CMOS圖像傳感器推動商業IP攝像機網絡

前言

商業安全行業為這個領域的設備和技術公司提供了一個日益增長的市場機會。最近發生的事件(如9.11恐怖襲擊事件)以及技術進步已經使安全成為更重要的事情，使安全置于企業IT部門的領導之下，并且讓安全技術進一步脫離開始時的模擬格式向全部數字格式轉變。隨著安全水平的提高和使用包含更多攝像頭的更昂貴的安全系統，人們需要這種系統是基于網絡的(實現遠程無線監視)、智能的、更容易安裝和維護。要滿足這些需求，基于IP(互聯網協議)的系統將成為更誘人的和可行的安全攝像機解決方案。

影像技術最近幾年的進步已經吸引一些競爭的技術進入這個領域。從歷史上看，商業安全攝像機過去完全依靠閉路電視及其CCD影像技術。因此，用戶經常遇到(并且不得不應付)CCD技術固有的分辨率、動態范圍和溫度等方面的限制問題。在這里，圖像傳輸是通過同軸電纜傳送到模擬錄像機的模擬信號。當數字視頻錄像機開始商業應用的時候，存儲和提取視頻錄像的功能增強了。但是，數字視頻錄像機的物理接觸范圍仍受電纜的限制。要超越閉路電視的限制和保證下一代安全技術，安全影像系統正在發展成為基于IP的技術。有許多安全提供商目前正在認真考慮IP和無線安全攝像機系統。

這種日益向IP攝像機系統發展的趨勢是以CMOS(互補金氧半導體)圖像傳感器為基礎的。CMOS圖像傳感器是目前取代CCD技術的一種可行的替代技術。本文主要介紹為什么基于CMOS圖像傳感器的IP攝像機系統將很快成為商業安全應用的技術選擇。我們還將提供一些總的看法，在商業安全監視方面從基于CCD的閉路電視系統轉向基于CMOS的IP系統的理由，如整個系統成本較低、耗電量低和顯著提高CMOS傳感器性能等。我們還將重點介紹CMOS傳感器技術對住宅安全市場產生的影響。

IP攝像機系統概覽

IP攝像機(或者說網絡攝像機)是一種能夠獨立運行的設備，能夠讓人們通過標準的網絡瀏覽器在計算機網絡的任何地方都能看到實時的、全動態視頻。IP攝像機在電路板上配置了處理器和網絡服務器軟件，視頻輸出能夠記錄在網絡中的任何硬盤上。IP攝像機不需要使用價格昂貴的同軸電纜線。

IP攝像機的安裝并不是沒有挑戰的，因為它需要處理一個動態的IP地址。由于長期依賴現有的基礎設施、工程、布線和設備的閉路電視技術，在有充分的理由采用IP攝像機之前，企業和IT部門對于淘汰這些老式系統總是有些猶豫不決。包括配置發送端口在內的一些安裝步驟有些復雜，需要進行技術培訓。發送端口通過把攝像機使用的網絡端口發送到互聯網上實現對攝像機的遠程訪問。要完成這個任務，需要內置IP攝像機的路由器IP地址。考慮到IP地址的動態性質，這對于安裝者是一個難題。

在向完全基于IP的系統過渡的過程中，一個臨時的替代方法是把視頻服務器連接到IP網絡，然后把模擬攝像機信號轉換為數字格式，從而保護老式的系統。在這種情況下，視頻服務器包含處理器和軟件。這樣，這個攝像機就有了IP地址，并把閉路電視攝像機變成了IP攝像機，這僅需要計算服務器的額外開銷。閉路電視系統通常包含一個連接到電視系統或者錄像機的模擬攝像機。這個信號不是公開發布的，而是限制在一個很小的地方，如一個商店、辦公樓、倉庫或者學校。圖1是一個把有線和無線攝像機連接在一起用于現場監視或者遠程監視的無線IP攝像機網絡解決方案的例子。



住宅安全市場

在住宅安全市場，系統價格、尺寸和功能的方便性是重要的差異化因素。CMOS傳感器技術在這個市場已經占有了重要的一席之地。OmniVision客戶包括大樓門衛監視和人身/房間監視在內的許多安全解決方案。這些解決方案主要是中國企業生產的，并且已經開始商業性銷售。此外，還有不需要IP路由器的、為家庭應用設計的多攝像機系統的參考設計。OmniVision于2007年3月在拉斯維加斯舉行的ISC West展會上發布的Home SecuCam產品(如圖2所示)就是住宅安全市場可能上一個典型的應用例子。



Home SecuCam為使用OmniVision公司的OV7720 CameraChip傳感器的MPEG 4視頻系統提供了一個安全攝像機解決方案，并且是第一個使用805.15.4/Zigbee無線網絡上的視頻的產品。Home SecuCam(家庭安全攝像機)可以作為一個集成的安全監視方案，通過各種協議(包括無線和移動網絡以及其它即將出現的無線技術)實現節省成本的音/視頻家庭安全。用戶將很容易采用這個解決方案來滿足個人的需求。這個解決方案的安裝不需要專家的知識，運行的耗電量很低，使用電池就可以保持幾個月的待機狀態。這個解決方案最多可擁有16個頻道，支持覆蓋多個區域的多臺攝像機，并且很容易串聯在一起，在更大的區域覆蓋更遠的距離。

CCD與CMOS在商業安全應用中的對比

雖然系統價格、尺寸和使用/功能的方便性是住宅安全市場重要的差異化因素，但是，相比之下，商業市場總是由性能占統治地位的。因此，商業影像解決方案必須耐用，能夠承受高溫并且能在照明條件差的情況下正常工作。這個市場要繼續發展，技術必須要改善。隨著像素尺寸繼續縮小，攝像機的像素和敏感度必須提高。

在過去的幾年里，CMOS技術已經得到了發展。隨著耗電量和成本的下降以及像素的增大而出現的性能和敏感度的顯著改善，CMOS技術已經開始了入門級的商業安全應用。CMOS圖像傳感器把電路集成在一個采用緊湊型設計的單個芯片上，因此，攝像機體積比CCD系統中的攝像機要小一些。此外，CMOS圖像傳感器的耗電量僅是CCD圖像傳感器的十分之一。當在目前的大型安全網絡上使用多個圖像傳感器的時候，這個優勢可以節省許多錢。還有，CMOS圖像傳感器生產成本較低，一般來說銷售價格也比較低，從而降低了整個系統的成本，這就意味著進一步為廠商節省成本。

從傳感器性能方面看，CCD和CMOS圖像傳感器之間的差距已經極大地縮小了。因此，新的一批基于CMOS的攝像機已經開始投產并且進入中、高級水平的應用。商業監視設備的復雜性是這種新一代基于CMOS的系統日益流行的原因。這種設備重點是尺寸、低耗電量、支持智能化、安全和能夠隨時隨地輸出視頻。

CMOS的發展

要理解CMOS為什么將進入商業安全監視應用這個廣闊的領域，完全理解CMOS為什么可行是很重要的。技術進步是以多個行業的應用和對CMOS芯片的積極需求為基礎的。從奔騰處理器到基帶芯片，CMOS已經成為制造工藝技術的選擇。在僅僅7年的時間里，CMOS工藝已經從0.8微米發展到0.18微米、0.13微米、以至90納米和65納米。從800納米到65納米的發展幾乎等于把尺寸縮小了15倍，從而顯著提高了性能。

CMOS的優勢包括高集成密度、高性能、低耗電量和低成本。與CCD圖像傳感器不同，CMOS圖像傳感器在一個芯片上同時具有模擬和數字兩種屬性，能夠適應廣泛的溫度范圍，可提供隨機像素存取和與復雜的電路共存。CMOS能夠向商業安全桌面提供高性能、紅外線功能和嵌入在流程中的高動態范圍。目前，CMOS傳感器已經能夠完成70%的CCD傳感器能夠完成的高端的安全監視應用。這個數字在未來的12至18個月將提高到100%。

CMOS還具有改善的像素設計的特點。由于工藝的改善，目前的像素具有噪聲低(也就是干擾較少)，需要的電流少和具有更好的敏感度等特點。CMOS工藝是以晶體管技術和像素中的晶體管為基礎的。晶體管數量越多，像素上獲得的亮度就越好。目前，最多配置7個晶體管，每一個晶體管都有從模擬向數字轉換的功能。實際上，每一個像素現在就是一臺攝相機。像素尺寸在幾年前還是9 x 9微米。這個尺寸在短短的幾年里已經縮小到了我們在OmniPixel2技術中看到的2.2微米。現在，這個行業正準備邁向1.4微米，在保持質量水平的同時進一步縮小尺寸。由于圖像處理技術的進步，數字噪聲也在降低。無噪聲的像素極為重要，小像素的CMOS傳感器的性能已經大幅提高。

CCD的局限性

CCD圖像傳感器過去曾經提供高性能的成像和靈活性，不過，為了容納昂貴的多芯片解決方案，系統需要足夠大的尺寸。過去，CCD圖像傳感器的光敏感度比上一代CMOS傳感器要好得多。光敏感度越高，在照明條件差的情況下的圖像質量就越好。然而，明亮的物體對于CCD技術來說是一個問題，導致在顯示屏上造成人們稱作“污點(Smear)”效應的垂直線條。

CCD還很復雜，是以非常專業的處理為基礎的。商業安全攝像機應用需要高動態范圍(HDR)，也就是能夠在各種照明條件下記錄范圍更廣的色調細節。在此之前，由于技術原因監控系統幾乎完全依靠CCD傳感器。因此，用戶必須要應付CCD傳感器固有的分辨率、適應范圍和溫度等局限性。這些問題在安全應用中是極為重要的。當尺寸和耗電量變得很重要時，多芯片解決方案與高度集成的單芯片解決方案相比總是處于劣勢。考慮到平衡，CMOS傳感器(如OmniVision公司的OV10620 CMOS傳感器)，提供了更好的高動態范圍性能，而且在安全應用中使用CMOS的實例也在繼續增加。圖3顯示了使用高動態范圍芯片和非高動態范圍芯片有多大的區別。這對于安全市場的積極意義是顯而易見的。圖3a和3b顯示高動態范圍傳感器提供的差別。

CCD還需要一個定時發生器，驅動配置多個時鐘發生器，從一個芯片到另一個芯片計算路由延遲和潛在的性能下降。不過，CCD處理過程本身就是獲取數據然后用模擬信號格式把這個數據作為原始數據發送出去。

結語

在商業安全市場，能夠最好地把解決方案集成到耐用、智能和高性能系統中的技術和公司將保持領先的地位。

雖然商業CMOS傳感器的現場應用還比較新，但是，商業CMOS傳感器正在耗電量、系統成本、溫度范圍和尺寸等屬性的基礎上取得實際的進展。技術的成熟現在提供了CMOS傳感器不久前還沒有的許多功能。借鑒CMOS技術對家庭安全市場已經產生的影響，我們堅定地認為是CMOS技術，而不是CCD技術，可以實現，基于單片機的可編程數字攝像機，并且最終在商業安全市場獲得重要的大量應用。