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监控摄影机解决方案概述
传统上，监控摄影机市场都由闭路电视(close circuit television，CCTV)主导，这种电视使用电荷耦合部件(cCD)影像传感器、影像信号处理器(ISP)和专有的专用集成电路(ASIC)。但是，随着新技术的发展，以及设计要求的不断变化，在监控摄影机市场，网络通信协议(IP)或网络摄影机越来越流行。互补金属氧化物半导体(cMOS)传感器能够提供同等甚至更好的影像效能，而成本与功耗更低，帧速率更高。除了CCD和CMOS之间的效能差距正逐渐缩小之外，由于CMOS传感器具有更高的整合度，整体系统成本也得以降低。在一个以CCD为基础的摄影机中，系统部件需要一个CCD成像器、一个定时脉冲产生器、一个信号放大器、一个ISP和一个NTSC／PAL编码器。而另一方面，所有这些部件都可以被整合在一个单芯片CMOS传感器系统芯片(sOc)设计中，进而节省系统成本，降低功耗。
从CCTV转向IP摄影机的趋势发展带来若干好处，例如不再有NTSC／PAL分辨率标准的限制，可使百万画素影像传感器在IP摄影机设计中的采用越来越广泛。一个IP摄影机需要的典型部件包括一个影像传感器、一个ISP、一个编码器(压缩／解压)处理器，以及网络处理器。现在，许多处理器和ASIc都包含了诸如ISP、H.264编解码器、系统管理和以太网络MAC接口等整合功能。Aptina的百万画素成像器就是IP设计中采用影像传感器的一个例子，其效能之frame rate可高达720P与1080P60格／秒(fps)。在标准视频影格速率下，微光灵敏度可达0.5 lux。尽管标准视频影格速率为30 fps，但60fps的frame rate让摄影机制造商能够灵活地采用不同的快门宽度来捕捉场景内快速移动的物体。另外，像赌场这样的环境也需要高frame rate的视频监控，以获取必要的证据来指证诈赌者。IP摄影机发展的另一个主要趋势是采用宽广动态范围(WDR)。没有宽广动态范围，影像很可能曝光过度或曝光不足，导致影像不可使用。宽广动态范围技术解决了在兼具极暗和极亮区域的环境下捕捉影像的相关难题，让摄影机能够放置在几乎任何地方。
此外，视频分析也开始成为IP摄影机解决方案中越来越重要的因素。它是一系列的智能化视频技术，通过采用一组基于规则或基于启发式(heuristic—based)的视频处理算法来分析实时视频串流，以侦测特定事件。视频分析的主要进展是从以往透过在服务器上运算的方式转变为以摄影机内建具有视频分析功能的芯片的式解决方案，以达到更好的成本效益。随着数字信号处理器(DSP)和现场可程序设计门阵列(FPGA)的处理能力提高，过去只能在服务器上运行的许多运算现在能被整合到摄影机系统中，它们可以作为在处理器、DSP上运行的软件，或者是作为一个专用IP内核FPGA。
影像传感器选择的主要考虑因素
实际中，监控摄影机常常会碰到场景极亮和极暗的情况。为了能够在这些极端环境中捕捉信息，影像传感器一般不得不针对其中一种极端条件进行优化，代价则是另一种条件下的效能被降低。因此，挑战在于如何设计一个在所有场景条件下都能够运作优化的影像传感器。由于摄影机中的影像传感器必须能够捕捉亮和暗场景下的信息，这就明确意味着需要更大的高电位井(full-well，FW)容量和更高的灵敏度。然而，灵敏度提高会直接影响到传感器的FW容量、最大可能信号噪声比(SNR)，以及总动态范围(DR)。
对于大于2μm的画素，由于它的感光面积较大，故其FW容量常常由光电二极管的电荷保持能力而不是画素的电压摆幅来决定。为了提高该画素的电荷保持能力，通常是在浮动扩散(noaringdiffusion，FD)节点上连接一个物理电容器。不过，这样做一般会导致转换增益(conversion gain，CG)下降，这也就意味着灵敏度降低，输入参考(input-referred)读取噪声增加，尽管传感器有能力测试出更大的信号，弱光灵敏度和传感器的DR也随之受到影响。
扩展动态范围的方法有许多种，其关注点多半都是如何在内部场景(intra-scene)条件下获得宽广的动态范围；然而，这些宽广扩展动态范围技术不能提高弱光灵敏度或完全解决该问题，也不能降低噪声，改进弱光影像捕捉效能。因此，一种与众不同的方案应运而生，它透过在传感器中增加高灵敏度工作模式来提升场景间(inter-scene)动态范围和传感器效能。于是，两种工作模式被整合到一个画素设计中：低转换增益(LCG)模式，用于明亮场景下实现大负荷处理能力；高转换增益(HCG)模式，具有更高的灵敏度和低读取噪声，用于弱光场景。这种方案可为监控摄影机提供多重优势，让影像传感器在极端弱光条件下也能够捕捉影像／视频，同时又不牺牲极亮条件下的效能。
虽然现在摄影机的影像分辨率在不断提高，但画素的动态范围却随画素尺寸的缩小而减少，从而限制了重现光影自然分布逼真影像的能力。因此，多种实现宽广动态范围的不同画素方案相继推出，其中包括对数画素(logarithmic pixels)、横向溢出(1ateral overflow)、影格多重曝光(multi-exposure，ME)以及影格内多重曝光(IFME)等等。
这些实现宽广动态范围的方法都是为了获得较高的内部场景动态范围，这意味着一个场景内的暗部域和亮部都可以被正确曝光。其实现方法通常是利用多重曝光方案对一个影像进行多次曝光或多次影格捕捉，或者是利用一种非线性信号处理方式来降低更大曝光量下画素的回应度。这些技术一般都能够在一个影像中获得大于100 dB的超高动态范围，这对许多应用都非常有用，例如，即使场景其余部分被阳光或闪光照射，监控摄影机也可以清晰显露出罪犯的面孔。
高内部场景动态范围也带来一些缺点。例如，非线性画素的色彩再现能力和弱光灵敏度都很差，而固定图样案噪声(FPN)却较高。ME技术不仅需要额外的内存和后置处理，还会降低曝光转变点临近处的SNR，并且在一次时序中捕捉到的曝光量会产生动态假影，故而需要额外的动态补偿和极高的影格速率，以满足视频应用的需求。
但最重要的是，这些宽广动态范围技术不能提高弱光灵敏度或降低噪声，以改善弱光条件下的影像捕捉效能。因此，出现了一种不同，却又与宽广动态范围技术不相冲突的方案。这种方 案的焦点着重在场景间动态范围上，它在已有大负荷处理能力的画素中增加了一个单独的高灵敏度工作模式，其被称为动态响应画素技术，或AptinaTM DR—PixTM技术。这种技术需要连接画素FD节点的电容器在受控条件下开与关。为此，在画素中增加了一个被称为双转换增益(DCG)开关的晶体管。
在极亮条件下成像时，这个DCG开关导通，连接物理电容器与FD节点。采用这种方法，FD节点的大电容被用于启动LCG模式，这种模式可处理大量的信号电荷。在弱光条件下，DCG信号关闭，断开电容器与FD节点，进]x,HCG模式，在画素内部提供额外的模拟增益。在这种情况下，FD电容只是FD的pn结扩散和金属耦合产生的寄生电容，比物理电容小得多，从而致使转换增益和灵敏度得以大大提高，读取噪声降低，代价是最大负荷处理能力减少。
这种方案能够在弱光场景下提供高灵敏度和低读取噪声，在极亮场景下提供大负荷处理能力，所有这些功能都融入于一个画素设计中，从而实现极宽的场景间动态范围。这种方案虽然并没有扩展某种场景的动态范围，但通过增加HcG模式，弱光条件下传感器的照明范围被扩大。对于那些必须常常在弱光条件下捕捉视频的监控应用，这无疑是一项巨大的优势。
影像传感器技术的未来发展趋势
虽然宽广动态范围技术让摄影机安置在任何地方都能够顺利工作，并解决了在兼具极暗和极亮区域的环境下捕捉影像的相关难题，但监控摄影机还必须解决摄影机的快门问题，以减少或消除影像延迟现象。最早的影像感测技术采用了一种被称为电子快门装置的滚动快门(rollingshutter)，来满足早期电视架构及其它发送串行数据的媒介的需求。鉴于列平行读出(column-parallel readout)架构的使用历史悠久，在这种架构中，同一行的画素被同时读出，故滚动快门是在cM0s影像传感器内执行快门操作的自然选择。
CCD影像传感器中通常采用的全局快门(global shutter)画素技术具有重大优势，例如透过整个影格的实时影像捕捉来消除滚动快门拖影。不过，全局快门画素的使用需要额外的画素级内存，这也是阻碍全局快门获广泛采用的原因之一。目前，CMOs影像传感器供应供商正在透过解决以下众多技术领域的问题来缩小滚动快门与全局快门这两种方案之间的效能差距，包括填充因子(fill factor)／量子效率(QE)、全局快门效率(GsE)以及暗电流(darkcurrent)。在解决这些问题的过程当中，CM0s影像传感器供货商会提供画素尺寸更小、填充因子更大、GSE更高、暗电流更低、噪声更小的全局快门画素技术，更快更好地推动CMOs影像传感器取代CCD影像传感器。
结论
随着影像传感器技术的演进，Aptina公司不断致力于解决监控市场对于高效能影像解决方案时所面临的各种难题，并同时兼顾高成本效益。在满足监控摄影机市场的要求，为监控摄影机设计人员提供更具功能性和灵活性的CMOS影像传感器产品(如宽广动态范围WDR与Aptina的动态响应画素技术(DR-Pix)，CMOs影像传感器已成为监控市场主流并带动整体产业的更次革命。
APTlNA影像传感器的优势
从超亮到超暗场景的所有亮度条件下来捕捉高质量的60fps HD视频是非常具挑战性的任务。过去，百万画素传感器可以提供宽广动态范围或出色的弱光灵敏度，但无法二者兼顾。Aptina采用Aptina DR-Pix技术与多重曝光宽广动态范围成像技术而设计的最新HD百万画素传感器成功的把两者融合在～起。这种技术透过在所有画素上实现全局可程序设计转换增益调节，来匹配场景中的所有不同光照程度。此一技术，结合真正的相关两次采样(correlated double sampling)技术，可以让Aptina的MT9M033 HD成像器达成小于2e-rms的极低读取噪声和超过60％的领先量子效率。
为了获得大于100db的出色宽广动态范围，Aptina成像器采用了一种多重曝光技术。相较于把高电位井(full—well，FW)划分为好几个部分的传统横向溢出方法，Aptina的多重曝光系统充分利用了每个画素的全部FW容量，进而使多重曝光技术成为抑制光晕模糊现象(blooming)的最佳方法。为了进一步使Aptina的多重曝光宽动态范围系统臻于完善，设计人员又增加了特殊的读出和处理方案，以减少场景中快速运动物体造成的典型的宽广动态范围动态拖影。Aptina HD传感器整合了Aptina DR-Pix技术来提供60邱s的HD视频，这种影格速率让摄影机制造商能够灵活地采用不同的快门宽度来捕捉场景内快速移动的物体。利用这种技术，摄影机设计人员不再需要在速度、功耗、宽广动态范围和弱光效能之间进行折衷权衡，就能够创建出真正的HD摄影机。
传统上，监控摄影机市场都由闭路电视(close circuit television，CCTV)主导，这种电视使用电荷耦合部件(cCD)影像传感器、影像信号处理器(ISP)和专有的专用集成电路(ASIC)。但是，随着新技术的发展，以及设计要求的不断变化，在监控摄影机市场，网络通信协议(IP)或网络摄影机越来越流行。互补金属氧化物半导体(cMOS)传感器能够提供同等甚至更好的影像效能，而成本与功耗更低，帧速率更高。除了CCD和CMOS之间的效能差距正逐渐缩小之外，由于CMOS传感器具有更高的整合度，整体系统成本也得以降低。在一个以CCD为基础的摄影机中，系统部件需要一个CCD成像器、一个定时脉冲产生器、一个信号放大器、一个ISP和一个NTSC／PAL编码器。而另一方面，所有这些部件都可以被整合在一个单芯片CMOS传感器系统芯片(sOc)设计中，进而节省系统成本，降低功耗。
从CCTV转向IP摄影机的趋势发展带来若干好处，例如不再有NTSC／PAL分辨率标准的限制，可使百万画素影像传感器在IP摄影机设计中的采用越来越广泛。一个IP摄影机需要的典型部件包括一个影像传感器、一个ISP、一个编码器(压缩／解压)处理器，以及网络处理器。现在，许多处理器和ASIc都包含了诸如ISP、H.264编解码器、系统管理和以太网络MAC接口等整合功能。Aptina的百万画素成像器就是IP设计中采用影像传感器的一个例子，其效能之frame rate可高达720P与1080P60格／秒(fps)。在标准视频影格速率下，微光灵敏度可达0.5 lux。尽管标准视频影格速率为30 fps，但60fps的frame rate让摄影机制造商能够灵活地采用不同的快门宽度来捕捉场景内快速移动的物体。另外，像赌场这样的环境也需要高frame rate的视频监控，以获取必要的证据来指证诈赌者。IP摄影机发展的另一个主要趋势是采用宽广动态范围(WDR)。没有宽广动态范围，影像很可能曝光过度或曝光不足，导致影像不可使用。宽广动态范围技术解决了在兼具极暗和极亮区域的环境下捕捉影像的相关难题，让摄影机能够放置在几乎任何地方。
此外，视频分析也开始成为IP摄影机解决方案中越来越重要的因素。它是一系列的智能化视频技术，通过采用一组基于规则或基于启发式(heuristic—based)的视频处理算法来分析实时视频串流，以侦测特定事件。视频分析的主要进展是从以往透过在服务器上运算的方式转变为以摄影机内建具有视频分析功能的芯片的式解决方案，以达到更好的成本效益。随着数字信号处理器(DSP)和现场可程序设计门阵列(FPGA)的处理能力提高，过去只能在服务器上运行的许多运算现在能被整合到摄影机系统中，它们可以作为在处理器、DSP上运行的软件，或者是作为一个专用IP内核FPGA。
影像传感器选择的主要考虑因素
实际中，监控摄影机常常会碰到场景极亮和极暗的情况。为了能够在这些极端环境中捕捉信息，影像传感器一般不得不针对其中一种极端条件进行优化，代价则是另一种条件下的效能被降低。因此，挑战在于如何设计一个在所有场景条件下都能够运作优化的影像传感器。由于摄影机中的影像传感器必须能够捕捉亮和暗场景下的信息，这就明确意味着需要更大的高电位井(full-well，FW)容量和更高的灵敏度。然而，灵敏度提高会直接影响到传感器的FW容量、最大可能信号噪声比(SNR)，以及总动态范围(DR)。
对于大于2μm的画素，由于它的感光面积较大，故其FW容量常常由光电二极管的电荷保持能力而不是画素的电压摆幅来决定。为了提高该画素的电荷保持能力，通常是在浮动扩散(noaringdiffusion，FD)节点上连接一个物理电容器。不过，这样做一般会导致转换增益(conversion gain，CG)下降，这也就意味着灵敏度降低，输入参考(input-referred)读取噪声增加，尽管传感器有能力测试出更大的信号，弱光灵敏度和传感器的DR也随之受到影响。
扩展动态范围的方法有许多种，其关注点多半都是如何在内部场景(intra-scene)条件下获得宽广的动态范围；然而，这些宽广扩展动态范围技术不能提高弱光灵敏度或完全解决该问题，也不能降低噪声，改进弱光影像捕捉效能。因此，一种与众不同的方案应运而生，它透过在传感器中增加高灵敏度工作模式来提升场景间(inter-scene)动态范围和传感器效能。于是，两种工作模式被整合到一个画素设计中：低转换增益(LCG)模式，用于明亮场景下实现大负荷处理能力；高转换增益(HCG)模式，具有更高的灵敏度和低读取噪声，用于弱光场景。这种方案可为监控摄影机提供多重优势，让影像传感器在极端弱光条件下也能够捕捉影像／视频，同时又不牺牲极亮条件下的效能。
虽然现在摄影机的影像分辨率在不断提高，但画素的动态范围却随画素尺寸的缩小而减少，从而限制了重现光影自然分布逼真影像的能力。因此，多种实现宽广动态范围的不同画素方案相继推出，其中包括对数画素(logarithmic pixels)、横向溢出(1ateral overflow)、影格多重曝光(multi-exposure，ME)以及影格内多重曝光(IFME)等等。
这些实现宽广动态范围的方法都是为了获得较高的内部场景动态范围，这意味着一个场景内的暗部域和亮部都可以被正确曝光。其实现方法通常是利用多重曝光方案对一个影像进行多次曝光或多次影格捕捉，或者是利用一种非线性信号处理方式来降低更大曝光量下画素的回应度。这些技术一般都能够在一个影像中获得大于100 dB的超高动态范围，这对许多应用都非常有用，例如，即使场景其余部分被阳光或闪光照射，监控摄影机也可以清晰显露出罪犯的面孔。
高内部场景动态范围也带来一些缺点。例如，非线性画素的色彩再现能力和弱光灵敏度都很差，而固定图样案噪声(FPN)却较高。ME技术不仅需要额外的内存和后置处理，还会降低曝光转变点临近处的SNR，并且在一次时序中捕捉到的曝光量会产生动态假影，故而需要额外的动态补偿和极高的影格速率，以满足视频应用的需求。
但最重要的是，这些宽广动态范围技术不能提高弱光灵敏度或降低噪声，以改善弱光条件下的影像捕捉效能。因此，出现了一种不同，却又与宽广动态范围技术不相冲突的方案。这种方 案的焦点着重在场景间动态范围上，它在已有大负荷处理能力的画素中增加了一个单独的高灵敏度工作模式，其被称为动态响应画素技术，或AptinaTM DR—PixTM技术。这种技术需要连接画素FD节点的电容器在受控条件下开与关。为此，在画素中增加了一个被称为双转换增益(DCG)开关的晶体管。
在极亮条件下成像时，这个DCG开关导通，连接物理电容器与FD节点。采用这种方法，FD节点的大电容被用于启动LCG模式，这种模式可处理大量的信号电荷。在弱光条件下，DCG信号关闭，断开电容器与FD节点，进]x,HCG模式，在画素内部提供额外的模拟增益。在这种情况下，FD电容只是FD的pn结扩散和金属耦合产生的寄生电容，比物理电容小得多，从而致使转换增益和灵敏度得以大大提高，读取噪声降低，代价是最大负荷处理能力减少。
这种方案能够在弱光场景下提供高灵敏度和低读取噪声，在极亮场景下提供大负荷处理能力，所有这些功能都融入于一个画素设计中，从而实现极宽的场景间动态范围。这种方案虽然并没有扩展某种场景的动态范围，但通过增加HcG模式，弱光条件下传感器的照明范围被扩大。对于那些必须常常在弱光条件下捕捉视频的监控应用，这无疑是一项巨大的优势。
影像传感器技术的未来发展趋势
虽然宽广动态范围技术让摄影机安置在任何地方都能够顺利工作，并解决了在兼具极暗和极亮区域的环境下捕捉影像的相关难题，但监控摄影机还必须解决摄影机的快门问题，以减少或消除影像延迟现象。最早的影像感测技术采用了一种被称为电子快门装置的滚动快门(rollingshutter)，来满足早期电视架构及其它发送串行数据的媒介的需求。鉴于列平行读出(column-parallel readout)架构的使用历史悠久，在这种架构中，同一行的画素被同时读出，故滚动快门是在cM0s影像传感器内执行快门操作的自然选择。
CCD影像传感器中通常采用的全局快门(global shutter)画素技术具有重大优势，例如透过整个影格的实时影像捕捉来消除滚动快门拖影。不过，全局快门画素的使用需要额外的画素级内存，这也是阻碍全局快门获广泛采用的原因之一。目前，CMOs影像传感器供应供商正在透过解决以下众多技术领域的问题来缩小滚动快门与全局快门这两种方案之间的效能差距，包括填充因子(fill factor)／量子效率(QE)、全局快门效率(GsE)以及暗电流(darkcurrent)。在解决这些问题的过程当中，CM0s影像传感器供货商会提供画素尺寸更小、填充因子更大、GSE更高、暗电流更低、噪声更小的全局快门画素技术，更快更好地推动CMOs影像传感器取代CCD影像传感器。
结论
随着影像传感器技术的演进，Aptina公司不断致力于解决监控市场对于高效能影像解决方案时所面临的各种难题，并同时兼顾高成本效益。在满足监控摄影机市场的要求，为监控摄影机设计人员提供更具功能性和灵活性的CMOS影像传感器产品(如宽广动态范围WDR与Aptina的动态响应画素技术(DR-Pix)，CMOs影像传感器已成为监控市场主流并带动整体产业的更次革命。
APTlNA影像传感器的优势
从超亮到超暗场景的所有亮度条件下来捕捉高质量的60fps HD视频是非常具挑战性的任务。过去，百万画素传感器可以提供宽广动态范围或出色的弱光灵敏度，但无法二者兼顾。Aptina采用Aptina DR-Pix技术与多重曝光宽广动态范围成像技术而设计的最新HD百万画素传感器成功的把两者融合在～起。这种技术透过在所有画素上实现全局可程序设计转换增益调节，来匹配场景中的所有不同光照程度。此一技术，结合真正的相关两次采样(correlated double sampling)技术，可以让Aptina的MT9M033 HD成像器达成小于2e-rms的极低读取噪声和超过60％的领先量子效率。
为了获得大于100db的出色宽广动态范围，Aptina成像器采用了一种多重曝光技术。相较于把高电位井(full—well，FW)划分为好几个部分的传统横向溢出方法，Aptina的多重曝光系统充分利用了每个画素的全部FW容量，进而使多重曝光技术成为抑制光晕模糊现象(blooming)的最佳方法。为了进一步使Aptina的多重曝光宽动态范围系统臻于完善，设计人员又增加了特殊的读出和处理方案，以减少场景中快速运动物体造成的典型的宽广动态范围动态拖影。Aptina HD传感器整合了Aptina DR-Pix技术来提供60邱s的HD视频，这种影格速率让摄影机制造商能够灵活地采用不同的快门宽度来捕捉场景内快速移动的物体。利用这种技术，摄影机设计人员不再需要在速度、功耗、宽广动态范围和弱光效能之间进行折衷权衡，就能够创建出真正的HD摄影机。