作者：Maurizio Di Paolo Emilio，Junko Yoshida

海康威視開發(fā)了首款具有AI功能的攝像機，這款攝像機結(jié)合了東西方設(shè)計的精華―― 中國制造的微輻射熱計和攝像機處理器與國外的AI/模擬/其他處理器件。本文拆解的是海康威視的一款熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機。

監(jiān)控攝像機全球市場規(guī)模在2019年已達200億美元，中國的海康威視（Hikvision）是其中最大的供應(yīng)商之一。

無論是在中國還是世界其他地區(qū)，過去幾年對監(jiān)控系統(tǒng)的需求都迅速增長。許多政府機構(gòu)和公司發(fā)現(xiàn)，在建設(shè)所謂的“智慧城市”時，攝像機必不可少，以實現(xiàn)無處不在的監(jiān)控功能。

海康威視2016年開發(fā)的熱成像攝像機之所以吸引了System Plus Consulting分析師的眼球，一個主要的原因是AI。海康威視將AI硬件和軟件相結(jié)合，開發(fā)出首款具有AI功能的攝像機。Yole Développement公司旗下分析機構(gòu)System Plus Consulting對這一攝像機進行了深入研究，揭秘了其背后所采用的技術(shù)。

在System Plus看來，海康威視攝像機的亮點在于結(jié)合了東西方設(shè)計的精華——“中國制造的微輻射熱計和攝像機處理器”與“非中國的AI/模擬/其他處理器件”。

海康威視在這一專業(yè)領(lǐng)域的競爭對手有中國的大華和宇視科技，以及德國的博世和瑞典的安訊士。

System Plus認為，由于海康威視能夠設(shè)計和制造自己的產(chǎn)品，因而顯得與眾不同。海康威視擁有自己的MEMS生產(chǎn)線，可完成MEMS封裝/測試，還有多條表面貼裝技術(shù)（SMT）生產(chǎn)線和較強的組裝能力。

英特爾、華為海思和Movidius（已被英特爾收購）提供海康威視攝像機獨有的三個關(guān)鍵組件：

英特爾的可重配方案完成微測輻射熱計輸出數(shù)字化之后的數(shù)字信號處理，并與Maxim Peltier控制器一起進行熱管理。

海思自己設(shè)計了一種芯片來完成圖像信號處理、視頻編碼和加密，并提供以太網(wǎng)接口。

Movidius處理器實現(xiàn)AI應(yīng)用的視覺處理。

下面深入到海康威視熱成像攝像機的內(nèi)部看一看。

熱成像攝像機

熱成像攝像機能夠檢測到人體產(chǎn)生的熱量，通過復(fù)雜的信號分析將其轉(zhuǎn)換為圖像——這些圖像是通過溫度檢測和分析來而產(chǎn)生的。在過去幾年中，由于采用了微測輻射熱計，大大降低了熱成像應(yīng)用的成本。

微測輻射熱計是檢測紅外線的傳感器，由熱敏感點網(wǎng)格（像元）組成，每個像元又由不同的層和不同的吸收材料組成，如氧化釩或非晶硅（α-Si）。

在采訪System Plus Consulting時，筆者詢問了海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機所采用的技術(shù)及結(jié)構(gòu)，System Plus Consulting的技術(shù)人員講解了系統(tǒng)的電子和物理硬件結(jié)構(gòu)，重點介紹了系統(tǒng)的不同組件。

海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機采用基于氧化釩非制冷焦平面陣列的圖像傳感器（圖1），利用智能分析算法支持機場、鐵路等多個關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。該熱成像攝像機包含多個芯片組，如640×512像元陣列（17μm間距）RTD6171MR微測輻射熱計、FPGACyclone V 550MHz 224I/O（FBGA484）、SDRAM 2Gb（128M×16）800MHz 13.75ns（TFBGA96）、用于Peltier模塊的溫度控制器（TQFN48）、專業(yè)高清IP攝像機SoC、視覺處理器單元2×32Bit RISC Proc. 4Gb LPDDR3和DDR4 DRAM 8Gb（512M×16）2400Mbps。

這種熱成像攝像機所采用的技術(shù)和結(jié)構(gòu)使其能及時檢測公司和工業(yè)環(huán)境中的過熱和溫度變化，是防范火災(zāi)的理想選擇。

其VCA（視頻內(nèi)容分析）功能支持兩種完全不同的過程：一種是檢測時間和空間中的事件，另一種是分析視頻。它具有4種VCA規(guī)則類型（越界、入侵、進入?yún)^(qū)域和離開區(qū)域），支持多達8種VCA規(guī)則。

攝像機獲取熱圖像，使用戶可以在完全黑暗的環(huán)境和嚴苛的條件下檢測到人、物和意外情況。因為它僅對物體發(fā)出的紅外線敏感，所以無論現(xiàn)場的光線怎樣，都能查看和記錄圖像。

利用其溫度測量功能可以測量被監(jiān)控點的實際溫度，當溫度超過閾值時，會發(fā)出報警。下面來看看攝像機硬件的結(jié)構(gòu)。

圖1：海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機。（圖片來源：System PlusConsulting）

海康威視硬件

熱成像攝像機內(nèi)部包含6個電路板，每個電路板都有不同的用途。下面來分析其中的一些電路板（圖2和圖3）。Cyclone V SoC FPGA采用臺積電28nm低功耗（28LP）工藝，由一個雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器、多個外設(shè)和一個共享的多端口SDRAM控制器組成。使用這種FPGA，提高了處理器和FPGA之間集成數(shù)據(jù)的一致性，降低了功耗，并可支持超過100 Gbps的峰值帶寬。

圖2：海康威視的幾款電路板。（圖片來源：System PlusConsulting）

圖3：海康威視電子電路板2。（圖片來源：System PlusConsulting）

信號調(diào)理/放大器件由各種IC組成，包括AD8605ARTZ-REEL通用放大器、LT6203IMS8雙通道放大器（100MHz），以及LT1994IMS8差分放大器（70MHz）。AD8605ARTZ可提供極低的失調(diào)電壓、低輸入電壓和電流噪聲、以及寬信號帶寬。它采用ADI公司的專利DigiTrim修整技術(shù)，通過對加權(quán)電流源進行數(shù)字化來調(diào)節(jié)電路性能。

LT6202具有1.9nV/√Hz噪聲電壓，每個放大器僅消耗2.5mA電源電流。該放大器將低噪聲和電源電流與100MHz增益帶寬乘積、25V/μs壓擺率相結(jié)合，針對低電源信號調(diào)理系統(tǒng)進行了優(yōu)化。這種放大器在1MHz時諧波失真小于-80dBc，適用于低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如本文的熱成像攝像機。

LT1994適用于驅(qū)動差分輸入、單電源ADC，是以地為基準的信號進行電平轉(zhuǎn)換的理想選擇。LT1994的輸出共模電壓與輸入共模電壓無關(guān)，通過在VOCM引腳上施加一個電壓來調(diào)節(jié)，其數(shù)據(jù)手冊中對此有相關(guān)描述。

ADS1112IDGSR 16位ADC和LT3042IDD加上FPGA用于調(diào)理電路。ADS1112專為對空間和功耗有較高要求的高分辨率測量應(yīng)用而設(shè)計。LT3042IDD是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，可為噪聲敏感的RF應(yīng)用供電。在電路板3和電路板1上，還有其他IC來支持相關(guān)集成子系統(tǒng)的電源，例如線性穩(wěn)壓器和降壓轉(zhuǎn)換器。其成本的80％來自微測輻射熱計（氧化釩），Peltier電池及其溫度控制電路為它提供支持。

透鏡

支持微測輻射熱計的主要模塊由各種透鏡組成，用來優(yōu)化傳感器上的紅外光束。圖4和圖5顯示了直徑為19.6mm的鍺（Ge）透鏡，以及兩個直徑不同的三硒化二砷（As2Se3）透鏡，其中一個直徑為17.6mm，另一個為27.6mm。

圖4：攝像機模塊。（圖片來源：System PlusConsulting）

圖5：鏡頭模塊。（圖片來源：System PlusConsulting）

在光學中，F(xiàn)值（有時稱為焦比或相對孔徑）是光學系統(tǒng)的參數(shù)，表示光的接收面積，即焦距除以孔徑。孔徑較大的透鏡可以讓更多的光或紅外線通過，大量的紅外線可根據(jù)信噪比改善測量效果。參數(shù)“NETD（噪聲等效溫差）”通常以毫開爾文（mK）表示，可用于判定測量質(zhì)量，衡量熱圖像探測器分辨熱輻射圖像細微差別的能力。基于微測輻射熱計的非制冷熱成像攝像機的典型值約為45mK。

微測輻射熱計

非制冷傳感器由電阻像元網(wǎng)格構(gòu)成，這類傳感器稱為微測輻射熱計。吸收元件上的每次入射輻射都會使其溫度上升到超過電阻的溫度，吸收功率越高，溫升越高。電阻值隨入射輻射（特別是使表面溫度升高的紅外線）而變化。每個像元均由CMOS輸入單元（讀出集成電路-ROIC）表示，通過調(diào)理電路進行處理，以便由FPGA在計算機或監(jiān)視器上生成圖像（圖6和圖7）。通常可對微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以便在8~14μm的光譜帶中獲得更高的靈敏度。海康威視DS-2TD2166-15/V1中使用的傳感器是IRAY RTD6171MR，640×512像元陣列（17μm間距），60Hz模擬輸出，是表面貼裝器件。

圖6：微測輻射熱計IRAY RTD6171MR。（圖片來源：System PlusConsulting）

圖7：拆開的RTD6171MR 17μm微測輻射熱計。吸氣劑可顯著減少滲出的氣體，使封裝內(nèi)部保持低壓。（圖片來源：System PlusConsulting）

由System Plus總結(jié)的微測輻射熱計的物理特性如下：

裸片面積：175.2mm2（13.6×12.8mm）

像元面積：96.4mm2（10.9×8.85mm）

像元陣列：641×520

有源像元陣列：640×512

焊墊數(shù)目：107

引線鍵合：32

對微測輻射熱計內(nèi)部進行分析，發(fā)現(xiàn)吸收材料的下方有一個反射器，它與襯底接觸，可以對雜散光重新定向，從而優(yōu)化信號。吸收材料“懸浮”在襯底上以實現(xiàn)隔熱，真空封裝的像元網(wǎng)格則可提高耐用性和可靠性。熱成像攝像機采用的大多數(shù)微測輻射熱計都使用氧化釩作為吸收材料，因為這種材料具有較好的熱對比度，可確保圖像更準確、更清晰。

對于典型的電阻，氧化釩探測器的阻抗約為100kΩ，而α-Si探測器的阻抗通常為30MΩ。在這些條件下，氧化釩材料的Johnson噪聲電壓較低，因此測量時的噪聲較小。Johnson噪聲電壓取決于三個條件：電阻值、電路帶寬和溫度。

攝像機包含一個溫度基準元件，通過帶片內(nèi)基準電壓源的AD5645RBRUZ四通道14位DAC和用于Peltier模塊的MAX1978ETM+T溫度控制器來穩(wěn)定Peltier溫度。

Peltier電池是價格低廉的熱電組件，在發(fā)電、制冷和精確的溫度控制等應(yīng)用中使用，可將物體溫度恒定保持在設(shè)定值。Peltier電池的工作原理基于熱電現(xiàn)象，即在兩種不同金屬材料的PN結(jié)中形成電壓差。

MAX1978包含片內(nèi)功率FET和熱控制環(huán)電路，可最大程度減少使用外部元件，同時保持高效率。超低漂移斬波放大器可將溫度穩(wěn)定性保持在±0.001°C。溫度傳感器安裝在鏡頭模塊上，基于NTC/PTC熱敏電阻。還有一個數(shù)字溫度傳感器TMP75AIDRG4，可監(jiān)控由FPGA直接管理的系統(tǒng)（環(huán)境）溫度。

與其他類型的紅外檢測設(shè)備不同，氧化釩微測輻射熱計無需制冷。氧化釩在不同溫度下顯示出不同的特性。鍍膜玻璃可以在某些特定溫度下阻擋紅外線（而不是可見光），使攝像機電子器件能夠?qū)﹄姶殴庾V中的圖像進行偽彩色處理并將其復(fù)原。

其他模塊

熱成像攝像機利用SP3232EEN-L接口IC支持工業(yè)接口RS232傳輸，同時還通過RTL8201FI-VC-CG支持以太網(wǎng)傳輸。電路板6（圖2）包含的AC/DC電源系統(tǒng)帶有瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS），可以避免電子電路遭受瞬變和過電壓，如EFT（電快速瞬變）和ESD（靜電放電） 。

熱成像攝像機還包含PoE（以太網(wǎng)供電）接口，該接口由TI的TPS2378DDDAR PoE高功率PD接口和TL2845BDR-8電流模式PWM控制器支持。TL2845BDR-8電流模式PWM控制器以最少數(shù)量的外部器件，提供了實現(xiàn)離線式或DC-DC固定頻率電流模式控制方案需要的所有功能。

TPS2378DDAR的內(nèi)部開關(guān)電阻較低，只有0.5Ω，PowerPAD封裝的散熱性能也提高了，因而PoE系統(tǒng)能夠連續(xù)處理高達0.85A的電流。以太網(wǎng)供電（PoE）是一種通過雙絞線輸電的技術(shù)，提供電源的設(shè)備稱為供電端設(shè)備（PSE），被供電的設(shè)備稱為受電端設(shè)備（PD）。當PD連接到PSE時，PoE標準規(guī)定了流入PD的浪涌電流，以防止出現(xiàn)大電流尖峰。另外，PoE標準在PSE和PD之間提供了模擬握手（分級）以協(xié)商功率。

該熱成像攝像機由適合專業(yè)高清IP攝像機的HI3519 V111 SoC提供視頻支持，它使用H.265視頻壓縮編碼器以及先進的低功耗技術(shù)和架構(gòu)設(shè)計。Hi3519 V101利用硬件和算法來設(shè)計各種型號的IP攝像機和音頻編解碼器，支持90°或270°旋轉(zhuǎn)和鏡頭失真校正。該SoC由兩對4Gb DDR4存儲器和GD5F2GQ4UB9IGR閃存NAND 2Mb SPI支持。

電路板4（圖2）上包含運行在933MHz頻率下的英特爾Movidius MA2450 VPU 2×32Bit RISC Proc.4Gb LPDDR3，系統(tǒng)利用它可以快速識別物體和人，分析公共人群信息，檢查制造的產(chǎn)品等。計算機視覺利用深度學習形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，指導系統(tǒng)進行圖像處理和分析。

采用制冷和非制冷探測器的各種熱成像攝像機在市場上各領(lǐng)風騷。帶制冷傳感器的熱成像攝像機價格更高，現(xiàn)代制冷熱成像攝像機的圖像傳感器中集成了一個低溫制冷器。

由于采用了微測輻射熱計，熱成像攝像機能以低成本提供高精度。攝像機測量發(fā)熱物體的表面溫度，并將其作為圖像投影到熱成像顯示屏上。

編輯：hfy