需求引发革命 新一轮“芯际”大战打响

    近年来，视频监控的革新技术逐步获得应用。例如，监控系统对事前防范、实时监看及IVA智能分析的需求，逐渐转向监控前后端部份SoC单芯片上，通过整合的方式取代原本单纯的硬件图像处理。就目前而言，视频编码技术将主要采用ASIC和DSP两种方案。ASIC芯片由于设计及生产周期过长，逐渐不能满足视频编码芯片处理速度的要求;而DSP由于其通用设计，能够结合各种视频编码算法，紧跟视频编码的发展速度，配置更灵活，优化编码器的效能。

    另外，960H方案技术搭配CODEC芯片应用于DVR产品，虽然引起行业关注，但在无法获得一个有效的Decoder解决方案之前，多数厂商暂不会考虑在CODEC上做960H技术开发。而H.264/AVC的CODEC编译码芯片，由于压缩编码效率、视频内容自适性处理能力，以及对IP及移动网络的自适应处理能力、抗干扰能力等方面一直优于MPEG-4，目前H.264Mainprofile已经成为编解码芯片的主流格式。

    H.264的CODEC芯片应用范围相当广阔，包括固定或移动的可视电话、移动电话、实时视频会议、视频监控、流媒体、多媒体、Internet视频、IPTV、智能手机以及视频信息存储等，都在向H.264靠近。压缩技术是压缩芯片效能实现的关键，在没办法改善网络环境的情况下，提升前端或录像端的压缩比才能迎合百万像素与HD高清分辨率呈现的要求。在高压缩比的技术发展下，高清视频储存的问题将不再困扰厂商。今年4月，MPEG-4国际标准协会已提出影像压缩H.265(也就是压缩率提高50%的H.264HVC格式)标准化讨论，2012或2013年能否出现H.265压缩格式更替趋势值得关注。

    芯片市场重新站队

    相较初期的数字视频监控市场，当前的格局显然已大有不同。现在CODEC编解码芯片的主流品牌以德州仪器(TI)、海思与智原(升迈)为主，其它品牌有NextChip、NXP、TechWell等(见表1)。我们可以看到，CODEC的应用以网络摄像机及DVR作区隔，同时，可以看到部份厂商以“一鱼二吃”的方式来设计CODEC，其中又以海思的35xx系列CODECSoC设计为典型。  

    海思采用ARM9CPU，以其效能及处理的速度优势，加上充份开放SDK，使得摄像机及DVR制造商在产品开发设计上可以拥有充份的自主权，特别是海思3530的加入让这态势更为明显，而这也是海思的CODEC能够在安防网络视频编解码市场迅速获得占有率的主要原因。智原GrainMedia88系列在加入新的81及85系列之后，除了支持IP网络摄像机开发之外，还可以支持高清DVR的应用，从中不难看出智原在高清DVR芯片市场的竞争力与企图心。德州仪器的CODEC编解码芯片则挟其高清、高解析能及强大DSP图像处理效能，形成一个高端的客户群体，而这也是TI芯片产品大部分出现在一线厂商或较为高端的DVR、网络摄像机产品的原因。Nextchip则中低端产品使用较多，由于韩国大部份厂商目前都朝向HD(HD-SDI)模拟高清发展，Nextchip能固守标清产品市场。

    从地域划分来看，我们观察到一个有趣的现象。除了TI跨越了国家与地区的藩篱之外，其他品牌有着很明显的地域区隔。海思的主要市场在中国大陆，韩国除了TI在高端产品占有一席之地，也是Nextchip的主要市场，智原与台湾厂商合作密切毋庸置疑。这或许是个不具规律性的表面现象，但也不难看出与投入产品开发与研究的成本相关。  

    现有CODEC芯片商中，海思以较快的速度在国内拥有较高的市场占有率受到关注，具体原因分析如下：

    CODEC均为ARM9Base的DSP架构，目前仅有TI的TM3200DM6467系列可以与它比较;

    CODEC在封装上除3520外其余都为441pin，在电路板布局及设计方面对厂商来说省时且有成本优势;

    低功消耗;

    SDK开发包的全部开放方便厂商做二次开发,这是访察厂商共同表示的主因之一;

    SoC可以运用于网络摄像机/DVS/DVR上，不像别的厂家对DVR及网络摄像机有特定型号的区分;

    CODEC提供全系列CBR/VBR的控制功能;

    CODEC在前端部份对动态侦测及部份影像处理因ARM架构而成为标准,除TI以外期他厂家都必须另外包入才能达到此功能,这也是访察厂商共同表示的另一个主因;

    压缩格式为H.264Mainprofilec或Baseline,这是优势却也是低阶产品采用时的障碍;

    价格在TI之下,以TM3200DM64x为例，TI9.9USD同级海思Hi3515则压在9.7-9.5USD，同样完成一台16chDVR，可降低约10-17美元，这是很大竞争空间。

    其CODEC(SoC)以不同的项目功能来区分等级及用途，透过SDK开发包的开放，提供技术支持及参与客户及合作伙伴的产品开发。

    制造商如何选择适当的SoC方案

    考虑到应用需求与录像质量要求，以及搭配报警或是门禁等子系统的需求,厂商在生产DVR或IPCamera之前都必须先做客户端需求调查及市场反应,才能在初步的产品架构上去做出功能架构。然而，在做出功能架构之后，列出生产材料及成本BOM表后发觉可能成品会因价格因素无法在市场推出或营销。因此，研发人员在设计产品之初，就必须有一套主要组件的选型采用评估机制。

    制造商在选择SoC方案时，除了考虑产品开发出来的独特功能、带宽需求、压缩效能等之外，更多地考虑最终结果是否与客户需求吻合，后者也是制造商选择核心元器件的决定性因素。

    网络数字监控系统以影像压缩处理技术为核心，在组件芯片上利用光电感、网络、数据控制及接口转换等技术来形成一个网络摄像机或是数字录像机，这些设备除了具有传统闭路电视监视系统的功能以外，还必须具有远程分析辨识及传输、存储、自我检测与报警等功能。需求的满足必须充分掌握和熟悉客户端的使用特性，尤其是在视频数据压缩、视频分析、视频流传输与存储等技术方面。

    如何选择SoC芯片方案，可从视频压缩、图像处理、视频传输、视频显示、视频分析以及存储六大核心要素。这些核心要素影响到压缩技术标准的制定，使得在编解码技术方面从MJPEG发展到MPEG-4再到H.264成为主流标准。下面从四个方面来看待芯片选型。

    网络传输标准筛选原则

    分析安防监控市场的需求，目前SD标清的客户量仍然居多，标清的售价越来越低，同时高清HD需求快速成长，因此，以需要标清还是高清作为芯片选型的第一步。这需要先区隔标清与高清的需求及数量。

    标清以低成本高产能、低功能性为主诉求选择芯片，高清则以画面质量内容及功能为主。在进行网络传输时，标清和高清在延时方面也需要差异化设计，同时导致效能和成本都不同。

    严格选择不同的芯片组件，以满足不同的网络条件，如此一来，就可以避免出现一些不合理的情况发生，如高效能芯片配低标产品或低效芯片配高标产品。

    智能化要求筛选原则

    智能视频监控市场的需求千奇百怪，除了动态划线划框等基本功能之外，智能化的视频及声音识别分析的需求也越来越多，而且越来越强调多样化、高稳定及信赖度。这些技术内容包含分析及识别软件，例如移动物体的大小、姿态、行进方向，人脸轮廓，人车行走路线追踪、跟随，不明物体的出现、消失或移动监测，天然或人为灾害的监测，人员车辆进出统计，人员或车辆行为模式的分析，车牌、车型或颜色识别等。前后端增加必要的职能视频分析需求之后，视频分析也成为设计与研发摄像机、DVR时选择芯片方案的参考要素。尤其是当IVA视频识别分析技术逐渐在编解码芯片上显示出重要性时，实现芯片级的智能分析也成为一个热门话题。实现智能化，可以让开发人员预先定义配置和固件API，允许设置比特率、帧速率等参数以及GOP结构、H.264等工具，通过可进行编程设计的DSP，以及高效的CPU运行实现更强大的视频分析性能。

    高清要求筛选原则

    目前，监控市场的起始规格为720P@30fps，2011下半年则更一步提升到720P@60fps或1080P@30或60fps。这些要求都给制造商带来了压力，“看到细节”成为摄像机CODEC芯片选型的基本条件，尤其在一些特定的应用上，如人脸或车牌辨识甚至需要1080P@60pfs或500万像素的高清规格。

    为了满足高清化的需求，除了传感器技术走向高端的CMOS(1.3M,2M,5M)外，图像处理方面的宽动态(HDR)和低照度(lowlux)都需要迎头赶上，在编解码芯片部分，高清高阶图像处理器(ISP)加上高清编码技术(H.264)也就成为芯片选型的重要选项。

    行业需求的筛选原则

    在摄像机及DVR都必须考虑到不同行业的应用需求，以此来考虑在产品设计开发时所需的芯片。例如，在高速移动目标中，数字图像处理有高速度和高帧率捕捉细节的必要，同时需要配置高速度快门传感器才能捕捉瞬间图像。在全彩的图像识别中，良好的低照特性能和低耗必不可少，必须要求非常低的延时和无损失压缩才能满足。在逆光目标的图像捕捉及辨识中，要求芯片具备高效能的HDR强光抑制和高速的自动曝光AES能力，对于光线在前后景深不同下产生的动态光线差异，则须要使用具有超级宽动态WDR范围，以便仍然可以撷取到光线较差部份的清晰图像，以及在高清的条件下可以提供超过30fps的图像帧数。这些特殊要求都需要芯片商在嵌入DSP处理器下来完美执行。

    而这些需求的实现的确会带来挑战，因此，需要制造商采用不同的处理器件及各种配置的PFGA来应对同条件下的影像逻辑处理。

    芯片整合与独立这条路如何走

    过去一年中，很多厂商或是客户端仍然对于CODEC图像编解码芯片是否该包入整合图像处理ISP及IVA智能分析识别而争论不休。

    过去很多人都认为认为整合式芯片SoC的整合包入ISP后的效能差异在于会不会影响CPU处理速度及暂存内存的大小，其实，这样的观念是错的。整合式芯片的效能其实是在于CODEC图像处理的码流数(Multi-stream)、界面型式及数量，以及最重要的是因应解码后信号格式的要求。从前端编码器出来的BT.656或是BT.1120信号，在影像编解码过程中到底被编解码了多少次，这影响到图像清晰度和延时，而不同芯片厂所制造出来的CODECSoC芯片之间也存在差异，芯片整合或独立的关键，在于应用项目对效能以及视频码流数的需求。

    芯片方案发展趋势

    从整个CODECSoC视频监控编解码芯片发展过程来看，图像压缩技术快速发展推动了图像压缩标准的制定，从而促使嵌入式架构及ARM及X86信号CPU处理器得以应用在编解码芯片平台上，DSP数字信号处理器的高性能和低功耗的可编程设计，让SoC成为嵌入式图像压缩的理想平台。在这样的通用平台上集成多个不同的图像界面以及I/O接口，让SoC得以发展成为目前备受关注的多媒体处理器，以应对监控产品的推陈出新。SoC除了具有高速的ARM或x86及DSP核心系统之外，视频辅助与子系统的处理器如高清输出端口及报警门禁I/O或是画面多媒体处理器也被加入到其中，这也是目前编解码芯片越来越明确的发展趋势。

    在智能分析和高清成为主流需求的情况下，除了DSP应对一般的图像处理之外，FPGA运算优势也逐渐被重视并被纳入协处理器中。随着智能监控项目的增加，以FPGA的高速运算搭配DSP的良好信号处理能力得到重视。FPGA可以在复杂的图像处理方面代替DSP，例如视频分析及各种宽动态范围的图像压缩处理等。对于高清图像处理来说，FPGA更能提供自动曝光、自动白平衡、宽动态范围等功能，以往DSP费力应对，只要在芯片架构中加入FPGA就可以完成复杂的矩阵运算，这样使得编解码部分更具有灵活的扩展性。目前，大部分的高端监控设备已经在朝这个方向发展。

    SoC编解码芯片的技术发展必须包括传感器(CCD或CMOS)、图像处理器(ISP)、图像压缩编解码及网络传输，当然，也不可以忽略高清信号格式HDcctv的发展或SLOC的局部整合。厂商常说——没有一颗图像编解码单芯片CODECSoC可以完完全全地满足所有的数字视频监控需求，除非那是一颗已完备得可以应付任何监控系统要求，以及满足一切应用需求的单芯片。