原创 高清摄像机研发若干技术问题探讨

1.         摄像机概述

摄像机是用来将光学图像转换为电学图像，并可通过显示设备，还原所拍摄光学图像的装置。1822年法国的涅普斯在感光材料上制出了世界上第一张照片，1839年，法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机，之后动态图像拍摄的摄像机逐步得到发展。1954 年，美国安培（Ampex）公司推出了世界上第一台实用型摄像机，开创了图像记录的新纪元。在1976 年， JVC 公司推出了世界第一台家用型的摄像机。1994年开始，一些厂商逐步推出数码摄像机。

数码摄像机自早期的CIF（352×288像素）等分辨率，逐步发展到D1（720×576像素）分辨率。2008年后，数码摄像机逐步进入高清时代，图像分辨率从1280×720P（逐行），逐步发展到今天的全高清（1920×1080像素分辨率）时代。

另外一方面，摄像机从不同用途来分，可以划分为：个人家用摄像机、视频会议与用摄像机、影视演播用摄像机、科学考察用摄像机以及工业摄像机等大类。各种摄像机大类中，又根据具体用途不同，可以做进一步划分。比如视频监控摄像机又可进一步划分为：普通摄像机（一体机、球机、半球等）、IP Camera等。

2.         高清摄像机技术标准介绍

摄像机的社会需求来自于人类对自然的视觉需求，是人类感知物质世界的重要工具。国际电信联盟（ITU）和美国电影电视工程师协会（SMPTE）制定了一系列有关技术标准。各自用于不同应用场合。

摄像机图像信号往往采用电视信号技术标准。差不多近50年里，差不多近50年里，全球主要三种标清（Standard Definition －SD，PAL制式，NTSC和SECAM制式）。比如我国采用PAL-D制式作为我国标清模拟电视节目技术标准。近年来，随着摄像机图像信号数字化，标清甚至高清数字电视信号标准逐步开播。

主要标清数字电视信号标准：

ITU-R 601     该标准主要规范数字电视信号的亮度和色度分量数字化

SMPTE259M   该标准主要规范ITU-R 601信号串行化铜缆接口传输

AES3-2003     该标准主要规范模拟音频数字化

SMPTE291M   该标准主要规范音频和辅助数据如何编码进SMPTE259M以及其他的高清和影院标准

SMPTE272M   该标准规范AES音频比特流映射进SMPTE291M协议

几种标准关系如下图所示：

1980年以来，主要国际标准组织逐步发展了高清电视（HDTV）技术标准：

ITU-R 709            该标准主要规范高清电视信号亮度色度数字化

SMPTE 274M-2005     该标准主要规范HDTV1920×1080空间像素分辨率及帧率

SMPTE 296M-2001     该标准主要规范HDTV1280×720空间像素分辨率及帧率

SMPTE 240M-1999 and 260M-1999  这两个标准主要规范1125行总行数HDTV空间像素分辨率及帧率

SMPTE 292-2006    该标准主要规范SMPTE 274M, 296M 和260M串行传输（1.485Gbps）

SMPTE 424M-2006  该标准主要规范2.97Gbps串行传输

主要几个HDTV标准关系如下图：

高清摄像机就是可以输出上述有关国际组织（ITU和SMPTE）标准图像的摄像装置。

3.         高清摄像机研制及若干关键技术

一般而言高清摄像机包括下图所示主要组成部分：

CCD/CMOS Sensor 为成像器件，完成光学图像转换为电学信号，并输出电子图像信号；

AFE，模拟前端，主要用于一些CCD Sensor成像时，将CCD图像信号数字化并产生CCD控制时序。对于绝大多数CMOS Sensor而言，直接输出数字化的图像信号，因而不需要AFE器件。

CPU为整个高清摄像机核心器件，主要完成：图像信号处理（Image Signal Processor）和图像信号编解码（编解码为MPEG4、H.264标准图像数据等）。一般还兼有存储、显示和以太网接口、光纤接口（便于图像信号远距离传输）和一些传输接口，如HDMI、3G/HD-SDI接口等。

电源和FLASH、DDR2就不再介绍，大家都比较熟悉。

CPU的图像处理部分在早期一般都由独立的DSP（Digital Signal Processor）来做，主要完成：图像信号光学电学参量处理，如：透镜校正，Gamma校正、边缘校正、自动曝光、自动聚焦、自动黑白平衡、防抖动等处理及相应控制。由于SoC芯片处理能力近年来得到很大提高，图像处理部分现在往往集成在CPU中。

随着数字图像化时代的来临，CPU多数还完成图像MPEG4、H.264编解码，对于静止图像（图片）还可以完成JPEG编解码。

CPU除图像处理和编解码功能外，还要完成高清摄像机系统控制及计算，充作整个系统中央处理器。

存储及以太网接口不用详述，大家比较熟悉。存储主要是指存储卡/硬盘等数据存储。以太网接口用法较为广泛，既可在高清摄像机研制调试和生产阶段作为调试测试接口，也可用于摄像机联网，即IP Camera（网络摄像机），甚至摄像机软件版本远程下载更新等。

显示接口一般指CPU外界显示屏，实时显示拍摄图像和回放图像。当今摄像机绝大多数都支持TFT真彩显示屏。

HDMI接口是HDMI组织指定的高清数字多媒体接口，采用LVDS信号，主要用于传输高清数字音视频信号， 支持5Gpbs以上高速信号传输速率。当前最新版本为V1.4。自V1.3版本起支持x.v.colour（深色色域）技术，接近人眼能够分辨真实世界色彩色域，V1.4版本支持超高清高速信号传输和以太网供电。HDMI接口主要为一般民用消费电子接口。HDMI组织收取不菲的专利费用及测试费用。HDMI接口兼容DVI接口。

3G/HD-SDI接口为高速串行接口，由SMPTE组织制定。SDI系列标准用于影视演播室数字音视频信号传输，为专业级标准。SDI标准从早期支持标清数字电视信号的270Mbps逐步发展到传输一般高清数字电视信号的1.485GbpsHD-SDI接口，再发展到当前2.97Gbps高速信号的3G-SDI接口，用于传输RGB24bit以上高清数字电视信号。

其他一些高清接口如DisplayPort接口等，在专利费用方面，则不收取任何费用。

传统的视频接口，如VGA等，不能适应高清视频信号传输必需的高速信号传输，故在高清摄像机中一般不再拥有。

音频方面，高清摄像机则至少支持一路高达192Kbps采样速率的高清音频，比之一般CD的128Kbps，高清音频声音效果则要好得多，几乎是无损压缩解压。一般常见的高清音频接口有SPDIF，Digital Doby（DD，DD+，DD++），AAC，MP3，SRS等。

从上述对高清摄像机系统介绍可知，专业高清摄像机涉及到以下主要难点和当前业界最先进技术：

                         i.              高分辨率光学镜头集成，高清摄像机必须搭配高分辨率（高达真正千万像素）和广角的光学镜头，在光学变焦等方面，均为当前技术最前沿。

由于成像器件的临近像素在光学信号转换为电学信号时有一定干扰，要取得较好图像质量，高清摄像机1080I/P信号要求CCD/CMOS Sensor 具有千万像素，即有效像素为1920×2 ×1080×2像素，采取每隔一个像素取值一次，即水平或垂直都采用2个物理像素取一个像素光学信号转换为电学量的电学信号作为图像电子信号。

如下图所示：

相反，如果采用500万像素等取其中1920×1080有效像素，必然存在临近像素光学信号干扰和成像器件光学窗口缩减问题。光学窗口缩减，是由于成像器件整个感光界面（500万像素）仅仅取其中一部分（1920×1080）而造成的，如下图：

                         ii.              图像信号处理，在影像光学信号转换为电子信号时，需要进行信号处理，以便获得较高的影像质量，降低各种干扰和杂声等。以白平衡、自动曝光、自动聚焦、防抖动等为代表的几个技术是图像信号处理技术的几个方面。

                       iii.              高速电子图像信号的接收、处理和传输，高清摄像机在影像光电转换后，所得信号均为高速电子信号。电子信号高达1.5/3甚至5Gbps的速率。这要求信号接收、处理和传输等环节，均需要考虑电磁兼容和隔离措施。

                      iv.              高清视频压缩，高清摄像机由于其视频信号速率高，数据量大，必需采用当前先进的视频压缩技术，如H.264等，才能满足存储和网络传输需求。

 

4.         高清摄像机图像实例

下图为笔者参与研制的最新高清摄像机实拍场景输出图像的一些截图，所用镜头为一般视频监控常用廉价镜头，定焦手动光圈。如果感兴趣，可以向笔者索取原图，可以看到更好的效果。从中大家可以看到高清摄像机图像质量的优势。

关于拍摄所用高清摄像机，详情可参见：http://www.polis-info.com.cn/main/home/cp.php?catid=20&nowmenuid=4&cpath=0020:

 

5.         高清摄像机技术发展与应用

高清摄像机从早期的720P分辨率已逐步发展到当前的全高清阶段，正在支持1080I/P制式。高清摄像机与早期的标清摄像机相比，存在以下明显区别和发展：

           i.              视频监控和会议标清摄像机阶段输出信号多数为模拟信号，而高清摄像机基本为数字信号。在标清阶段，模拟信号数字化后，存在Interlace现象，一般而言，标清阶段，数字化的视频信号其图像效果，无论主观印象还是客观指标，都不如原模拟信号。模拟视频信号数字化仅仅解决了网络传输和硬盘存储等客观需求。高清摄像机信号则本质上为数字信号，不存在模拟信号变换为数字信号的问题。图像分辨率的大幅提升，带来一个技术上量变到质变的飞跃。可大幅度提升视频主客观效果，图像质量更加接近自然本色。

         ii.              随着视频尺寸向着高清演进，对摄像机CPU（DSP）处理能力的要求大幅提升，高于图像像素分辨率提高的比例。这时标清阶段，无法比拟的。

        iii.              由于高清摄像机本身输出数字化视频信号，传统的视频监控和会议标清摄像机应用模式将发生重大变化。传统的视频监控和会议标清摄像机，必需配合视频服务器/DVR等，共同构筑视频监控和会议的应用系统。而高清摄像机阶段，则不必需标清阶段视频服务器/DVR等编解码设备，一些原本标清阶段视频服务器/DVR编解码之外的应用处理也可直接由高清摄像机处理完成。这样，标清阶段的网络摄像机应用（标清阶段一般为网络服务器＋摄像机），在高清阶段将更加简化集成（仅仅高清摄像机加上网络服务软件即可）。另一方面，当前网络技术已获得较大发展，网络带宽不再是传输视频数据瓶颈，尤其是局域网应用环境。可以预测高清网络摄像机将更加普及。

 

6.         高清摄像机技术改进

高清摄像技术下一步怎么走？日本NHK给出了答案。NHK正在协同旗下几个主要企业成员进行超高清（3840×2160，7680×4320）分辨率图像的基础技术研究和相关技术标准的制定。一些国际组织比如ITU等也在进行超高清技术研究。

在色域方面，当前的技术标准正从深色（48Bit）逐步走向更深领域，更加接近人眼分辨自然色极限。

 

对高清摄像技术感兴趣读者，可进一步联系笔者，共同探讨，技术交流。，笔者联系方式：TEL 13376067858，hdipcam@sina.com