攝像頭行業(yè)發(fā)展與產(chǎn)品創(chuàng)新

根據(jù)Omdia估計(jì)，2023年全球安防攝像頭市場(chǎng)（高清模擬攝像頭、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、防爆攝像頭和熱成像攝像頭）總體發(fā)貨量約為1.9億臺(tái)，預(yù)計(jì)到2028年，總體發(fā)貨量將達(dá)到2.6億臺(tái)。2023年，中國(guó)的發(fā)貨量占據(jù)了全球攝像頭市場(chǎng)的近56%。隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)張，預(yù)計(jì)到2028年，中國(guó)市場(chǎng)的發(fā)貨量將增長(zhǎng)至約1.5億臺(tái)，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到7.0%。

圖1：2023-2028全球安防攝像頭發(fā)貨量

（來(lái)源Omdia）

根據(jù)中國(guó)安全防范產(chǎn)品行業(yè)協(xié)會(huì)組織編制的《中國(guó)安防行業(yè)"十四五"發(fā)展規(guī)劃（2021-2025年）》提示，"十三五"期間，據(jù)中安協(xié)初步統(tǒng)計(jì)：到2020年底我國(guó)安防企業(yè)達(dá)到3萬(wàn)余家，從業(yè)人員170多萬(wàn)人；2020年安防行業(yè)總產(chǎn)值約達(dá)到7950億元，實(shí)現(xiàn)增加值約為2650億元，"十三五"期間年均增長(zhǎng)率達(dá)到了10%以上。在行業(yè)總產(chǎn)值中，視頻監(jiān)控約占55%。"十四五"期間安防市場(chǎng)年均增長(zhǎng)率達(dá)到7%左右，2025年全行業(yè)市場(chǎng)總額達(dá)到1萬(wàn)億元以上。

我國(guó)安防攝像頭的技術(shù)演進(jìn)以及發(fā)展階段：

2019年以前，以“安全“為驅(qū)動(dòng)力，在公共服務(wù)事業(yè)領(lǐng)域呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但目前該領(lǐng)域市場(chǎng)滲透率趨近飽和。

2019年之后，以“連接“和”計(jì)算“為驅(qū)動(dòng)力，軟件（算法和系統(tǒng)）結(jié)合硬件（芯片），從高清攝像頭向智能攝像頭升級(jí)，商用和家用產(chǎn)品市場(chǎng)份額持續(xù)攀升。

圖2：各類(lèi)外形和功能的網(wǎng)絡(luò)攝像頭

網(wǎng)絡(luò)攝像頭（IP Camera，簡(jiǎn)稱IPC）是將視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)備。近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)攝像頭領(lǐng)域備受矚目的幾大核心功能趨勢(shì)包括：

1.AOV（Alwayson Video）

采用基于超低功耗內(nèi)存的快速啟動(dòng)待機(jī)技術(shù)，AOV成功實(shí)現(xiàn)了7×24小時(shí)不間斷的全天候錄像能力。這一技術(shù)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)低功耗IPC在PIR傳感器未觸發(fā)期間無(wú)法記錄影像的缺陷，在保持極低能耗的同時(shí)，能夠更接近常規(guī)電源設(shè)備的使用體驗(yàn)。

2.黑光

基于高感光度圖像傳感器，結(jié)合AI-ISP成像體系，能夠在低至0.0005 Lux（照度計(jì)量單位）的極端微弱光線環(huán)境中，依然保持圖像的全彩顯示，無(wú)需額外補(bǔ)光設(shè)備。從“星光”到“超星光”的跨越，再到如今“黑光”技術(shù)的問(wèn)世，標(biāo)志著在復(fù)雜光照條件下對(duì)圖像解析力、質(zhì)量和穩(wěn)定性的不斷追求和突破。

3.槍球一體

槍型攝像頭一般具有較為固定的視角范圍，適合在一定區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)追蹤監(jiān)控；球型攝像頭可以通過(guò)云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)來(lái)360°調(diào)整視角，監(jiān)控范圍更加廣闊；而槍球一體聯(lián)動(dòng)雙攝攝像頭，顧名思義，是結(jié)合槍型攝像頭和球型攝像頭的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，一臺(tái)設(shè)備兼顧全景和細(xì)節(jié)。

兆易創(chuàng)新IPC解決方案

作為網(wǎng)絡(luò)攝像頭產(chǎn)業(yè)上游關(guān)鍵力量，芯片供應(yīng)商在IPC解決方案中發(fā)揮了舉足輕重的作用。其中，兆易創(chuàng)新在存儲(chǔ)、MCU，以及模擬芯片有著多年深厚技術(shù)積淀，不僅滿足了當(dāng)前主流網(wǎng)絡(luò)攝像頭設(shè)備的功能性能，以及可靠性和安全性等方面的多維度需求，還為下一代產(chǎn)品創(chuàng)新提供堅(jiān)實(shí)有力的支撐。

圖3.網(wǎng)絡(luò)攝像頭電源樹(shù)結(jié)構(gòu)（Power Tree）

依據(jù)實(shí)際的監(jiān)控場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)攝像頭通常有四類(lèi)供電方式：

電池供電

該方式依賴內(nèi)置的鋰電池組提供電力，無(wú)需額外連接電源插座，常用于外部供電不便且功耗較低的攝像設(shè)備。

POE（PowerOver Ethernet）供電

通過(guò)一根以太網(wǎng)線就能同時(shí)完成數(shù)據(jù)傳輸和電力供應(yīng)，安裝簡(jiǎn)便，布線成本低，設(shè)備位置靈活，不受電源插座位置的限制。

電源適配器供電

選用具有適合電壓電流范圍的AC/DC電源適配器進(jìn)行獨(dú)立供電，穩(wěn)定性好，廣泛適用于各類(lèi)電源規(guī)格的設(shè)備。

太陽(yáng)能設(shè)備供電

通過(guò)太陽(yáng)能板高效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并借助最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）技術(shù)提高太陽(yáng)能電板的輸出效率，隨后將電能存儲(chǔ)在電池中，以此為網(wǎng)絡(luò)攝像頭提供持久且穩(wěn)定的電力供應(yīng)，充分利用了可再生能源，減少了碳排放，適用于戶外、野外等有線供電不便的區(qū)域場(chǎng)景。

網(wǎng)絡(luò)攝像頭的電源樹(shù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，電池供電一般采用單節(jié)鋰電池或者是雙節(jié)鋰電池，供電電壓為4.2V或者8.4V，POE、電源適配器和太陽(yáng)能設(shè)備供電的供電電壓為12V，供電電流為2A/3A。首先通過(guò)一級(jí)升降壓模塊——GD30DC130X/135X系列DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，或GD30DC2301 DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，有效地將輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V、5V以及6至9V的多種穩(wěn)定輸出電壓。隨后，進(jìn)一步經(jīng)由二級(jí)降壓?jiǎn)卧幚?，具體包括GD30DC110X系列DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器以及GD30LD2010 LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）芯片，以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的電壓調(diào)節(jié)，最終輸出更低的電壓等級(jí)，包括1.2V、1.5V和2.8V，以滿足網(wǎng)絡(luò)攝像頭內(nèi)部各組件的特定供電需求。

GD30DC130X/DC135X系列DC-DC高效同步降壓轉(zhuǎn)換器芯片

支持寬電壓輸入范圍4.2-18V/25V，最低支持輸出電壓為0.6V

輸出電流為1A/2A/3A

轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%

支持FCCM 和Pulse-Skip Mode模式切換

支持過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫和Hic-cup短路保護(hù)

采用恒定接通時(shí)間（COT）架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高壓降壓應(yīng)用中的快速瞬態(tài)響應(yīng)

GD30DC110X系列DC-DC高效同步降壓轉(zhuǎn)換器芯片

支持輸入電壓范圍2.5-6V，輸出電壓為0.6V-Vin

輸出電流為1A/1.2A/2A

轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%

最高開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到1.5MHz，duty cycle 可達(dá)100%

支持FCCM 和Pulse-SkipMode 模式切換

支持過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫和Hic-cup短路保護(hù)

GD30DC2301 DC-DC高頻異步升壓轉(zhuǎn)換器芯片

支持寬電壓輸入范圍2.5-18V，最高輸出電壓可達(dá)36V

支持最大輸出電流為2A

轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%

1MHz固定開(kāi)關(guān)頻率

內(nèi)部集成150mΩ Power MOSFET，輸出恒定電流驅(qū)動(dòng)多路LED燈

GD30LD2010 高PSRR、低壓差線性穩(wěn)壓器芯片

支持輸入電壓范圍1.5-7V，輸出電壓范圍為0.8-5V

支持最大500mA的輸出電流

輕負(fù)載條件下靜態(tài)電流僅為40uA

高電源電壓抑制比（PSRR）：80dB@f =1KHz

低輸入輸出電壓差：520mV@500mA@VOUT=1.8V

熱關(guān)斷保護(hù)，電流限流保護(hù)

圖4. 有線PTZ IP Camera 經(jīng)典系統(tǒng)框圖

以一臺(tái)有線PTZ網(wǎng)絡(luò)攝像頭為例，通常來(lái)說(shuō)它的硬件架構(gòu)系統(tǒng)涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵組件，包括鏡頭、圖像傳感器、環(huán)境感知傳感器、音頻信號(hào)處理、視頻編解碼芯片、主控芯片、云臺(tái)控制，以及USB、網(wǎng)絡(luò)接口等多種有線接口等。

1.鏡頭以及云臺(tái)控制

鏡頭負(fù)責(zé)捕捉即時(shí)的圖像信息，鏡頭的關(guān)鍵參數(shù)包括視角、焦距、光圈等，光圈決定進(jìn)光量，焦距影響拍攝距離，視角關(guān)乎監(jiān)控范圍。

云臺(tái)（PTZ，即Pan/Tilt/Zoom-全景/傾斜/縮放）功能允許用戶遠(yuǎn)程精確地控制云臺(tái)和鏡頭的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫(huà)面的全方位移動(dòng)和細(xì)節(jié)放大，以便更細(xì)致地觀察監(jiān)控區(qū)域的細(xì)節(jié)。這一功能在需要大范圍監(jiān)控和精確追蹤目標(biāo)的場(chǎng)景中尤為重要。

GD30DR473X系列馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片非常適用于實(shí)現(xiàn)鏡頭，IR-CUT雙濾光片，以及PTZ馬達(dá)控制的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案。

GD30DR4732是一款鏡頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)方式以及扭矩紋波修正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超低噪聲256細(xì)分微步驅(qū)動(dòng)。最大驅(qū)動(dòng)電流150mA，結(jié)合邏輯電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電路控制，可在實(shí)現(xiàn)光圈控制（IRIS）功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)變焦（Zoom）和對(duì)焦（Focus）功能：

調(diào)節(jié)光圈的大小可以直接影響圖像的亮度和對(duì)比度，獲得合適的曝光度，以適應(yīng)不同的光線條件。

變焦是通過(guò)改變焦距，從而改變視角大小，通過(guò)拉近（Zoom In）和推遠(yuǎn)（Zoom Out），來(lái)獲得畫(huà)面的放大和縮小。

對(duì)焦是通過(guò)改變焦點(diǎn)位置與拍攝物體的距離來(lái)調(diào)整畫(huà)面清晰度, 例如調(diào)成近焦（Focus Near）或遠(yuǎn)焦（Focus Far）。

GD30DR4730/4731是多通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具備五路H橋驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)直流有刷電機(jī)。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器支持整步進(jìn)、1/2步進(jìn)以及32/64/256細(xì)分微步進(jìn)，可提供高達(dá)0.5A的驅(qū)動(dòng)電流，具有多保護(hù)功能，欠壓鎖定 (UVLO)，過(guò)流保護(hù) (OCP) 和熱關(guān)斷 (TSD)，典型的應(yīng)用方案為：

一路直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于IR-CUT雙濾光片切換：白天切換為紅外截止濾光片，畫(huà)面圖像不偏色。夜晚切換成全光譜濾光片，支持紅外補(bǔ)光，提升了夜視清晰度。

兩路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于云臺(tái)馬達(dá)控制：通過(guò)正交SPWM模式來(lái)控制云臺(tái)馬達(dá)的上下以及左右方向的平穩(wěn)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

GD30DR4730/4731比較適用于球型攝像機(jī)頭等需要多軸旋轉(zhuǎn)和調(diào)整角度，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋更廣闊的監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控。對(duì)于槍型攝像機(jī)等監(jiān)控角度和位置相對(duì)固定的機(jī)型，也可以采用GD30DR380X來(lái)實(shí)現(xiàn)水平和垂直移動(dòng)控制。

GD30DR380X直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片包含一路H橋驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)或螺線管等其他器件。輸出驅(qū)動(dòng)器塊由配置為H橋的N溝道功率MOSFET組成，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電壓。該系列芯片具有PWM（IN/IN）輸入接口，可提供高達(dá)1A的輸出電流，可在0V至11V的電機(jī)電源電壓下工作，控制邏輯可在1.6V至7V的電壓軌上工作，提供過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓鎖定保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)。

GD32F303Vx微控制器基于ARMCortex-M4內(nèi)核，工作頻率高達(dá)120MHz，集成了多類(lèi)外設(shè)功能，并采用LQFP100封裝形式。當(dāng)與GD30DR4730/4731，GD30DR380X馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片協(xié)同工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鏡頭以及多路電機(jī)的統(tǒng)一高效控制。

內(nèi)置48至96KB的SRAM以及256KB至3MB的Flash大容量片上存儲(chǔ)器，為運(yùn)行PTZ跟蹤與控制算法提供了充足的資源。使系統(tǒng)能夠針對(duì)鎖定的目標(biāo)執(zhí)行視覺(jué)導(dǎo)向自動(dòng)跟蹤任務(wù)，通過(guò)精確控制云臺(tái)的方位旋轉(zhuǎn)，確保目標(biāo)始終位于鏡頭視野的中心位置。此外，系統(tǒng)還能靈活調(diào)控鏡頭的變焦功能，從而捕獲高分辨率的視頻圖像，進(jìn)一步提升監(jiān)控與追蹤的精準(zhǔn)度與細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。

2.環(huán)境感知

在市場(chǎng)需求的持續(xù)推動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)攝像頭的智能化進(jìn)程正在持續(xù)深度演進(jìn)，智能化的基石在于打造一個(gè)全方位的感知體系，通過(guò)一系列傳感器，監(jiān)測(cè)并分析其運(yùn)行環(huán)境中的每一個(gè)細(xì)微變化與動(dòng)態(tài)信息，為后續(xù)的智能化處理與決策提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。主要傳感器模塊包括：

光線傳感器

光線傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境光照強(qiáng)度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像傳感器的參數(shù)或切換到不同的工作模式，以確保在不同光照條件下都能獲得高質(zhì)量的圖像。

溫濕度傳感器

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周遭環(huán)境的溫濕度的變化，可以在監(jiān)控視頻上顯示溫度和濕度數(shù)據(jù)，也可以上傳至云端，還可以根據(jù)實(shí)際條件設(shè)置觸發(fā)警報(bào)。GD30TS100N/112N為高精度、低功耗的本地?cái)?shù)字溫度傳感器，I2C控制接口，分辨率為12bit，測(cè)量精度為±0.5°C (–40°C to +125°C)，工作電壓為2.7-5.5V/1.4-5.5V，關(guān)斷態(tài)電流低至0.3μA/1μA。

GD30TSHT30是一款本地溫濕度傳感器，I2C控制接口，分辨率為16bit，溫度測(cè)量精度為±0.5°C (–40°C to +125°C)，相對(duì)濕度精度為+3%RH，工作電壓為2.2-5.5V。

PIR傳感器

低功耗網(wǎng)絡(luò)攝像頭平時(shí)處于低功耗的休眠狀態(tài)以延長(zhǎng)電池壽命或降低能耗。一旦有物體在攝像頭的監(jiān)控范圍內(nèi)移動(dòng)，被動(dòng)紅外（PIR，Passive Infra-Red）傳感器會(huì)立即感知并觸發(fā)攝像頭從休眠中喚醒，迅速啟動(dòng)錄像或警報(bào)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全事件的即時(shí)響應(yīng)。

3.視頻音頻處理

將鏡頭采集到的光信號(hào)傳給圖像傳感器（CCD/CMOS），經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。隨后，依據(jù)MPEG4、H.263、H.264、H.265或M-JPEG等視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高效的視頻編碼與壓縮處理。完成這些步驟后，視頻數(shù)據(jù)即可打包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信上傳至指定存儲(chǔ)位置。

網(wǎng)絡(luò)攝像頭自帶麥克風(fēng)收音和揚(yáng)聲器外放，既可捕捉周?chē)h(huán)境中的聲音，也可以播放語(yǔ)音指令和警告信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控人員與被監(jiān)控區(qū)域之間的全雙工語(yǔ)音通訊。音頻通信模塊包含麥克風(fēng)運(yùn)算放大器和揚(yáng)聲器運(yùn)算放大器，通過(guò)ADC和DAC實(shí)現(xiàn)模/數(shù)和數(shù)/模信號(hào)轉(zhuǎn)換，搭載DSP單元進(jìn)行信號(hào)處理。特別值得一提的是，GD30AP72x系列1/2/4-ch低噪聲運(yùn)算放大器，憑借其低至1.8V至5.5V的寬泛工作電壓范圍，以及僅為8nV/√Hz@1KHz的超低輸入電壓噪聲密度，為網(wǎng)絡(luò)攝像頭的音頻通信質(zhì)量提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

4.主控芯片以及存儲(chǔ)方案

主控芯片肩負(fù)著整個(gè)系統(tǒng)的控制和調(diào)度重任。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)攝像頭的主控方案趨于采用SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）/MPU（微處理器單元），不僅具備強(qiáng)大的運(yùn)算，存儲(chǔ)和控制能力，還高度集成了各類(lèi)專(zhuān)用模塊，如內(nèi)置了ISP（圖像信號(hào)處理）和視頻編碼等核心功能等，能夠簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，并靈活應(yīng)對(duì)各類(lèi)攝像機(jī)場(chǎng)景需求。

兆易創(chuàng)新NOR/NAND Flash與DRAM產(chǎn)品系列憑借其全面的規(guī)格覆蓋、出色的性能表現(xiàn)、低功耗設(shè)計(jì)理念、卓越的產(chǎn)品質(zhì)量以及高度的可靠性，成為了網(wǎng)絡(luò)攝像頭設(shè)備值得信賴的選擇。