CMOS图像传感器推动商业IP摄像机网络

前言

商业安全行业为这个领域的设备和技术公司提供了一个日益增长的市场机会。最近发生的事件(如9.11恐怖袭击事件)以及技术进步已经使安全成为更重要的事情，使安全置于企业IT部门的领导之下，并且让安全技术进一步脱离开始时的模拟格式向全部数字格式转变。随着安全水平的提高和使用包含更多摄像头的更昂贵的安全系统，人们需要这种系统是基于网络的(实现远程无线监视)、智能的、更容易安装和维护。要满足这些需求，基于IP(互联网协议)的系统将成为更诱人的和可行的安全摄像机解决方案。

影像技术最近几年的进步已经吸引一些竞争的技术进入这个领域。从历史上看，商业安全摄像机过去完全依靠闭路电视及其CCD影像技术。因此，用户经常遇到(并且不得不应付)CCD技术固有的分辨率、动态范围和温度等方面的限制问题。在这里，图像传输是通过同轴电缆传送到模拟录像机的模拟信号。当数字视频录像机开始商业应用的时候，存储和提取视频录像的功能增强了。但是，数字视频录像机的物理接触范围仍受电缆的限制。要超越闭路电视的限制和保证下一代安全技术，安全影像系统正在发展成为基于IP的技术。有许多安全提供商目前正在认真考虑IP和无线安全摄像机系统。

这种日益向IP摄像机系统发展的趋势是以CMOS(互补金氧半导体)图像传感器为基础的。CMOS图像传感器是目前取代CCD技术的一种可行的替代技术。本文主要介绍为什么基于CMOS图像传感器的IP摄像机系统将很快成为商业安全应用的技术选择。我们还将提供一些总的看法，在商业安全监视方面从基于CCD的闭路电视系统转向基于CMOS的IP系统的理由，如整个系统成本较低、耗电量低和显著提高CMOS传感器性能等。我们还将重点介绍CMOS传感器技术对住宅安全市场产生的影响。

IP摄像机系统概览

IP摄像机(或者说网络摄像机)是一种能够独立运行的设备，能够让人们通过标准的网络浏览器在计算机网络的任何地方都能看到实时的、全动态视频。IP摄像机在电路板上配置了处理器和网络服务器软件，视频输出能够记录在网络中的任何硬盘上。IP摄像机不需要使用价格昂贵的同轴电缆线。

IP摄像机的安装并不是没有挑战的，因为它需要处理一个动态的IP地址。由于长期依赖现有的基础设施、工程、布线和设备的闭路电视技术，在有充分的理由采用IP摄像机之前，企业和IT部门对于淘汰这些老式系统总是有些犹豫不决。包括配置发送端口在内的一些安装步骤有些复杂，需要进行技术培训。发送端口通过把摄像机使用的网络端口发送到互联网上实现对摄像机的远程访问。要完成这个任务，需要内置IP摄像机的路由器IP地址。考虑到IP地址的动态性质，这对于安装者是一个难题。

在向完全基于IP的系统过渡的过程中，一个临时的替代方法是把视频服务器连接到IP网络，然后把模拟摄像机信号转换为数字格式，从而保护老式的系统。在这种情况下，视频服务器包含处理器和软件。这样，这个摄像机就有了IP地址，并把闭路电视摄像机变成了IP摄像机，这仅需要计算服务器的额外开销。闭路电视系统通常包含一个连接到电视系统或者录像机的模拟摄像机。这个信号不是公开发布的，而是限制在一个很小的地方，如一个商店、办公楼、仓库或者学校。图1是一个把有线和无线摄像机连接在一起用于现场监视或者远程监视的无线IP摄像机网络解决方案的例子。

图1  无线IP摄像机网络解决方案

住宅安全市场

在住宅安全市场，系统价格、尺寸和功能的方便性是重要的差异化因素。CMOS传感器技术在这个市场已经占有了重要的一席之地。OmniVision客户包括大楼门卫监视和人身/房间监视在内的许多安全解决方案。这些解决方案主要是中国企业生产的，并且已经开始商业性销售。此外，还有不需要IP路由器的、为家庭应用设计的多摄像机系统的参考设计。OmniVision于2007年3月在拉斯维加斯举行的ISC West展会上发布的Home SecuCam产品(如图2所示)就是住宅安全市场可能上一个典型的应用例子。

图2  Home SecuCam产品

Home SecuCam为使用OmniVision公司的OV7720 CameraChip传感器的MPEG 4视频系统提供了一个安全摄像机解决方案，并且是第一个使用805.15.4/Zigbee无线网络上的视频的产品。Home SecuCam(家庭安全摄像机)可以作为一个集成的安全监视方案，通过各种协议(包括无线和移动网络以及其它即将出现的无线技术)实现节省成本的音/视频家庭安全。用户将很容易采用这个解决方案来满足个人的需求。这个解决方案的安装不需要专家的知识，运行的耗电量很低，使用电池就可以保持几个月的待机状态。这个解决方案最多可拥有16个频道，支持覆盖多个区域的多台摄像机，并且很容易串联在一起，在更大的区域覆盖更远的距离。

CCD与CMOS在商业安全应用中的对比

虽然系统价格、尺寸和使用/功能的方便性是住宅安全市场重要的差异化因素，但是，相比之下，商业市场总是由性能占统治地位的。因此，商业影像解决方案必须耐用，能够承受高温并且能在照明条件差的情况下正常工作。这个市场要继续发展，技术必须要改善。随着像素尺寸继续缩小，摄像机的像素和敏感度必须提高。

在过去的几年里，CMOS技术已经得到了发展。随着耗电量和成本的下降以及像素的增大而出现的性能和敏感度的显著改善，CMOS技术已经开始了入门级的商业安全应用。CMOS图像传感器把电路集成在一个采用紧凑型设计的单个芯片上，因此，摄像机体积比CCD系统中的摄像机要小一些。此外，CMOS图像传感器的耗电量仅是CCD图像传感器的十分之一。当在目前的大型安全网络上使用多个图像传感器的时候，这个优势可以节省许多钱。还有，CMOS图像传感器生产成本较低，一般来说销售价格也比较低，从而降低了整个系统的成本，这就意味着进一步为厂商节省成本。

从传感器性能方面看，CCD和CMOS图像传感器之间的差距已经极大地缩小了。因此，新的一批基于CMOS的摄像机已经开始投产并且进入中、高级水平的应用。商业监视设备的复杂性是这种新一代基于CMOS的系统日益流行的原因。这种设备重点是尺寸、低耗电量、支持智能化、安全和能够随时随地输出视频。

CMOS的发展

要理解CMOS为什么将进入商业安全监视应用这个广阔的领域，完全理解CMOS为什么可行是很重要的。技术进步是以多个行业的应用和对CMOS芯片的积极需求为基础的。从奔腾处理器到基带芯片，CMOS已经成为制造工艺技术的选择。在仅仅7年的时间里，CMOS工艺已经从0.8微米发展到0.18微米、0.13微米、以至90纳米和65纳米。从800纳米到65纳米的发展几乎等于把尺寸缩小了15倍，从而显著提高了性能。

CMOS的优势包括高集成密度、高性能、低耗电量和低成本。与CCD图像传感器不同，CMOS图像传感器在一个芯片上同时具有模拟和数字两种属性，能够适应广泛的温度范围，可提供随机像素存取和与复杂的电路共存。CMOS能够向商业安全桌面提供高性能、红外线功能和嵌入在流程中的高动态范围。目前，CMOS传感器已经能够完成70%的CCD传感器能够完成的高端的安全监视应用。这个数字在未来的12至18个月将提高到100%。

CMOS还具有改善的像素设计的特点。由于工艺的改善，目前的像素具有噪声低(也就是干扰较少)，需要的电流少和具有更好的敏感度等特点。CMOS工艺是以晶体管技术和像素中的晶体管为基础的。晶体管数量越多，像素上获得的亮度就越好。目前，最多配置7个晶体管，每一个晶体管都有从模拟向数字转换的功能。实际上，每一个像素现在就是一台摄相机。像素尺寸在几年前还是9 x 9微米。这个尺寸在短短的几年里已经缩小到了我们在OmniPixel2技术中看到的2.2微米。现在，这个行业正准备迈向1.4微米，在保持质量水平的同时进一步缩小尺寸。由于图像处理技术的进步，数字噪声也在降低。无噪声的像素极为重要，小像素的CMOS传感器的性能已经大幅提高。

CCD的局限性

CCD图像传感器过去曾经提供高性能的成像和灵活性，不过，为了容纳昂贵的多芯片解决方案，系统需要足够大的尺寸。过去，CCD图像传感器的光敏感度比上一代CMOS传感器要好得多。光敏感度越高，在照明条件差的情况下的图像质量就越好。然而，明亮的物体对于CCD技术来说是一个问题，导致在显示屏上造成人们称作“污点(Smear)”效应的垂直线条。

CCD还很复杂，是以非常专业的处理为基础的。商业安全摄像机应用需要高动态范围(HDR)，也就是能够在各种照明条件下记录范围更广的色调细节。在此之前，由于技术原因监控系统几乎完全依靠CCD传感器。因此，用户必须要应付CCD传感器固有的分辨率、适应范围和温度等局限性。这些问题在安全应用中是极为重要的。当尺寸和耗电量变得很重要时，多芯片解决方案与高度集成的单芯片解决方案相比总是处于劣势。考虑到平衡，CMOS传感器(如OmniVision公司的OV10620 CMOS传感器)，提供了更好的高动态范围性能，而且在安全应用中使用CMOS的实例也在继续增加。图3显示了使用高动态范围芯片和非高动态范围芯片有多大的区别。这对于安全市场的积极意义是显而易见的。图3a和3b显示高动态范围传感器提供的差别。

图3  使用高动态范围传感器和未使用这一技术的成像区别

CCD还需要一个定时发生器，驱动配置多个时钟发生器，从一个芯片到另一个芯片计算路由延迟和潜在的性能下降。不过，CCD处理过程本身就是获取数据然后用模拟信号格式把这个数据作为原始数据发送出去。

结语

在商业安全市场，能够最好地把解决方案集成到耐用、智能和高性能系统中的技术和公司将保持领先的地位。

虽然商业CMOS传感器的现场应用还比较新，但是，商业CMOS传感器正在耗电量、系统成本、温度范围和尺寸等属性的基础上取得实际的进展。技术的成熟现在提供了CMOS传感器不久前还没有的许多功能。借鉴CMOS技术对家庭安全市场已经产生的影响，我们坚定地认为是CMOS技术，而不是CCD技术，可以实现，基于单片机的可编程数字摄像机，并且最终在商业安全市场获得重要的大量应用。