不少開車者已發(fā)現(xiàn)這樣一個竅門：在市區(qū)內(nèi)違章時，如果能將車速超過80公里/小時，攝像頭就拍不清自己的車牌了，或者在強光照明下也不易被拍到；在高速公路上違章時，如果將速度提升到180公里/小時也不會被清楚地拍到車牌。這種現(xiàn)象給交通監(jiān)控管理帶來了很大不便。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？因為監(jiān)控用的攝像頭出了問題，安防部門沒有選擇到合適的攝像系統(tǒng)。

陳子良：普通消費電子用的CMOS傳感器不適用于高速公路監(jiān)控。

“具體來說，城市交通流量監(jiān)測與車輛超速捕獲及牌照識別所需求的攝像頭功能是不一樣的；而城市內(nèi)車輛監(jiān)控和高速公路車輛監(jiān)控又是不一樣的需求。”賽普拉斯亞太區(qū)影像感應(yīng)器部業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理陳子良指出。 他進(jìn)一步解釋，比如高速公路監(jiān)控需要攝像頭具有很高的幀頻速度，假如車輛以200公里的時速行駛，幀頻為25fps的攝像頭只能獲取一幅圖像，但幀頻為250fps的攝像頭可以捕捉到10幅連續(xù)圖像。前者僅憑一幅圖像是很難判斷的，出錯率高，而后者通過10幅連續(xù)圖像則可以容易判斷且不會出錯。這里，如果采用消費電子中使用的普通攝像頭就不行了，需要專門針對工業(yè)級應(yīng)用的高速攝像頭。而在城市內(nèi)監(jiān)控時，則需要攝像頭有很大的動態(tài)范圍，以應(yīng)對強光或弱光條件下的捕獲。 一般來看，交通監(jiān)控包括以下內(nèi)容：超速車輛捕獲；車牌識別(用于收費路段或限制行駛/專屬路段的監(jiān)控)；交通擁堵狀況監(jiān)測和車輛控制系統(tǒng)；闖紅燈/違章并線和走進(jìn)專用道等；穿越鐵軌；收費路段和橋梁如智能交通系(ITS)。不同的應(yīng)用，對攝像頭要求不同，基本上可以分為以下兩類： 一、車輛超速捕獲及車牌識別 首先要求每一幀都具有良好的圖像質(zhì)量，這包括無模糊、無畸變、合適的對比度和較大的動態(tài)范圍；二是要求攝像頭能逐行掃描；三是分辨率必須足以識別車輛及其牌照上的字符；四是一般采用單色圖像，通常具有較高對比度，而彩色圖像只是備選方案；五是需要很高的低照度響應(yīng)和靈敏度；六是耐極端氣象條件的操控；七是具有鏡頭視場(FOV)，依分辨率而不同；最后，對于車輛及牌照識別，不建議使用非圖像無損壓縮。 在捕獲超速車輛和車牌識別應(yīng)用時，城市內(nèi)監(jiān)控和高速公路監(jiān)控又不同。前者不需要太高幀速的攝像頭，普通的20~30fps幀速即可；而后者卻需要大于200fps的幀速。但是，兩種情況下都要求圖像清晰，無拖尾現(xiàn)象。“賽普拉斯獨有的同步全局曝光可實現(xiàn)無拖尾，高質(zhì)量的圖像。特別適合于此類應(yīng)用。比如我們的IBIS5系列CMOS圖像傳感器。”陳子良說道。 二、交通流量、擁堵狀況監(jiān)測 與上面建議采用的單色圖像不同，這里傾向于使用彩色圖像；分辨率應(yīng)足以看清路面狀況；比上面情況需要更高的FOV；與上面要求高速幀頻不同，這里幀頻不是主要的考慮因素；要求比上面更大的動態(tài)范圍；同上面一樣需要耐極端氣象條件；需要極高可靠性以及平均無故障時間，這對城市流量控制非常重要。 從目前交通監(jiān)控市場來看，仍以基于傳統(tǒng)CCTV系統(tǒng)和CCD攝像頭的應(yīng)用居多。CCD攝像頭與CMOS攝像頭比最大的差距就是集成度差、成本和功耗雙高，并且，采用CMOS攝像頭與IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可以實現(xiàn)全數(shù)字化管理，而CCD做不到這點。因此基于IP網(wǎng)絡(luò)的攝像系統(tǒng)取代CCTV模擬系統(tǒng)和CCD攝像頭是大勢所趨?！敖鼉赡?，全球基于IP網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)已起步，中國也一樣。賽普拉斯從去年開始正式在中國市場推廣工業(yè)應(yīng)用的CMOS圖像傳感器，受到市場的歡迎?！标愖恿急硎?。此外，近年來，CMOS圖像傳感器在動態(tài)范圍上的技術(shù)改良，使其圖像質(zhì)量已能與CCD媲美。

John Monti：CMOS傳感器超寬動態(tài)范圍的關(guān)鍵是每個像素?fù)碛歇毩㈦娮涌扉T。

另一家CMOS圖像傳感器廠商Pixim也是專注于安防監(jiān)控系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)廠商，它與賽普拉斯不同的是，不僅提供數(shù)字圖像傳感器，還提供后端的數(shù)字視頻處理器、嵌入固件和完整參考設(shè)計，其產(chǎn)品以超寬動態(tài)范圍而揚名。“我們公司獲獎的Digital Pixel System(DPS)技術(shù)支持逐行掃描圖像捕捉，具有球形電子快門、超寬動態(tài)范圍(UWDR)，在極端照明條件下也能實現(xiàn)自然的色彩重現(xiàn)?！盤ixim公司銷售市場副總裁兼創(chuàng)始人之一John Monti表示。據(jù)他所述，該公司的產(chǎn)品已為中國許多安防監(jiān)控廠商所采用，其中包括Sunell和CoShip?！熬W(wǎng)絡(luò)連接將是未來五年推動視頻監(jiān)控市場增長的主要動力之一?！盝ohn Monti說道。 隨著中國的“平安城市”計劃受到越來越多的關(guān)注，安防系統(tǒng)將由CCTV轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，或者一些地方會直接布置網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而CMOS攝像頭將取代CCD在新一代的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中扮演主角。那么，如何選擇合適的攝像頭才能避免文章開頭所談到的問題呢？ 從上面的分析可以看出，針對交通監(jiān)控系統(tǒng)來說，選擇CMOS攝像頭最重要的因素有三個：一是要有大的動態(tài)范圍，對于不論城市內(nèi)監(jiān)控還是高速公路監(jiān)控來說都是非常重要的指標(biāo)，也是CMOS傳感器廠商比拼的主要指標(biāo)之一；另一個就是幀頻速度，這對于高速公路監(jiān)控非常重要，也是為什么普通的消費電子攝像頭不能用于高速公路的原因。此外，要考察的因素還包括攝像頭中圖像傳感器的集成特性，憑借CMOS工藝固有的集成特性，CMOS圖像傳感器片內(nèi)已集成了越來越多的外圍，這可進(jìn)一步減小攝像頭的成本。下面，就這幾方面著重分析。 提升動態(tài)范圍對抗強亮度和弱光 “SD相機是監(jiān)控中用得最普遍的，因為百萬像素及更高的像素水平會產(chǎn)生過多的數(shù)據(jù)并阻塞TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。在SD分辨率水平，改善圖像質(zhì)量至關(guān)重要的因素就是超寬動態(tài)范圍?！盝ohn Monti分析道。Pixim公司憑借其獲獎的DPS技術(shù)革新實現(xiàn)了業(yè)界幾乎最大的CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍，其D1110和D2010兩款CMOS傳感器的最大動態(tài)范圍可達(dá)120dB，典型值時也有102dB?！癉PS技術(shù)的關(guān)鍵是傳感器中的每一個像素都配有一個ADC，在捕獲圖像的瞬間即將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這樣最大程度地減小了信號衰減，從而獲得最佳的圖像質(zhì)量。”John Monti說道。 他進(jìn)一步解釋該公司CMOS傳感器能獲取最大動態(tài)范圍的原因：超寬動態(tài)范圍的關(guān)鍵是像素獨立電子快門。這意味著在每個視頻幀、圖像傳感器中的每個像素都能對曝光時間作出自己的決定。例如，非常明亮的像素使用一個非?？斓目扉T速度、非常暗的像素則使用非常慢的快門速度。結(jié)果是在同一個視頻幀中，同時更精確地再現(xiàn)明暗條件下的情形?！斑@樣提供的信息將比老式的模擬CCD圖像傳感器更加精確?！彼Q。 因此，D1110和D2010的超動態(tài)范圍可提供17位的紅、綠和藍(lán)色信息，實現(xiàn)任何視頻捕捉技術(shù)中最精確的彩色還原。除上述對高亮度光的控制外，在低光條件下，通過對高增益誘發(fā)的各種噪聲源進(jìn)行校正，DPS技術(shù)較大地提升了信噪比(SNR)，改善低光下的圖像質(zhì)量?！耙虼耍珼PS技術(shù)在高光(超寬動態(tài)范圍)和低光(SNR)條件下都極大地增強了性能，可以為終端用戶提供更好的信息，從而增強安全性?！盝ohn Monti說。 同樣，美光科技在進(jìn)入商業(yè)視頻監(jiān)控市場時也以其較大的動態(tài)范圍為有力武器。美光影像集團新市場開發(fā)總監(jiān)Paul Gallagher指出：“CMOS器件增大的動態(tài)范圍成為與CCD器件一爭高下的突出特性。目前市場對改進(jìn)動態(tài)范圍的需求越來越多，這已取代了過去對低光敏度的需求。”美光新推出的商用CMOS傳感器MT9V032的動態(tài)范圍達(dá)到100dB，它的屏幕顯示為14~15位，“而一些競爭對手的傳感器只能達(dá)到8位?！彼a充說。這使得攝像頭可以捕獲包含低照度(低至不足0.1lux)水平和陽光直射情況的場景，其對抗陽光直射的功能對于交通流量的監(jiān)控應(yīng)用亦很有作為：比如在大量車燈照射下，它仍可捕獲到非常清晰的圖像質(zhì)量。 此外，他還表示，美光通過聚合像素(Binning Pixels)可以提升對弱光下圖像的捕獲?！熬酆舷袼乜梢詫崿F(xiàn)雙倍光的捕獲，從而對抗弱光下的監(jiān)控?！盙allagher表示，“此外，還可實施白天采用彩色攝像，晚上采用黑白攝像的方式來應(yīng)對強弱光環(huán)境?！? 6T技術(shù)實現(xiàn)高速CMOS成像 賽普拉斯推出一種所謂的6晶體管(6T)像素技術(shù)，可同時實現(xiàn)全局曝光、記錄光電信號和輸出。“6T技術(shù)帶來的最大改變是圖像傳感器可以同時曝光和讀出數(shù)據(jù)，即在進(jìn)行第一幀讀出時，同時可進(jìn)行第二幀曝光。而傳統(tǒng)的3T，只能在一個時間完成一個任務(wù)，因而6T技術(shù)使得圖像傳感的速度得以提升?！标愖恿冀忉尩?。目前，采用此類高速技術(shù)，賽普拉斯的極高速圖像傳感器可以達(dá)到1024×1024像素時，工作速度每秒5,000個全幀。當(dāng)然，此類傳感器主要用于一些極高速的應(yīng)用，比如碰撞實驗等。 針對交通監(jiān)控系統(tǒng)，賽普拉斯有三款主打產(chǎn)品：LUPA300、LUPA1300和LUPA4000，均支持6T專利技術(shù)，分辨率各為VGA、1.3MP和4MP，幀速可達(dá)247fps、447fps和15fps?！芭c美光、Pixim等公司不同，我們主要針對高速公路監(jiān)控市場。這類應(yīng)用對圖像傳感器的速度要求更高。”陳子良說道。如前所述，當(dāng)車輛以200公里的時速行駛時, 幀頻為250fps的攝像頭可以捕捉到10幅連續(xù)圖像，而幀頻為25fps的攝像頭只能獲取一幅圖像?！皩τ谧ヅ牡囊环鶊D像，如出現(xiàn)問題就沒有辦法識別了，而10幅繼續(xù)圖像即使有些被擋住車牌，其它還可看得見?！标愖恿冀忉?。因此，在高速公路上，如果只是普通攝像頭，當(dāng)車速達(dá)到200公里/時以上時，反而不易被拍到就是這個道理。具體來說，LUPA3000具有速度快、便宜和可清晰看見車牌的特點；而LUPA1300的性能則更進(jìn)一步，“除了可以看清車牌，還可看清駕馭員的長相。”他說道。 集成度越來越高的SoC CMOS傳感器上能集成更多外圍，是它優(yōu)于CCD的重要原因之一。因此，CMOS傳感器的片上集成度也是在選擇攝像頭時要考慮的因素，它正在向SoC方向發(fā)展。陳子良透露，他們下半年即將量產(chǎn)的LUPA-1300-2將前代產(chǎn)品外圍的16個ADC集成到片上，同時還集成了高速LVDS接口，LVDS接口為智能監(jiān)控系統(tǒng)提供了方便。集成度提升后，不僅使得成本大大下降，而且令設(shè)計也更加簡便。 美光新推的針對監(jiān)控市場的CMOS傳感器，每款均是集成度高的SoC，將后端的圖形流處理(IFP)、驅(qū)動IC、顏色處理、感光、白平衡等多個功能集于一塊芯片中，易于設(shè)計。此外，值得一提的是，美光首創(chuàng)的電子云臺功能。“與傳統(tǒng)的機械云臺相比，這種電子控制的云臺無須添加馬達(dá)或任何移動組件，探頭尺寸從1平方英尺降到1平方英寸，同時也為系統(tǒng)提供商減少了許多維護(hù)工作和成本?！盋allagher說道。美光的一款針對中低端商業(yè)用戶的MT9D131還集成JPEG圖像處理功能。更重要的是，以上這些CMOS傳感器片上集成的數(shù)字LVDS輸出、數(shù)字視頻輸出為智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。 Callagher舉例說：“在傳統(tǒng)的CCTV監(jiān)控系統(tǒng)中，工作人員要面對滿屋子的監(jiān)視屏，這種情況下，監(jiān)控人員聚精會神工作11分鐘后就不能感覺到任何變化了。現(xiàn)在，通過智能監(jiān)控系統(tǒng)，我們將圖像傳感器監(jiān)控到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€DSP中進(jìn)行處理，由DSP來幫助分析各個攝像頭的變化，經(jīng)過DSP處理后的視頻數(shù)據(jù)再傳到圖像傳感，以NTSC或PAL格式輸出，這樣監(jiān)控人員可以更好、更準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)控?！贝送?，這種智能監(jiān)控系統(tǒng)還可根據(jù)不同的環(huán)境來實現(xiàn)不同的算法和程序。比如在大廈門前，用戶需要監(jiān)控有沒有來回走動的可疑人員；而在火車站需要監(jiān)控的是有沒有放在那里被遺漏的包裹。“目前，我們的圖像傳感器可搭配模擬器件公司的Blackfin處理器和德州儀器的達(dá)芬奇產(chǎn)品，實現(xiàn)特定應(yīng)用的智能監(jiān)控系統(tǒng)?！彼嘎兜馈? 他指出，要實現(xiàn)以上的圖像分析，需要以下幾個條件：一是需要CMOS傳感器提供的高速幀頻。二是超百萬像素的分辨率，具有縮放功能，以提供分析所需的足夠信息。三是需要高性能的DSP。四是需要在傳感器端集成更多的功能，因為由于有限的寬帶，圖像拍攝和處理都需要在前端，比如圖像分析、處理等工作，然后將信息通過以太網(wǎng)傳到后端。 Callagher指出，由于近年來無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，也導(dǎo)致IP視頻監(jiān)控市場的迅速上升?！皳?jù)我們客戶的反饋信息，IP視頻監(jiān)控設(shè)備近幾年的出貨量年增長率將達(dá)40%。” 雖然智能監(jiān)控給人們描繪了一幅美妙的場景，但是，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)并沒有像當(dāng)初人們預(yù)想的那樣迅速增長。對此，Pixim的John Monti指出：“最大的挑戰(zhàn)并不是來自于技術(shù)，而是人們的觀點。安保市場在接受新技術(shù)方面非常保守。許多安保交易員、集成商、分銷商和最終用戶對IP技術(shù)的了解有限，而且對于供應(yīng)商宣稱的更好性能和靈活性半信半疑。”他說，“因此，必須開展培訓(xùn)，以克服這些障礙。雖然這需要時間和耐心，但I(xiàn)P監(jiān)控時代正在開始，未來幾年將保持強勁增長勢頭。”