監(jiān)控?cái)z像機(jī)全球市場(chǎng)規(guī)模在2019年已達(dá)200億美元，中國(guó)的海康威視（Hikvision）是其中最大的供應(yīng)商之一。

無(wú)論是在中國(guó)還是世界其他地區(qū)，過(guò)去幾年對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的需求都迅速增長(zhǎng)。許多政府機(jī)構(gòu)和公司發(fā)現(xiàn)，在建設(shè)所謂的“智慧城市”時(shí)，攝像機(jī)必不可少，以實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的監(jiān)控功能。

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

在System Plus看來(lái)，海康威視攝像機(jī)的亮點(diǎn)在于結(jié)合了東西方設(shè)計(jì)的精華——“中國(guó)制造的微輻射熱計(jì)和攝像機(jī)處理器”與“非中國(guó)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有中國(guó)的大華和宇視科技，以及德國(guó)的博世和瑞典的安訊士。

System Plus認(rèn)為，由于海康威視能夠設(shè)計(jì)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(cè)試，還有多條表面貼裝技術(shù)（SMT）生產(chǎn)線和較強(qiáng)的組裝能力。

英特爾、華為海思和Movidius（已被英特爾收購(gòu)）提供海康威視攝像機(jī)獨(dú)有的三個(gè)關(guān)鍵組件：

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

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

Movidius處理器實(shí)現(xiàn)AI應(yīng)用的視覺(jué)處理。

下面深入到海康威視熱成像攝像機(jī)的內(nèi)部看一看。

熱成像攝像機(jī)

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

微測(cè)輻射熱計(jì)是檢測(cè)紅外線的傳感器，由熱敏感點(diǎn)網(wǎng)格（像元）組成，每個(gè)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(shí)，筆者詢問(wèn)了海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(diǎn)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(jī)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(jī)場(chǎng)、鐵路等多個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。該熱成像攝像機(jī)包含多個(gè)芯片組，如640×512像元陣列（17μm間距）RTD6171MR微測(cè)輻射熱計(jì)、FPGA Cyclone 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(jī)SoC、視覺(jué)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(jī)所采用的技術(shù)和結(jié)構(gòu)使其能及時(shí)檢測(cè)公司和工業(yè)環(huán)境中的過(guò)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(guò)程：一種是檢測(cè)時(shí)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(jìn)入?yún)^(qū)域和離開(kāi)區(qū)域），支持多達(dá)8種VCA規(guī)則。

攝像機(jī)獲取熱圖像，使用戶可以在完全黑暗的環(huán)境和嚴(yán)苛的條件下檢測(cè)到人、物和意外情況。因?yàn)樗鼉H對(duì)物體發(fā)出的紅外線敏感，所以無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)的光線怎樣，都能查看和記錄圖像。

利用其溫度測(cè)量功能可以測(cè)量被監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)際溫度，當(dāng)溫度超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警。下面來(lái)看看攝像機(jī)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(jī)。

海康威視硬件

熱成像攝像機(jī)內(nèi)部包含6個(gè)電路板，每個(gè)電路板都有不同的用途。下面來(lái)分析其中的一些電路板（圖2和圖3）。Cyclone V SoC FPGA采用臺(tái)積電28nm低功耗（28LP）工藝，由一個(gè)雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器、多個(gè)外設(shè)和一個(gè)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(guò)100 Gbps的峰值帶寬。

圖2：海康威視的幾款電路板。

圖3：海康威視電子電路板2。

信號(hào)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(hào)帶寬。它采用ADI公司的專利DigiTrim修整技術(shù)，通過(guò)對(duì)加權(quán)電流源進(jìn)行數(shù)字化來(lái)調(diào)節(jié)電路性能。

LT6202具有1.9nV/√Hz噪聲電壓，每個(gè)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(duì)低電源信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。這種放大器在1MHz時(shí)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(jī)。

LT1994適用于驅(qū)動(dòng)差分輸入、單電源ADC，是以地為基準(zhǔn)的信號(hào)進(jìn)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(wú)關(guān)，通過(guò)在VOCM引腳上施加一個(gè)電壓來(lái)調(diào)節(jié)，其數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)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(duì)空間和功耗有較高要求的高分辨率測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。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(lái)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(lái)自微測(cè)輻射熱計(jì)（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(cè)輻射熱計(jì)的主要模塊由各種透鏡組成，用來(lái)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(gè)直徑不同的三硒化二砷（As2Se3）透鏡，其中一個(gè)直徑為17.6mm，另一個(gè)為27.6mm。

圖4：攝像機(jī)模塊。

圖5：鏡頭模塊。

在光學(xué)中，F(xiàn)值（有時(shí)稱為焦比或相對(duì)孔徑）是光學(xué)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(guò)，大量的紅外線可根據(jù)信噪比改善測(cè)量效果。參數(shù)“NETD（噪聲等效溫差）”通常以毫開(kāi)爾文（mK）表示，可用于判定測(cè)量質(zhì)量，衡量熱圖像探測(cè)器分辨熱輻射圖像細(xì)微差別的能力。基于微測(cè)輻射熱計(jì)的非制冷熱成像攝像機(jī)的典型值約為45mK。

微測(cè)輻射熱計(jì)

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(cè)輻射熱計(jì)。吸收元件上的每次入射輻射都會(huì)使其溫度上升到超過(guò)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(gè)像元均由CMOS輸入單元（讀出集成電路-ROIC）表示，通過(guò)調(diào)理電路進(jìn)行處理，以便由FPGA在計(jì)算機(jī)或監(jiān)視器上生成圖像（圖6和圖7）。通常可對(duì)微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(cè)輻射熱計(jì)IRAY RTD6171MR。

圖7：拆開(kāi)的RTD6171MR 17μm微測(cè)輻射熱計(jì)。吸氣劑可顯著減少滲出的氣體，使封裝內(nèi)部保持低壓。

由System Plus總結(jié)的微測(cè)輻射熱計(jì)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(duì)微測(cè)輻射熱計(jì)內(nèi)部進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)吸收材料的下方有一個(gè)反射器，它與襯底接觸，可以對(duì)雜散光重新定向，從而優(yōu)化信號(hào)。吸收材料“懸浮”在襯底上以實(shí)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(jī)采用的大多數(shù)微測(cè)輻射熱計(jì)都使用氧化釩作為吸收材料，因?yàn)檫@種材料具有較好的熱對(duì)比度，可確保圖像更準(zhǔn)確、更清晰。

對(duì)于典型的電阻，氧化釩探測(cè)器的阻抗約為100kΩ，而α-Si探測(cè)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(cè)量時(shí)的噪聲較小。Johnson噪聲電壓取決于三個(gè)條件：電阻值、電路帶寬和溫度。

攝像機(jī)包含一個(gè)溫度基準(zhǔn)元件，通過(guò)帶片內(nèi)基準(zhǔn)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(lái)穩(wěn)定Peltier溫度。

Peltier電池是價(jià)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(shí)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(gè)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(cè)設(shè)備不同，氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)無(wú)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(jiàn)光），使攝像機(jī)電子器件能夠?qū)﹄姶殴庾V中的圖像進(jìn)行偽彩色處理并將其復(fù)原。

其他模塊

熱成像攝像機(jī)利用SP3232EEN-L接口IC支持工業(yè)接口RS232傳輸，同時(shí)還通過(guò)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(guò)電壓，如EFT（電快速瞬變）和ESD（靜電放電） 。

熱成像攝像機(jī)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(shí)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(kāi)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(dá)0.85A的電流。以太網(wǎng)供電（PoE）是一種通過(guò)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(dāng)PD連接到PSE時(shí)，PoE標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)在PSE和PD之間提供了模擬握手（分級(jí)）以協(xié)商功率。

該熱成像攝像機(jī)由適合專業(yè)高清IP攝像機(jī)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(jìn)的低功耗技術(shù)和架構(gòu)設(shè)計(jì)。Hi3519 V101利用硬件和算法來(lái)設(shè)計(jì)各種型號(hào)的IP攝像機(jī)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(duì)4Gb DDR4存儲(chǔ)器和GD5F2GQ4UB9IGR閃存NAND 2Mb SPI支持。

電路板4（圖2）上包含運(yùn)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(shí)別物體和人，分析公共人群信息，檢查制造的產(chǎn)品等。計(jì)算機(jī)視覺(jué)利用深度學(xué)習(xí)形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理和分析。

采用制冷和非制冷探測(cè)器的各種熱成像攝像機(jī)在市場(chǎng)上各領(lǐng)風(fēng)騷。帶制冷傳感器的熱成像攝像機(jī)價(jià)格更高，現(xiàn)代制冷熱成像攝像機(jī)的圖像傳感器中集成了一個(gè)低溫制冷器。

由于采用了微測(cè)輻射熱計(jì)，熱成像攝像機(jī)能以低成本提供高精度。攝像機(jī)測(cè)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。
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