使很小的薄的或是不在画面中心区域的景物,也能够清晰地在画面上呈现出来。

(2)数字自动跟踪白平衡(Digital Auto Tracing White Balance)。数字自动跟踪白平衡技术能够自动跟踪画面上的白色,对系统进行白平衡调整,因而它能够明显改善彩色图像的重现效果。

数字自动跟踪白平衡的原理与上述的背景光补偿技术类似,它也将摄像机摄取的一整幅画面平均分成48个小块,并检测这些小块中是否有白色,即使画面上有很小的一块白色,摄像机也能够自动跟踪它,并以它作为基准对系统的白平衡进行调整,使重现的图像绚丽多彩。例如,松下等彩色摄像机,就采用了上述的数字自动跟踪白平衡的技术。

(3)数字动态展宽(Digital Wide Dynamic Range),一般摄像机摄取宽动态范围的场景时,画面上可能会同时出现明亮区域及灰暗区域。例如,明亮区域显示合适时,灰暗区域则可能过于黑暗;反之,当灰暗区域显示合适时,明亮区域则可能亮得过载。数字动态展宽技术可有效地缩小宽动态范围图像的亮暗差别,使两个区域的图像同时在监视器屏幕上清晰地显示出来。

数字动态展宽技术的基本原理是,采用双速CCD图像传感器,能在同一时间内对摄取的场景分别进行长短不同时间的曝光,将此信号输入专用的图像处理集成电路中,通过变换、合成、校正等处理而输出扩展了40倍动态范围的清晰图像。例如,松下WV-CP460系列DSP摄像机中,采用了两组AGC电路及一些增强与降噪等处理技术,使摄像机的动态范围进一步获得大幅度的提高。有关原理,可参阅本章最后一节中的超高动态摄像机。

(4)数字自动聚焦(Digital Self-regulation Focus)。在快速球与设置在云台上的一体化摄像机中,一般都需要自动调焦系统。尤其在高速球中使用时,其自动聚焦的速度最好不超过1s,当监控场景的距离相差太大而超过景深范围时,尤为需要。因此,快速地自动聚焦的软件算法的选择与光圈等的控制配合就非常重要。

自动聚焦的方法很多,目前一体化摄像机中大多采用图像处理法。

(5)电子灵敏度增强(Electronic Sensitivity Up)与数字降噪(Digital Noise Reduction)。―般,普通摄像机的AGC打开时,虽可以提高其感光的灵敏度,但干扰噪声也相应地放大,从而使监视器屏幕上显示的图像充满杂乱的噪点。而采用电子灵敏度增强及数字降噪技术,可使重现的图像清晰可辨。例如,松下的WV-CP610彩色摄像机中,在使用电子灵敏度增强及AGC技术提高其灵敏度的同时,还应用数字降噪技术降低其图像的噪点,它不仅可使摄像机的灵敏度提高32倍,还能提高重现的图像的质量。

数字降噪方法不少,如由帧间积分平均器组成的数字式杂波降低器已有商品出售,其最大信噪比的改善可达15dB。

(8)屏幕菜单显示(On-Screen Display,OSD)。由于DSP摄像机的功能不断增多,而这些功能又必须通过设定才能奏效,因此通过监视器屏幕上的菜单显示,对摄像机的工作状态进行设定,可以为使用者带来极大的方便。

一般,新型的DSP摄像机除了OSD功能外,还内置可以独立设定的ID识别码,这对于具有数百台以上摄像机的大型视频监控系统来说,显得尤为重要。例如,松下公司的WV-CP610系列摄像机的屏幕菜单可调整摄像机的1D码、ALC/ELC.背景光补偿、电子快门速度、自动增益控制、电子灵敏度增强级数、同步方式、白平衡、数字动态展宽、数字运动检测、数字降噪,以及色彩、基准电平、孔径电平等参数。这种调整除了可通过WV-CP610摄像机后面板上的5个按钮(WV-CP654的5个按钮在摄像机机身侧面的盖板内)来完成外,还可通过中心端的摄像机遥控器WV-RM70来完成。这里,WV-RM70与WV-CP610的通信并不需额外的连接线,而是直接通过视频同轴电缆以多工方式来实现。WV-RM70还可以进一步通过其RS-485接口与普通的PC相连,从而也可通过计算机对系统进行设置。

二、SOC摄像机

大家知道,IC(Integrated Circuit)出现于20世纪70年代,属于功能芯片;后十年左右出现了ASIC(Application Specific Integrated Circuit),即具有某种特定功能的集成电路,如立体声解码、维特比纠错芯片等,属于专业级芯片;到90年代后出现了直接使用系统芯片开发产品,即呈爆炸性发展的SOC,属于系统级芯片:再后至21世纪初SIP(System In Package),MCP(Multi Chip Package)已出现在越来越多的场合,即针对产品开发产品芯片,是SOC的一种延伸。SOC是System-on-Chip的缩写,称为系统级芯片或片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。

SOC芯片是具有多处理器核心的单片集成系统,其中集成有CPU主处理器,所集成的核心既可以是ASIC类的硬核,也可以是DSP或协处理器类的软核,甚至也包含其他的专用处理子系统,且集成有丰富的外设。由于SOC是面向特性应用的片上系统,结合硬件加速等技术可以实现H.264的高复杂度等算法运算,并可针对视频编码方面进行优化,以实现最优化效果。SOC芯片从2006年开始就在视频监控设备中得到应用,它经历了CPU+DSP到CPU+ASIC的发展过程。CPU+ASIC在近几年给DSP市场带来了冲击,它把视频编/解码算法固化在芯片内,集成丰富的外围接口,并通过提供完善的开发工具,极大地降低了DVR、DVS、IPC(IP Camera)等监控设备开发门槛。下面简介我国海思半导体的SOC芯片摄像机。

2006年,海思推岀的SOC芯片Hi3510就集成了H.264编/解码、强大的网络功能和丰富的接口扩展,极大地节省了IP Camera整机BOM成本,带动了监控前端设备一体化进展。目前,已出现完全一体的IP Camera,它集成了高灵敏度的图像传感器、灵活的云台功能、高效的H.264视频压缩标准、强大的网络功能。国内已有终端厂家推出了一体的IP Camera并投放欧美市场,其精致小巧的外形深受欢迎。海思半导体的单片Hi3512在高清IP Camera中应用的板卡解决方案如图5所示。

图5 单片Hi3512在高清IP Camera中应用的板卡解决方案

这种网络摄像机方案的特点是:

•2MPixels@15fps或1.3MPixels@30fps;

•高清720P@30fps+QVGA@30fps;

•DI实时MJPEG/H.264双码流;

•双向语音对讲+回波抵消;

•PC端600fps高性能H.264解码库等。

由于CCD和CMOS高清网络摄像机竞相推岀,各厂家都有自己的接口标准,即使表面上物理接口是一样,但内部数据都不同,因而需要与图像传感器原厂对接,所以在百万像素级传感器还没有统一数字接口时,其编/解码芯片是必须要考虑的。例如,海思半导体的第3代产品Hi3515和Hi3520,就把SONY的720P CCD这种原来需要CPLD转接的接口直接定义到了芯片里面,由于该CPLD的实现需要SONY原厂提供帮助,这样就直接帮助一些客户解决了原来不可获取的问题,同时每台百万像素网络摄像机都可以节省一颗CPLD本身的成本。

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