摄像机基础讲解课件

1、摄像机与云台基础知识目录一、摄像机概述二、摄像机的分类三、CMOS与CCD摄像机比较四、网络摄像机主流方案比较五、云台概述及分类六、云台主要参数一、摄像机概述摄像机是获取监视现场图像的前端设备，它主要由镜头，图像传感器，声音传感器，模数转换器（ADC）信号处理器，编解码芯片，主控芯片，模拟视频处理或网络控制以及其它控制接口组成，1.1 工作原理被摄物体反射光线，经镜头聚焦到图像传感器，图像传感器根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，模数转换器将模拟电信号转换成数字电信号，再经过编码器按一定的编码标准进行压缩编码，在控制器的控制下，由网络控制模块按一定的网络协议传

2、送到网络，后端软件接收到网络视频信号通过一定的解码标准对图像进行解码显示。二、摄像机的分类按成像器件可分为CMOS摄像机和CCD摄像机按清晰度可分为标清(SD)、高清(HD)、全高清(FHD)和超高清(UHD)摄像机按信号类型可分为模拟摄像机及数字摄像机按传输线类型可分为同轴传输摄像机、有线网络摄像机以及无线摄像机按图像可视类型可分为可见光摄像机以及热成像摄像机按日夜类型可分为红外日夜摄像机以及普通日用摄像机按焦距可分长焦和短焦摄像机，定焦和变焦摄像机按外壳型类可分为枪型、半球型、卡片型、球型、针孔等摄像机按功能类型可分为普通摄像机及特殊功能摄像机(如人脸识别，自动跟踪等)三、CMOS摄像机与

3、CCD摄像机比较电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷；主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，它通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。3.1 结构上的区别比较CCD和CMOS的结

4、构，ADC（数模转换器）的位置和数量是最大的不同。CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD边缘的放大器进行放大，再串联ADC输出；而CMOS的设计中每个像素旁边都直接连着ADC，电荷信号直接放大并转换成数字信号。造成这种差异的原因在于CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。3.2 技术上的比较CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和

5、读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂而且速度较慢。而CMOS传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度也比CCD快很多。CCD制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS有一定优势。由于CMOS集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS很长一段时间无法投入实用。近几年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，CMOS的性能已经与CCD相差无几了。 3.3 性能上的比较ISO感光度：由于CMOS每个

6、像素由四个晶体管与一个感光二极管构成，还包含了放大器与数模转换电路，过多的额外设备缩小了单一像素感光区域的表面积，因此相同像素下，同样的尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。分辨率：由于CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器。噪点：由于CMOS每个感光二极管都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪点就会增加

7、很多，影响图像品质。耗电量：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；而CCD传感器为被动式采集，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要1218V，因此CCD还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的耗电量远高于CMOS。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。成本：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要

8、其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的制造成本会高于CMOS传感器。3.3 性能上的比较四、网络摄像机主流方案比较目前主流的高清方案有德州仪器（TI），海思(HiSilicon)，安霸(Ambarella)，恩智浦（NXP），升迈（GrainMedia），Nextchip；而Ambarella、TI、HiSilicon和GrainMedia这个四方案在目前市场上占有比较大的份额，但GrainMedia主打低端民用市场，所以现在我们着重介绍一下目前关

9、注度比较高的三个方案：Ambarella、TI和HiSilicon；为了让大家更清晰的了解这三家的高清方案的优劣势。4.1 公司背景TI：是美国德州仪器的简称，总部位于美国德克萨斯州的达拉斯，是全球知名的半导体企业，主要从事模拟电路和数字信号处理技术的研究，其具有代表性的DaVinci- DM3x ARM9视频处理器解决方案在安防行业有着广泛的应用。TI成立之初是一家使用地震信号处理技术勘探原油的地质勘探公司，1951 年更名为现用名的德州仪器公司，其后逐渐进入半导体市场。当安防领域的视频监控从模拟阶段发展到数字压缩处理阶段后，TI在安防视频压缩领域逐渐暂居主导地位。高清视频监控领域有代表性的

10、解决方案是DM355、DM365、DM368海思(Hisilicon)：海思半导体有限公司成立于2004年10月，前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心，总部位于深圳。 海思的产品覆盖无线网络、固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案，成功应用在全球100多个国家和地区;在数字媒体领域，已推出网络监控芯片及解决方案、可视电话芯片及解决方案、DVB芯片及解决方案和IPTV芯片及解决方案。在2009-2012年，DVR芯片可谓风生水起。在IPC领域有代表性的解决方案是Hi3516、Hi3517、Hi3518A、Hi3518C、Hi3518E。4.1 公司背景Ambarella于2004年由C

11、-Cube Microsystems公司三位元老组建，总部位于加州的圣克拉拉市,公司中文名称为“安霸”。安霸是高清视频业界的技术领导者，主要提供低功耗、高清视频压缩与图像处理的解决方案。在电视广播和广电行业市场，安霸技术也得到广泛应用，在H.264高清专业广播编码设备市场拥有近90%的市场，大量来自世界各地的电视节目都经安霸芯片压缩后传送。在消费摄像机市场，安霸推动开创出一块多功能摄像机新领域。众多世界顶尖品牌的数码相机、DV、多功能运动摄像机品牌包括Kodak, SONY, Samsung，GoPro等已经正在使用安霸芯片。在安防监控市场，安霸利用超高画质视频的领先技术，推动高清监控摄像机在

12、安防的发展。安霸在业界率先推出了基于最新H.264视频压缩标准的高集成SoC芯片，集成了各种关键系统功能，提供高性价比的高清整体解决方案。安霸最初将A2系列引入到安防视频监控领域，发展到成熟应用的A5s系列，目前已发展到S2系列UHD超高清安防IPC解决方案。由于技术难度较高，在国内能够从A2、A5到S2系列都有深入开发，有深厚技术积累，并能规模转化为实用的高清视频监控产品的公司屈指可数。4.1 公司背景TI在半导体领域有强大的综合实力，特别是在标清时代与海思、NXP（原飞利浦半导体）等压缩方案的角逐中全线胜出，比如国内比较主流的海康、大华等都与其有莫大的联系。在2013年之前，TI占据IPC

13、市场70%-80%的市场份额，但是随着安霸、海思在IPC市场的发力，TI 芯片在IPC市场的份额有一定的下滑。TI就其本身策略而言，监控类芯片在其业务中所占份额不大，入门技术门槛稍高，技术支持不是很完善，目前使用TI方案的厂家逐渐减少。海思和安霸都是TI 在IPC市场上强有力的竞争者，如果TI 后续不能推出像DM368 那样有竞争力的后续芯片，将会失去IPC芯片方案市场的主导地位。海思早期做机顶盒，后进入监控领域，主要做后端DVR和前端数字摄像机芯片，芯片产品定位于低端市场，号称安防界的MTK。从技术支持的角度来看，海思因总部在深圳，对于研发厂商的技术支持比较到位。现在国内专业领域的DVR和前

14、端数字高清摄像机市场空间并不大，所以海思监控业务收入应不大，乐观估计最多有十来亿收入。因此，华为不搞监控专心搞智能终端业务是非常有可能的。对比起来，全球市场15亿部手机，华为一台P6（用海思手机芯片）的出货量都可能到1000万台，搞自己的智能终端垂直一体化可能更有意义一些。相比较而言,安霸和海思从历史发展和规模看来都比较年轻，属于新生代，但安霸团队有个明显的优势就是从一开始就专注于视频压缩技术与图像处理解决方案的研究，早期的MPEG和现在的H.264高清视频压缩都奠定了其高端高清视频压缩和图像处理技术的血统。安霸在传统的广播编码领域的广播级3A技术、3D降噪技术等方面的深厚积累，到现在引入安防

15、高清IPC解决方案都显示出了无与伦比的先天优势。综合来看，在安防领域，海思因性价比在低端市场具有很大的优势；安霸图像效果好、码流低、稳定性好，在中高端市场如日中天；TI因后续研发不足，或逐渐被安防生产企业减少运用。4.2 方案特性TI目前主流的高清IPC解决方案主要是基于DM365和DM368，DM365可做H.264的720P/30fps高清压缩，其实在这之前还有款DM355,不过DM355只能支持MPEG4编解码算法，但MPEG4的劣势相信大家都已经很了解了。尽管如此TI在2009年推出的DM365最高也还是只能支持到H.264的720P/30fps高清视频压缩，该系列作为TI入门高清级的

16、压缩方案在如功耗、编码效率、画质等方面的性能表现并不理想，但由于其TI在DVR时代的应用惯性，还是有很多高清IPC整合厂家选择它，包括国内主流的大品牌。鉴于DM365的诸多缺陷，TI迅速推出DM368弥补在高清IPC解决方案上的差距，DM368可实现多格式的1080P/30fps压缩，包括了H.264编解码等在内；采用主频为423MHz的ARM926ej-s处理器，整合了（hdvicp，mjcp）视频图像协处理器引擎；DM368已经可以支持H.264的1080P/30fps全高清压缩，同时画质和码流方面有一定提升。海思在国内DVR产品市场上占有7成左右的份额，并且在台湾、韩国等海外市场已成为主

17、力视频监控芯片供应商。相比国际巨头，海思芯片在成本控制等方面具有很大优势，已成为国内领先的视频监控解决方案。海思提供的安防视频方案中比较有代表性的是Hi3518和Hi3516等。Hi3516 采用 ARM Cortex A9架构，主要应用于200万像素级别的图像压缩处理。海思基于对国内外市场需求的深刻理解，在3518A、3518C的基础上深化完善，及时推出了Hi3518E。作为新一代民用IP摄像机SoC，Hi3518E集成新一代ISP，集成DRAM，POR，RTC，Audio Codec，Sensor电平转换以及各种时钟输出等，将极大的降低IP摄像机的ebom成本。Hi3518E主要占据低端1

18、30万像素模组及民用监控市场，与海思DVR/NVR芯片相似的SDK设计，能够支撑客户快速产品量产，并实现DVR/NVR和IP摄像机的系统布局。Hi3518E解决了消费类厂家正面临的诸多难题，内嵌DDR的设计能进一步降低方案商和制造商的生产成本和开发周期，尤其适合消费类市场价格敏感和“短平快”的特点，成为厂家抢占民用市场的“利器”。4.2 方案特性安霸目前提供给安防领域的方案主要有A2和A5系列，A2作为初期导入的一个系列在高清IPC领域名噪一时，早期高清市场唯一可做1080P全高清全帧率压缩的高清IPC方案，其锐利的画质和较低的码流让同时期很多其他同类方IPC方案望尘莫及；但A2作为初期导入的

19、方案在功耗和多码流方面有不足之处，所以目前已经全线过渡到A5s系列。A5s采用528MHz ARM11处理器，高清H.264和MJPEG视频编码引擎，并且集成了专业处理240MPixel/s图像处理功能。其图像处理引擎包含了增强的降噪处理、图像增强滤波，以及电子防抖动等技术。A5s 方案拥有多通道视频编码器，支持高达14MP像素的视频编码，先进的3D MCTF 降噪技术和宽动态处理功能，支持多达四路的视频流（其中两路视频流可达1080P/30fps+800 x600P/30fps）。采用了先进的45纳米芯片工艺及丰富的I/O设备，可将A5s的eBOM缩减到最小，可让产品适用于多样化的外形，同时

20、期低功耗这一特性被充分的展现了出来，其原有的锐利的高清画质、低码流、多码流输出等优势也表现得更加优秀，保持了一贯的优势。A5S也支持H.264 High Profile 5.0 1080P/30P编码。安霸A5S系列是目前安霸监控类产品中的主力，主要是用在监控前端设备(IPC)上，可以接入主流sensor，实现IP一体化摄像机。该系列芯片综合表现效果良好，和其他厂家同类芯片比，在ISP、H.264编码技术(支持多帧参考及CABAC编码)、功耗上都有较大优势。4.2 方案特性综合比较：TI和安霸都是采用ARM+视频压缩单元，都能做到1080P/30fps，都能实现H.264的高清压缩，在目前高清

21、压缩方案中都是比较优秀的方案，其开发难度均较高，也很考验各研发厂商的硬件开发和软件研发实力。但就单个高清IPC来说安霸更有优势，这主要是由于TI更注重于传统的监控市场，其主要目标是多路D1编码，这也是TI的强项，同时由于DM365和368的主频和性能比起安霸A5s系列来说要低，而且安霸一开始就专注于单个高清IPC方案的研究，没有原来传统多路标清市场的困扰，与DM365相比，早期的A2就已经可以支持H.264的1080P/30fps压缩，而最新的A5系列还可支持4路码流同时输出（码流可独立调节），最高可支持3MP20fps, 5MP12fps, or 10MP3fps的视频压缩。在1080P模式

22、下其功耗不到1W。在保持比较良好的画质情况下1080P/30fps可做到2Mps的高效率网络传输。而同期的DM365与安霸A2相比或者DM368与A5s相比在这些方面都显得力不从心。安霸早期主要从事消费类产品如DV等领域的相关业务，在ISP图像处理和编码上比较有优势，这些优势在其安防监控芯片方面得到了很好地传承和发扬。因此安霸的产品最主要的特点就是图像画质优异，低码流和低功耗。而从海思芯片方案来看，海思希望快速占领国内中低端市场，因此芯片大规模集成，套片配套方案均可提供，且具有本地化的开发技术支持团队，摄像机厂商可以快速开发出新产品，所以海思在国内低端的模组产品中具有较高的市场占有率，但这也造

23、成模组类产品同质化高。海思自购入ASIC 的ISP后图像效果有较大的提升，比如其中端Hi3516A产品，在红外弱光环境下，静态图像画质及降噪均具有不错的表现，但低照度下帧率会有较大牺牲，而且在大面积运动物体场景下图像会出现马赛克效果。最大的瓶颈还是海思产品的码流控制方面表现不是很好，码率经常限不住，而且发热量较大。而海思产品所谓的“高性价比”，在中端产品线中似乎并不太明显。4.3 IPC方案主要技术规格比较4.4 发展趋势高清永无止境，视频监控一开始就注定了众多的摄像机厂家对更高清画质的不断追求，同时网络传输技术的不断普及和智能分析技术的不断完善，使得高清网络摄像机能够实实在在的为用户解决更具

24、体的困扰。不管TI也好，还是安霸也好，接下来都会发布更多、更实用、更强大的具有智能分析接口的高清方案，比如安霸的S2其主频已经可做到1GHz，其接口更加丰富，并支持4K/UHD超高清图像压缩。而在视频监控领域，TI、安霸、海思甚至其他的方案都将呈现一种百花齐放、各领风骚的态势，各家方案的特点或者性能优势都将此起彼伏的交替着。五、云台概述及分类云台是安装、固定摄像机的支撑设备，以实现目标物体姿态控制的装置其工作原理为：用户对系统发出控制命令(一般由摇感或软件发出)，控制器发出指令信号，电机按指令进行水平或俯仰转动，从而实现对目标物体姿态的控制，通过控制云台的运动来控制摄像机的运动，它与摄像机配套

25、使用能达到扩大监视范围的目的，提高了摄像机的使用价值云台概述五、云台概述及分类云台分类按工作电压可分为直流变速云台和交流定速云台按轴数可分为单轴云台，双轴云台和三轴云台按控制类型可分为手动云台和自动云台按控制原理可分为数控云台、舵控云台和传感器自控云台等类型按承载重量可分为轻载云台、中载云台和重载云台按电机类型可分为直流电机云台、步进电机云台、伺服电机云台以及直流无刷电机云台按外形可分为普通型及球型按使用环境可分为室内云台和室外云台，主要区别是室外型密封性能好，防水、防尘六、云台主要参数云台的转速云台的转动速度是衡量云台档次高低的重要指标。云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动的，因此云台的

26、转动速度也分为水平转速和垂直转速。由于载重的原因，垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速，因此一般来说云台的垂直转速要低于水平转速转动角度云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载（防护罩/摄像机/镜头总成）安装方式有很大关系。云台的水平转动角度一般都能达到355，因为限位栓会占用一定的角度，但会出现少许的监控死角。当前的云台都改进了限位装置使其可以达到360甚至365（有5的覆盖角度），以消除监控死角。用户使用时可以根据现场的实际情况进行限位设置。例如安装在墙壁上的壁装式，即使云台具有360的转动角度，实际上只需要监视云台正面的180角度，即使转动到后面方向的180也只