作者：Maurizio Di Paolo Emilio，Junko Yoshida

海康威視開發了首款具有AI功能的攝像機，這款攝像機結合了東西方設計的精華―― 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絡攝像機。

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

無論是在中國還是世界其他地區，過去幾年對監控系統的需求都迅速增長。許多政府機構和公司發現，在建設所謂的“智慧城市”時，攝像機必不可少，以實現無處不在的監控功能。

海康威視2016年開發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硬件和軟件相結合，開發出首款具有AI功能的攝像機。Yole Développement公司旗下分析機構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。

在System Plus看來，海康威視攝像機的亮點在于結合了東西方設計的精華——“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領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計和制造自己的產品，因而顯得與眾不同。海康威視擁有自己的MEMS生產線，可完成MEMS封裝/測試，還有多條表面貼裝技術（SMT）生產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鍵組件：

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

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

Movidius處理器實現AI應用的視覺處理。

下面深入到海康威視熱成像攝像機的內部看一看。

熱成像攝像機

熱成像攝像機能夠檢測到人體產生的熱量，通過復雜的信號分析將其轉換為圖像——這些圖像是通過溫度檢測和分析來而產生的。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熱成像網絡攝像機所采用的技術及結構，System Plus Consulting的技術人員講解了系統的電子和物理硬件結構，重點介紹了系統的不同組件。

海康威視DS-2TD2166-15/V1熱成像網絡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、鐵路等多個關鍵基礎設施的應用。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和結構使其能及時檢測公司和工業環境中的過熱和溫度變化，是防范火災的理想選擇。

其VCA（視頻內容分析）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規則類型（越界、入侵、進入區域和離開區域），支持多達8種VCA規則。

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

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

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

海康威視硬件

熱成像攝像機內部包含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之間集成數據的一致性，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，通過對加權電流源進行數字化來調節電路性能。

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壓擺率相結合，針對低電源信號調理系統進行了優化。這種放大器在1MHz時諧波失真小于-80dBc，適用于低功耗數據采集系統，例如本文的熱成像攝像機。

LT1994適用于驅動差分輸入、單電源ADC，是以地為基準的信號進行電平轉換的理想選擇。LT1994的輸出共模電壓與輸入共模電壓無關，通過在VOCM引腳上施加一個電壓來調節，其數據手冊中對此有相關描述。

ADS1112IDGSR 16位ADC和LT3042IDD加上FPGA用于調理電路。ADS1112專為對空間和功耗有較高要求的高分辨率測量應用而設計。LT3042IDD是一款低壓差線性穩壓器，可為噪聲敏感的RF應用供電。在電路板3和電路板1上，還有其他IC來支持相關集成子系統的電源，例如線性穩壓器和降壓轉換器。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值（有時稱為焦比或相對孔徑）是光學系統的參數，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信噪比改善測量效果。參數“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格構成，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，通過調理電路進行處理，以便由FPGA在計算機或監視器上生成圖像（圖6和圖7）。通常可對微測輻射熱計的結構進行優化，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，使封裝內部保持低壓。（圖片來源：System PlusConsulting）

由System Plus總結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

焊墊數目：107

引線鍵合：32

對微測輻射熱計內部進行分析，發現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，從而優化信號。吸收材料“懸浮”在襯底上以實現隔熱，真空封裝的像元網格則可提高耐用性和可靠性。熱成像攝像機采用的大多數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溫度控制器來穩定Peltier溫度。

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

MAX1978包含片內功率FET和熱控制環電路，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。還有一個數字溫度傳感器TMP75AIDRG4，可監控由FPGA直接管理的系統（環境）溫度。

與其他類型的紅外檢測設備不同，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對電磁光譜中的圖像進行偽彩色處理并將其復原。

其他模塊

熱成像攝像機利用SP3232EEN-L接口IC支持工業接口RS232傳輸，同時還通過RTL8201FI-VC-CG支持以太網傳輸。電路板6（圖2）包含的AC/DC電源系統帶有瞬態電壓抑制二極管（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控制器以最少數量的外部器件，提供了實現離線式或DC-DC固定頻率電流模式控制方案需要的所有功能。

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

該熱成像攝像機由適合專業高清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和架構設計。Hi3519 V101利用硬件和算法來設計各種型號的IP攝像機和音頻編解碼器，支持90°或270°旋轉和鏡頭失真校正。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，檢查制造的產品等。計算機視覺利用深度學習形成神經網絡，指導系統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風騷。帶制冷傳感器的熱成像攝像機價格更高，現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