視頻監(jiān)控中的傳感器技術(shù)和像素資料下載

作者：John Gabay, Mouser Electronics 視頻監(jiān)控的好處多多，作為一組遠(yuǎn)程眼線，視頻監(jiān)控可以在異地位置某個點上以虛擬形式出現(xiàn)在現(xiàn)場。更重要的是，攝像頭可以覆蓋一大片連續(xù)視野，能夠穩(wěn)定的移動照相并同時保持持續(xù)的掃描搜索模式。 視頻系統(tǒng)也能在人類無法到達(dá)的地方繼續(xù)發(fā)揮作用。已知最早的視頻監(jiān)控技術(shù)用于1942年開發(fā)和發(fā)射的V-2火箭的安全監(jiān)控。在一個安全的距離之外，科學(xué)家和工程師可以遠(yuǎn)程觀察火箭的表現(xiàn)，并確定故障。 此后，視頻系統(tǒng)已經(jīng)成為人類眼睛和耳朵的擴(kuò)展延伸之物。技術(shù)及制造的不斷發(fā)展與進(jìn)步，促使視頻監(jiān)控質(zhì)量也在不斷提升，目前我們已經(jīng)可以安心地依靠它來從事安全防范。 光線的秘密 感光材料可以根據(jù)光的存在與否改變其電阻或電導(dǎo)。早期的單色視頻系統(tǒng)，如20世紀(jì)50年代的RCA視像相機(jī)系統(tǒng)使用帶有感光硒板的真空管，這個硒板充當(dāng)被感測圖像的焦平面。 電子束將掃描該感光板，在精確時間量下生成的電流正比于命中感光板的光線數(shù)量。因此，光柵掃描管產(chǎn)生電子視頻信號，這些信號可以容易地進(jìn)行長距離傳輸。CRT電視再以相反的順序使用這些信號，通過電子束掃描熒光屏，從而重現(xiàn)圖像中光強(qiáng)度相符的光線。 曾經(jīng)幾十年間，視頻只能單色感測和實時顯示圖像。為創(chuàng)建彩色傳感器，在每個傳感器的前面放置了濾色片，將相應(yīng)光的模擬電平限制在匹配原色彩的強(qiáng)度上。在電子束的路徑中放置色磷光體，以生成相應(yīng)色光。色同步信號晶體的出現(xiàn)有助于在視頻信號中同步色分量。 隨著時間的推移，這些真空管取得了穩(wěn)步發(fā)展并不斷改進(jìn)，包括更高分辨率，更低功耗，更小制造成本以及更高可靠性。閉路電視（CCTV）和廣播產(chǎn)業(yè)隨之誕生，并以更快的步伐推動持續(xù)進(jìn)步。 不利的一面是，這些技術(shù)中采用易碎的玻璃，并且電路中的電壓也變得更高。尺寸約束導(dǎo)致基于電子管圖像傳感器的外形很大，組裝起來很笨重。多虧了現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，這種局面最終得以轉(zhuǎn)變。 固態(tài)傳感器技術(shù) 在70年代初，電荷耦合器件（CCD）進(jìn)入人們的視野，它將帶有存儲器件的精密陣列與半導(dǎo)體制造進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。陣列中的單個光敏圖像元件傳感器同步地設(shè)置對應(yīng)觸發(fā)器的狀態(tài)。反過來，這些傳感器連接成菊花鏈架構(gòu)，整體表現(xiàn)像一個移位寄存器。通過時鐘驅(qū)動移位寄存器將生成一個同步視頻流。 最初一維傳感器陣列應(yīng)用在掃描儀和傳真機(jī)等設(shè)備中，二維和最終彩色CCD版本的出現(xiàn)，使視頻圖像傳感器的尺寸大幅縮小，同時也降低了功耗需求。 不再需要人工參與 由于缺乏可用的記錄技術(shù)，早期的CCTV系統(tǒng)需要人工觀察，并且觀察者只有一次機(jī)會從檢測到的事件中提取盡可能多的信息。而這之后，圖像將永遠(yuǎn)消失。 這樣的CCTV系統(tǒng)中，由人類進(jìn)行場景識別，檢測關(guān)注的活動，并作出決策確定是否警報。本質(zhì)上來說，在報警環(huán)路中某個人充當(dāng)了控制處理器，這個人來做出一位信息的決策，即是否觸發(fā)報警器。 線性CCD傳感器開始改變這一狀況，因為它具備讀取條形碼和識別模式的編程能力。在現(xiàn)代電話、數(shù)碼相機(jī)和機(jī)器視覺系統(tǒng)中，使用的兩維傳感器提升了分辨率和擴(kuò)展了光譜感光度，同時減少了尺寸和功耗并降低了外部透鏡組件的需求。 機(jī)器視覺與人工智能結(jié)合在一起，衍生了新一代監(jiān)視系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)中需要更少的人工參與，具備更低的成本以及更高水平的目標(biāo)可編程檢測（以及追蹤）能力。這些需求也推高了工程師的設(shè)計水準(zhǔn)，他們需要使用前所未有的更高處理能力的部件來集成更高級別的功能。 設(shè)計難題和關(guān)注 如果沒有現(xiàn)代存儲器的高速存取和高集成度，如果沒有現(xiàn)代嵌入式處理器的強(qiáng)大性能，下一代智能監(jiān)控系統(tǒng)就無法保證合理的成本和尺寸大小。其中的一個主要原因是，每增加點圖像分辨率，都將給系統(tǒng)設(shè)計的其余部分帶來新的負(fù)擔(dān)。 較早的8位4 MHz傳統(tǒng)處理器在幫助設(shè)計師實現(xiàn)早期數(shù)字控制環(huán)路和信號處理和實時控制中所需的數(shù)字技術(shù)是夠用的，但在解決智能安防需求時速度卻不夠快。其主要原因可以歸結(jié)為對內(nèi)存需求的指數(shù)級增長。 例如，一個簡單的傳統(tǒng)復(fù)合視頻攝像機(jī)擁有總計525條的掃描線，并且每條線都可能使用不同的采樣速率。其中的二十一條用于垂直消隱。在低端方面，現(xiàn)代CCD圖像傳感器的數(shù)字分辨率起始于?VGA（320×240）。 在?VGA的分辨率上，需要76800個字節(jié)來表示一幀（8位分辨率時）。使用8位RGB技術(shù)（一個字節(jié)來表示紅色、綠色和藍(lán)色），字節(jié)數(shù)將達(dá)到230400。這兩種情況都超出了傳統(tǒng)處理器的尋址范圍。 隨著分辨率增加，內(nèi)存需求也大幅上升。即使在640×480的VGA分辨率下，一個單色幀也需要307,200字節(jié)，而在使用24位顏色調(diào)色板時彩色幀則需要近1兆字節(jié)。 數(shù)據(jù)量需求還要繼續(xù)膨脹。在每秒30幀（這是典型的閃爍融合率）時，需要近28兆字節(jié)來緩沖一秒的VGA視頻。下面幾種常見視頻標(biāo)準(zhǔn)分辨率的比較也突顯了日益苛刻的約束。 水平分辨率 垂直分辨率 圖形元素個數(shù) 24位時單幀數(shù)據(jù)量 一秒緩沖數(shù)據(jù)量 標(biāo)準(zhǔn) 320