AF及增强高清摄像机方案

深圳中天银河科技有限公司SHENZHENZHONGTIANGALAXYTECHNOLOGYCO.,LTD.项目研发技术方案编号：2011-2-7方案名称：AF及增强高清摄像机方案方案负责人：周格伦完成时间：2011年11月30日一、方案概述1.方案背景安防行业现已全面进入高清时代。在刚刚举行的2011深圳安博会上我们发现无论是监控镜头厂家、安防摄像机厂家还是其他安防设备的厂家都争相推出了高清系列的产品。标清时代的产品已无法满足现代监控的需求，同时标清产品技术含量低，竞争激烈无序，利润率薄，已不能支撑公司的长远发展。从市场趋势来看，顺应时代发展推出高清系列的产品，抢占先机是主旋律，但同时还要继续保持标清产品的竞争优势，稳步提升市场份额，平稳做好产品线的换代和延伸。从当前行业环境来看，镜头厂家之间的竞争越来越激烈，产品线交织情况越来越严重，我们镜头的领先优势正在丧失。很多品牌的镜头依靠自动聚焦、图像防抖等附加功能，以其高性价比正步步紧逼我们的拳头产品。我们急需研发相关技术来弥补自身短板。从工程实践来看，一是自动聚焦、图像增强、图像防抖等功能在实践中对提升整体监控品质有重大意义。二是系统集成商在系统集成时往往不能为我们的镜头选择合适的摄像机，在出现问题的时候却往往把问题归结到我们的镜头上。于是我们想到把自动聚焦、图像增强、图像防抖等功能和高清摄像机进行结合，研发生产具有自动聚焦、图像增强功能的高清摄像机，以匹配我们的镜头产品进行销售。这不仅有利于最大化提升我们镜头的使用效果，还将扩展我们的产品类别。从长久角度来看，成为安防监控系统整体解决方案供应商应该是我们不懈努力的方向。2.方案特点不谈具体的方案实现，该方案设想本身就是很有特色的。首先现在还不存在真正意义上的自动聚焦高清摄像机。那些称之为带有自动聚焦的技术的摄像机要么就是用于一体机中，要么就不是真正意义上的自动聚焦技术（不能控制镜头电机，只能调节CCD前后距离，调节后焦）。而摄像机厂家一般也不会研发AF及增强高清摄像机。因为内置了AF模块的摄像机必须要和各种不同种类的镜头进行匹配，无论从研发难度还是市场角度摄像机厂家都不会做这件事，这个工作只能由镜头厂家来做。而对于镜头厂家来说，虽然现在自动聚焦技术的研发如火如荼，但同样存在摄像机的匹配问题。目前具备自动聚焦功能的镜头只能驳接模拟摄像机或是带有模拟输出接口的高清网络摄像机。其聚焦精确度由于采样的图像清晰度的局限，在多种境况下都无法达到满意效果。对于我们来说如果把自动聚焦模块内置于镜头中还是会遇到其他镜头厂家那样的技术瓶颈，而且需要的对成品镜头进行改装，大幅度增加生产难度和成本。所以目前最佳的解决方案就是生产具有自动聚焦技术的高清摄像机，用以配合镜头的销售。从监控系统信号流程的角度来看，这也是最合理的方案。3.方案要求AF及增强高清摄像机实际是内置了AF模块、图像增强模块的高清摄像机，该摄像机除了在体积上、参数上要达到一般高清摄像机的技术要求，满足高清监控时代的一般需求外。后端还要能够根据客户的要求进行灵活订制（如可以订制成网络摄像机、SDI摄像机或其他高清数字格式输出的摄像机）。此外，该摄像机还要具备兼容通用云台协议的控制板，可以直接对镜头进行相关控制。二、总体方案设计图1.AF及图像增强功能的高清摄像整体方案框图AF及图像增强功能的高清摄像机主要由5部分组成，高清摄像机组模、自动聚焦板、图像增强板、摄像机后端输出板、通讯控制板。其中摄像机后端输出板可以根据客户的需求灵活配置（根据输出信号格式的不同分若干型号），高清摄像机组模等模块在特殊大批量要求下也可以进行更换。正常情况下选择主流参数的模块。三、具体模块选择1.AF模块方案选择国内真正具备自动聚焦技术的企业并不多，一般用于快速球机（一体机）的自动聚焦技术往往都是采用了sony等日本企业八九十年代的技术。独立研发AF技术是一条必由之路。但目前我们的技术具有自动聚焦及图像增强功能的高清摄像机方案框图高清摄像机模组CCD或CMOSSONY图像处理器ISP等IP编码模块图像增强、透雾、图像稳像模块输出格式转换板（SDI、HDMI、DVI）镜头自动聚焦板中天银河485通讯、镜头控制、菜单设置板富士能镜头HD60/D60/HD32/C22/D17等力量较为薄弱，研发基于数字图像处理的AF技术需要时间。所以我们要两条腿走路。一方面搭建开发平台，安排进度争取在4—6个月内实现AF技术的突破，研发出自己的数字AF产品。另一方面寻找已经商用的AF模块与摄像机模组进行匹配，尽快组装生产出内置有AF功能的高清摄像机。争取可以早日投入市场，接受市场检验，为自主AF模块的研发反馈回有价值的使用数据。在AF模块的选择上，目前能够了解到的独立AF模块效果比较好的是石家庄博飞电子直流电机镜头自动聚焦模块，分模拟、数字、大镜头三种，数字版采用YUV格式视频输入，尺寸为55*55*18，可以比较方便地内置入摄像机中。经前期测试，该聚焦模块的实际聚焦效果基本可以满足一般要求。采用此板可以大大加快我们AF及图像增强摄像机的研发速度，短时间内实现商用。另一家公司威信宝业的AF技术实际是提供了基于SONY技术的从sensor到ISP再到AF芯片的一个具备自动聚焦功能摄像机的完整解决方案。这个方案最大的问题是镜头的匹配问题。因为该方案基于的是22倍及以下焦距的步进电机镜头，而我们的是直流电机镜头，在控制方式上有较大的差距。如果想使用它们的AF技术必须要获得他们的大力支持和投入，从目前来看还不太现实。而且使用该方案就限定了摄像机模组的选择范围，方案不够灵活，使用比较被动，生产配套也会比较麻烦。2.摄像机模组方案选择摄像机模组的生产厂家还是比较多的，有的是提供完整的功能模组，买回来就可以使用，有的只是摄像机前端模块，使用还需配套后端设备如IP编码器等。从我们的方案来看，因为需要接入AF模块以及图像增强模块，高清摄像机前端就能满足我们的需求。后端我们可以根据客户需求另行选配IP编码输出模块，或是SDI、HDMI输出转接板。从高清监控的发展及一般需求来看，摄像机图像传感器不应低于200万像素。以下是几个摄像机厂家产品的对比。编号厂家型号传感器分辨率输出格式功能控制方式配套情况尺寸1傲得华视PE00031/2.8inch200万像素800line1080-60P国际标准BT1120，SMPTE296M规格，YUV输出格式AEAWBRS232控制OSD38x38mm2威信宝业SONY_CXD4191GG+036某种数字视频信号格式3艾普视达M381000line1080-30p网络（需取中间信号）3A配套完善管理软件38x38mm4杭州雄迈IPG-5020PTI方案1/3inch松下34041+NVP2400，200万像素彩色：0.6lux@F1.2黑白：0.08lux@F1.2主：1920*1080子：704*576网络（需取中间信号）支持SD卡支持PELCO(P)等多种的云台镜头(PTZ)控制协议支持WEB配置,支持OSD提供免费客户端42x42mm5天视通TS38F/GTI方案500万像素1/2.5CMOS传感器500万10帧,300万17网络（需取中间信号）Usb接口支持PELC支持WEB配置,支持OSD提供免费客户端38x38mm彩色0.6Lux@F1.2,黑白0.08Lux@F1.2帧,200万及以下25帧,支持1~25帧/秒可调O(P)等多种的云台镜头(PTZ)控制协议从需求、技术支持、产品性能等多方面综合考虑，目前倾向于使用傲视华得的PE003系列高清摄像机组模。3.图像增强方案选择目前市场上的图像增强模块有基于DSP和基于专用ASIC两种，DSP平台的如上海凯视力成体积较大，无法内嵌，不考虑。目前了解的基于专用ASIC开发的有三家。1.成都金隼光电2.富士通WSC20xx系列芯片3.台湾TSSI芯片TS1913其中金隼光电主要开发图像增强模块，效果经实际测试能满足要求，体积也小，但价格过高。一开始可以尝试小批量使用检验实际效果。另外两家主要是销售芯片。我们可以利用其芯片开发自己的增强模块，不仅可以降低成本，大量装备我们的高清摄像机和镜头，还可以制作独立模块，单独销售，市场前景可观。即使效果没有金隼的好也将会有很高的性价比。最重要的是自主研发增强模块将为我们自主研发AF系统以及更高的智能视频处理技术打下基础。最终我们可以利用FPGA自主开发图像增强技术，把AF模块和增强模块整合在一个芯片里。值得一提的是台湾TSSI公司的图像增强、透雾、降噪芯片还可以实现稳像功能。需要特别关注。4.其他模块方案选择这里主要指的是摄像机后端IP编码模块的选择。各个摄像机厂家基本上都有IP编码模块在卖，其采用的技术方案也比较固定。选择时主要考虑其配套管理软件的完善程度，以及模块延时时间等。除此之外对于一个完整的摄像机我们还需要带有云台485控制功能。有的摄像机模组可能带了，但功能不太完善，无法实现我们镜头中的一些特殊功能的控制。所以我们还要单独开发一个控制镜头、云台的485通讯控制板，该板可以和自动聚焦系统的镜头驱动电路结合在一起，实现镜头的手动和自动控制。四、方案总结及实施规划方案的整体思路是坚持自主研发和资源整合两条腿走路。自主研发是研发自主知识产权的产品，是积累自己的核心技术，是未来企业发展的基础和动力，但需要时间和金钱的大量投入。资源整合是利用现有商用模块组合出自己的产品，借助其他企业产品走系统整合之路，快速迎合市场变化和需求。但资源整合的成本往往没有办法降低，各系统性能的匹配也达不到最好的状态。所以在应用的基础上必须研发。具体的来说一边利用其它公司的AF模块、图像增强模块配合高清摄像机组模研发组装出带有自动聚焦以及增强功能的高清摄像机。一边开发独立的AF和图像增强技术，逐步替换其它公司的产品。下面是对自主研发数字图像处理技术的一些实施规划：A.开始核心技术自主研发的准备数字图像处理不同于传统的图像处理技术，它面临的是巨大的数据量和复杂的算式算法。试验的进行和实施比传统视频技术的开发更困难，所以要充分利用好各种软硬件的仿真工具。就PC平台而言，matlab作为一款矩阵运算软件十分有利于数字图像技术的开发。因为数字图像的本质就是一组矩阵。同时matlab还提供了丰富的可视化图像处理算法库，可以很方面的进行各种图像算法的仿真。我们可以在matlab上进行算法的设计，测试，修改再测试，通过matlab强大的运算功能来最高效的设计我们的算法。当我们在PC平台上实现了算法效果之后我们要做的就是把验证了的算法移植到嵌入式硬件平台上，如DSP或FPGA。事实上matlab提供了非常方便地移植方法，尤其对于C语言开发的DSP平台。现在FPGA中已经可以内置DSP核了，我们完全可以利用FPGA中的DSP来处理算法，再根据实际需要来配置些输入输出接口或时序控制器等。为了提高开发效率，我们采用专用的FPGA图像系统开发板。由此看来数字图像处理最重要的就是算法的设计，算法的设计需要依靠数据的分析，这就需要我们做好数据的收集和整理。同时作为整个研发部技术积累的重要环节我们也必须首先建立健全我们的资料库和算法库。具体实施步骤:1.建立中天银河视频数据资料库资料来源及途径：1)工程项目完结书(工程环境介绍、工程中的系统方案、出现的问题、解决的方案)2)技术人员的工程调试手记3)技术人员的设备维修手记4)工程实践中的视频资料（每个工程无特殊情况应该保留视频资料）5)市场人员的市场分析总结报告6)技术人员的对比测试记录（包括视频资料）7)研发部的项目研发技术总结8)研发部的试验报告（包括视频资料）2.中天银河视频分析理论算法库建立方法：1)在中天银河视频数据资料库的基础上，对现有视频、图像资料，按环境、监控距离、摄像机像素等不同情况进行划分、整理、补充，建立在不同情况下从离焦到聚焦再到散焦的一系列图片资料。2)对现有自动聚焦评价函数进行整理，建立matlab分析模型，导入工程图片资料进行算法对比分析，筛选出合适算法。3)对现有图像处理理论进行整理4)