历史上，监控摄影机产品市场是以闭路电视(CCTV)系统为主。CCTV系统一直沿用电荷耦合器件(CCD)影像传感器。
然而，随着新型监控摄影机应用的面市、H.264专用电路(ASIC)整合度的提高、以及千兆位以太网(Gigabit Ethernet)、高分辨率CCTV(HDCCTV)和同轴线缆(IP over Coaxial)等工业标准接口的盛行，以及相应的设计要求的变化，对网络摄影机和兼具高速且高性能的CMOS传感器的使用，也水涨船高。而且，宽动态范围(wide dynamic range, WDR)技术朝向标准化方向发展、嵌入式视频分析技术、3D立体摄影机的应用、以及对全局感光快门像素技术和提高感光灵敏度的需求，都对影像传感器的选择带来了非常大的影响。
市场发展趋势促使监控产品从CCTV转而采用网络摄影机
产业从CCTV转而采用网络摄影机的发展，带来多项好处，包括摆脱NTSC/PAL分辨率标准的种种限制，为百万像素影像传感器的应用提供更多的机会。此外，现今许多网络摄影机都采用宽动态范围(WDR)技术，这使得摄影机几乎能在任何环境中工作，因为它克服了摄影机在极暗、极亮环境下撷取影像时的相关技术挑战，使摄影机几乎可以放置在任何地点。没有WDR功能的摄影机具有曝光过度和曝光不足的风险，从而使得影像无法使用，这是监控产品所无法接受的。
越来越多的网络摄影机采用了嵌入视频分析技术来分析现场视频串流，以便对人或事件进行侦测或追踪。在过去，这种功能是在服务器上实现的。不过，随着数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)组件的处理能力提高，使得以规则为基础或以启发为基础之视频处理算法，以及BLOB分析功能和光流分析能力(optical flow analysis)将可以具成本效益的方式整合到摄影机中；以规则为基础或以启发为基础之视频处理算法是处理背景建模(background modeling)和前景萃取(foreground extraction)所需要的算法。
严苛的真实环境，如拥挤的房间、不断改变的光线和物体遮挡对平面摄影技术，尤其是监控应用，带来了严峻的挑战。但若采用一台3D立体摄影机，单一的立体摄影机能够拍摄一个目标物体的局部部份，使它可以被精确地跟踪。有了这种技术，就可使用多个摄影机来延伸系统的监控面和应对严重的遮蔽环境。3D立体摄影机的最大优点之一是能够建立大景深效果，这样就可精确地侦测某个场景(甚至非常拥挤环境)中的人和运动。若将3D摄影机与运动侦测和物体识别技术相结合，就可在动态光照环境下完成精确的场景分析和监控，因为不断改变的光线和外观颜色对系统是不会产生影响的。
影像传感器发展趋势和选择的考虑
现今，CCTV和网络监控摄影机都开始在采用CMOS传感器。这是因为，相较于CCD传感器，这种传感器有同样或更好的成像性能，更高的帧频和更低的功耗。在理想的情况下，当今网络摄影机使用的影像传感器的帧速在60帧/秒时高达720P和1080P。虽然标准视频帧速为30 fps，但60 fps的帧速为摄影机厂商提供更大的灵活性，可以调整快门宽度以撷取场景内快速移动的物体。另外，赌场之类的应用场合需要使用高视频帧速的监控，以撷取认定违规的必要证据。
除了CMOS 与CCD传感器间的性能差距在缩小之外，采用CMOS传感器，还能借助其高整合 度来大幅减少整体系统的成本 。例如，采用CCD传感器的摄影机通常需要一个 CCD成像器、一个定时脉冲产生器、一个信号放大器、一个ISP和一个NTSC/PAL编码器，而在CMOS传感器摄影机中，采用系统单芯片(SoC)设计，可将所需要的功能整合到一块单芯片上，从而降低系统成本，降低功耗。
全局快门像素技术
WDR技术解决了在具挑战性照明环境中极暗、极亮区域撷取影像的相关技术问题，因而使得摄影机几乎能够放置在任何地点，但监控摄影机还必须解决藉由控制摄影机快门来优化成像质量的问题。最早的影像传感器技术采用电子快门机构(称作卷帘式快门(rolling shutter))，以便与早期电视机系统架构以及其它以串行方式传输数据的媒体保持一致。
为了摆脱卷帘式快门这种古老的技术，厂商开始采用全局快门像素技术(global shutter pixel technology)。然而，要采用全局快门像素技术，就需要额外增加像素级内存，这也是要让全局感光快门技术迅速普及的障碍之一。如今，CMOS影像传感器供货商正在努力从几个技术角度，如填充系数/量子效率(QE)、全局感光快门效率(GSE)和暗流(dark current)，来缩小卷帘式快门与全局感光快门间的性能差距。通过解决这些问题，CMOS影像传感器供货商就能提供像素尺寸更小、填充系数更大、GSE更高、暗流更低、噪声更小的全局感光快门像素技术，使得CMOS影像传感器能够以更快的速度替代CCD传感器。
更大的动态范围和更高的感光灵敏度
真实环境应用的监控摄影机常常会遇到光线极暗和极亮的场景。尽管，当今摄影机的影像分辨率在不断提高，但像素动态范围(DR)却随像素尺度的缩小而不断缩小，从而限制了摄影机产生保留有光影分布的逼真影像。
为此，厂商提出了各种实现WDR的像素方案，包括对数像素、横向溢出法(lateral overflow)、帧多重曝光(ME)和帧内多重曝光(IFME)。这些WDR方法的目的是要获得较大的场景内动态范围，这意味着一个场景内的黑暗区域和明亮区域都可以被适当曝光。其实现方法通常是利用多帧方案对一个影像进行多次曝光或多次帧撷取，或者是利用一种非线性信号处理方式来降低更高曝光强度下像素的回应度。这些技术一般都能够在一个影像中获得大于100dB的超高动态范围，这对许多应用都非常有用，比如，即使场景其余部分被阳光或刺眼的光线照射到，监控摄影机也可以清晰地记录下人的脸孔。
高场景内动态范围也会带来一些缺点。例如非线性像素的色彩再现能力和弱光灵敏度都很差，而固定图案噪声(FPN)却较高。多重曝光技术不仅需要额外的内存和后续处理，还会降低近曝光转变点的SNR，并且在一次的时序中撷取到的曝光量会产生运动伪影，故需要额外的运动补偿和极高的帧速，以满足视频应用的需求。但最重要的是，这些宽动态范围技术没有做的事是，提高弱光灵敏度或降低噪声来改善弱光条件下的影像撷取性能。为撷取这类场景，影像传感器一般不得不针对其中一种极端条件(如亮光)进行优化，代价则是降低另一种条件(暗光)下的性能。因此，厂商面临的挑战是设计一种在所有场景条件下都能够达到最佳工作状态的影像传感器。
为了应对此一挑战，一种与众不同的方案应运而生，它借着在传感器中增加高灵敏度工作模式来提升场景间的动态范围和传感器性能。于是，两种工作模式被整合到一个像素设计中：低转换增益(LCG)模式，用于明亮场景下实现大负荷处理能力；高转换增益(HCG)模式，具有更高的灵敏度和低读取噪声，用于弱光场景。这种方案可为监控摄影机提供许多优势，让影像传感器在极端弱光条件下也能够撷取影像/视频，同时又不牺牲亮光条件下的性能。
对于大于2微米的像素，由于它的光敏区域较大，故其全井容量(full well capacity)常常由光电二极管的电荷保持容量来决定，而不是由像素的电压摆幅来决定。为了提高该像素的电荷保持容量，通常是在浮动扩散(FD)节点上连接一个物理电容器。不过，这样做一般会导致转换增益(CG)下降，这也就意味着灵敏度降低，输入参考读取噪声增加。这样，尽管传感器有能力测试出更大的信号，但弱光灵敏度和传感器的DR也随之受到影响。
采用这种新方法，在亮光条件下成像时，一个开关导通，将物理电容器连接到FD节点。在这种方式下，FD节点的大电容可用来实现低CG模式，这种模式可处理大量的信号电荷。在弱光条件下，DCG开关信号关断，将电容器与FD节点断开，进入高CG模式，在像素内部当作额外的模拟增益。此时FD电容只是FD的pn结扩散和金属耦合产生的寄生电容，比物理电容小得多。这种非常低的FD电容也让转换增益和灵敏度大幅提升，且读取噪声降低，但要付出降低最大负荷处理能力的代价。
这种方案能够在弱光场景下提供高灵敏度和低读取噪声，在亮光场景下提供大负荷处理能力，所有这些功能都融入于一个像素设计中，从而实现极宽的场景间动态范围。该方案虽然并没有扩展某种场景的动态范围，但藉由增加HCG模式，弱光条件下传感器的照明范围则会被扩大。对于那些必须常常在弱光条件下撷取视频的监控应用，这无疑是一种很重要的优势。
Aptina 影像传感器在监控摄影机上的优势
在从超亮到超暗场景的所有亮度条件下撷取高质量的60fps HD视频是一项非常具有挑战性的任务。过去，百万像素传感器可以提供宽动态范围或出色的弱光灵敏度，但无法二者兼顾。现在Aptina采用Aptina DR-Pix技术与多重曝光宽动态范围成像技术而设计的最新HD百万像素传感器就能够提供宽动态范围或出色的弱光灵敏度。
AptinaTM DR-PixTM可在所有像素上实现全局可程序设计转换增益调节，以便与场景中的所有不同光照程度相匹配。结合使用真正的相关两次采样(true correlated double sampling)技术，它可以让高画质成像器实现小于2e- rms的低读取噪声和超过60%的量子效率。
传统横向溢出法会把最大井划分为好几个部分，与此相反，多重曝光WDR技术会充分利用每个像素的全部FW容量，从而使多重曝光技术成为抑制光晕模糊现象，同时又能提供大于100db动态范围的最佳方法。设计人员又增加了特殊的读出和处理方案，以减少场景中快速运动物体造成的典型的宽动态范围运动伪影。利用这种新技术就能获得60fps的高画质视频，让摄影机制造商能够灵活地采用不同的快门宽度来撷取场景内快速移动的物体。
结论
监控摄影机市场正在经历着一场巨变。随着新的监控摄影应用的出现，工业标准接口的盛行，以及相应的设计需求变化，监控摄影产业正在从CCTV转而采用网络摄影机，从CCD影像传感器转向CMOS影像传感器。宽动态范围(wide dynamic range, WDR)技术标准化、嵌入视频分析技术、3D立体摄影机的应用，以及对全局感光快门像素技术和提高感光灵敏度的需求，都对要如何选择影像传感器有极大的影响。有了Aptina DR-Pix这类先进像素技术的创新，摄影机设计人员不需要在速度、功率、宽动态范围和弱旋光性能之间进行折衷权衡，就能够开发出真正的HD监控摄影机。
然而，随着新型监控摄影机应用的面市、H.264专用电路(ASIC)整合度的提高、以及千兆位以太网(Gigabit Ethernet)、高分辨率CCTV(HDCCTV)和同轴线缆(IP over Coaxial)等工业标准接口的盛行，以及相应的设计要求的变化，对网络摄影机和兼具高速且高性能的CMOS传感器的使用，也水涨船高。而且，宽动态范围(wide dynamic range, WDR)技术朝向标准化方向发展、嵌入式视频分析技术、3D立体摄影机的应用、以及对全局感光快门像素技术和提高感光灵敏度的需求，都对影像传感器的选择带来了非常大的影响。
市场发展趋势促使监控产品从CCTV转而采用网络摄影机
产业从CCTV转而采用网络摄影机的发展，带来多项好处，包括摆脱NTSC/PAL分辨率标准的种种限制，为百万像素影像传感器的应用提供更多的机会。此外，现今许多网络摄影机都采用宽动态范围(WDR)技术，这使得摄影机几乎能在任何环境中工作，因为它克服了摄影机在极暗、极亮环境下撷取影像时的相关技术挑战，使摄影机几乎可以放置在任何地点。没有WDR功能的摄影机具有曝光过度和曝光不足的风险，从而使得影像无法使用，这是监控产品所无法接受的。
越来越多的网络摄影机采用了嵌入视频分析技术来分析现场视频串流，以便对人或事件进行侦测或追踪。在过去，这种功能是在服务器上实现的。不过，随着数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)组件的处理能力提高，使得以规则为基础或以启发为基础之视频处理算法，以及BLOB分析功能和光流分析能力(optical flow analysis)将可以具成本效益的方式整合到摄影机中；以规则为基础或以启发为基础之视频处理算法是处理背景建模(background modeling)和前景萃取(foreground extraction)所需要的算法。
严苛的真实环境，如拥挤的房间、不断改变的光线和物体遮挡对平面摄影技术，尤其是监控应用，带来了严峻的挑战。但若采用一台3D立体摄影机，单一的立体摄影机能够拍摄一个目标物体的局部部份，使它可以被精确地跟踪。有了这种技术，就可使用多个摄影机来延伸系统的监控面和应对严重的遮蔽环境。3D立体摄影机的最大优点之一是能够建立大景深效果，这样就可精确地侦测某个场景(甚至非常拥挤环境)中的人和运动。若将3D摄影机与运动侦测和物体识别技术相结合，就可在动态光照环境下完成精确的场景分析和监控，因为不断改变的光线和外观颜色对系统是不会产生影响的。
影像传感器发展趋势和选择的考虑
现今，CCTV和网络监控摄影机都开始在采用CMOS传感器。这是因为，相较于CCD传感器，这种传感器有同样或更好的成像性能，更高的帧频和更低的功耗。在理想的情况下，当今网络摄影机使用的影像传感器的帧速在60帧/秒时高达720P和1080P。虽然标准视频帧速为30 fps，但60 fps的帧速为摄影机厂商提供更大的灵活性，可以调整快门宽度以撷取场景内快速移动的物体。另外，赌场之类的应用场合需要使用高视频帧速的监控，以撷取认定违规的必要证据。
除了CMOS 与CCD传感器间的性能差距在缩小之外，采用CMOS传感器，还能借助其高整合 度来大幅减少整体系统的成本 。例如，采用CCD传感器的摄影机通常需要一个 CCD成像器、一个定时脉冲产生器、一个信号放大器、一个ISP和一个NTSC/PAL编码器，而在CMOS传感器摄影机中，采用系统单芯片(SoC)设计，可将所需要的功能整合到一块单芯片上，从而降低系统成本，降低功耗。
全局快门像素技术
WDR技术解决了在具挑战性照明环境中极暗、极亮区域撷取影像的相关技术问题，因而使得摄影机几乎能够放置在任何地点，但监控摄影机还必须解决藉由控制摄影机快门来优化成像质量的问题。最早的影像传感器技术采用电子快门机构(称作卷帘式快门(rolling shutter))，以便与早期电视机系统架构以及其它以串行方式传输数据的媒体保持一致。
为了摆脱卷帘式快门这种古老的技术，厂商开始采用全局快门像素技术(global shutter pixel technology)。然而，要采用全局快门像素技术，就需要额外增加像素级内存，这也是要让全局感光快门技术迅速普及的障碍之一。如今，CMOS影像传感器供货商正在努力从几个技术角度，如填充系数/量子效率(QE)、全局感光快门效率(GSE)和暗流(dark current)，来缩小卷帘式快门与全局感光快门间的性能差距。通过解决这些问题，CMOS影像传感器供货商就能提供像素尺寸更小、填充系数更大、GSE更高、暗流更低、噪声更小的全局感光快门像素技术，使得CMOS影像传感器能够以更快的速度替代CCD传感器。
更大的动态范围和更高的感光灵敏度
真实环境应用的监控摄影机常常会遇到光线极暗和极亮的场景。尽管，当今摄影机的影像分辨率在不断提高，但像素动态范围(DR)却随像素尺度的缩小而不断缩小，从而限制了摄影机产生保留有光影分布的逼真影像。
为此，厂商提出了各种实现WDR的像素方案，包括对数像素、横向溢出法(lateral overflow)、帧多重曝光(ME)和帧内多重曝光(IFME)。这些WDR方法的目的是要获得较大的场景内动态范围，这意味着一个场景内的黑暗区域和明亮区域都可以被适当曝光。其实现方法通常是利用多帧方案对一个影像进行多次曝光或多次帧撷取，或者是利用一种非线性信号处理方式来降低更高曝光强度下像素的回应度。这些技术一般都能够在一个影像中获得大于100dB的超高动态范围，这对许多应用都非常有用，比如，即使场景其余部分被阳光或刺眼的光线照射到，监控摄影机也可以清晰地记录下人的脸孔。
高场景内动态范围也会带来一些缺点。例如非线性像素的色彩再现能力和弱光灵敏度都很差，而固定图案噪声(FPN)却较高。多重曝光技术不仅需要额外的内存和后续处理，还会降低近曝光转变点的SNR，并且在一次的时序中撷取到的曝光量会产生运动伪影，故需要额外的运动补偿和极高的帧速，以满足视频应用的需求。但最重要的是，这些宽动态范围技术没有做的事是，提高弱光灵敏度或降低噪声来改善弱光条件下的影像撷取性能。为撷取这类场景，影像传感器一般不得不针对其中一种极端条件(如亮光)进行优化，代价则是降低另一种条件(暗光)下的性能。因此，厂商面临的挑战是设计一种在所有场景条件下都能够达到最佳工作状态的影像传感器。
为了应对此一挑战，一种与众不同的方案应运而生，它借着在传感器中增加高灵敏度工作模式来提升场景间的动态范围和传感器性能。于是，两种工作模式被整合到一个像素设计中：低转换增益(LCG)模式，用于明亮场景下实现大负荷处理能力；高转换增益(HCG)模式，具有更高的灵敏度和低读取噪声，用于弱光场景。这种方案可为监控摄影机提供许多优势，让影像传感器在极端弱光条件下也能够撷取影像/视频，同时又不牺牲亮光条件下的性能。
对于大于2微米的像素，由于它的光敏区域较大，故其全井容量(full well capacity)常常由光电二极管的电荷保持容量来决定，而不是由像素的电压摆幅来决定。为了提高该像素的电荷保持容量，通常是在浮动扩散(FD)节点上连接一个物理电容器。不过，这样做一般会导致转换增益(CG)下降，这也就意味着灵敏度降低，输入参考读取噪声增加。这样，尽管传感器有能力测试出更大的信号，但弱光灵敏度和传感器的DR也随之受到影响。
采用这种新方法，在亮光条件下成像时，一个开关导通，将物理电容器连接到FD节点。在这种方式下，FD节点的大电容可用来实现低CG模式，这种模式可处理大量的信号电荷。在弱光条件下，DCG开关信号关断，将电容器与FD节点断开，进入高CG模式，在像素内部当作额外的模拟增益。此时FD电容只是FD的pn结扩散和金属耦合产生的寄生电容，比物理电容小得多。这种非常低的FD电容也让转换增益和灵敏度大幅提升，且读取噪声降低，但要付出降低最大负荷处理能力的代价。
这种方案能够在弱光场景下提供高灵敏度和低读取噪声，在亮光场景下提供大负荷处理能力，所有这些功能都融入于一个像素设计中，从而实现极宽的场景间动态范围。该方案虽然并没有扩展某种场景的动态范围，但藉由增加HCG模式，弱光条件下传感器的照明范围则会被扩大。对于那些必须常常在弱光条件下撷取视频的监控应用，这无疑是一种很重要的优势。
Aptina 影像传感器在监控摄影机上的优势
在从超亮到超暗场景的所有亮度条件下撷取高质量的60fps HD视频是一项非常具有挑战性的任务。过去，百万像素传感器可以提供宽动态范围或出色的弱光灵敏度，但无法二者兼顾。现在Aptina采用Aptina DR-Pix技术与多重曝光宽动态范围成像技术而设计的最新HD百万像素传感器就能够提供宽动态范围或出色的弱光灵敏度。
AptinaTM DR-PixTM可在所有像素上实现全局可程序设计转换增益调节，以便与场景中的所有不同光照程度相匹配。结合使用真正的相关两次采样(true correlated double sampling)技术，它可以让高画质成像器实现小于2e- rms的低读取噪声和超过60%的量子效率。
传统横向溢出法会把最大井划分为好几个部分，与此相反，多重曝光WDR技术会充分利用每个像素的全部FW容量，从而使多重曝光技术成为抑制光晕模糊现象，同时又能提供大于100db动态范围的最佳方法。设计人员又增加了特殊的读出和处理方案，以减少场景中快速运动物体造成的典型的宽动态范围运动伪影。利用这种新技术就能获得60fps的高画质视频，让摄影机制造商能够灵活地采用不同的快门宽度来撷取场景内快速移动的物体。
结论
监控摄影机市场正在经历着一场巨变。随着新的监控摄影应用的出现，工业标准接口的盛行，以及相应的设计需求变化，监控摄影产业正在从CCTV转而采用网络摄影机，从CCD影像传感器转向CMOS影像传感器。宽动态范围(wide dynamic range, WDR)技术标准化、嵌入视频分析技术、3D立体摄影机的应用，以及对全局感光快门像素技术和提高感光灵敏度的需求，都对要如何选择影像传感器有极大的影响。有了Aptina DR-Pix这类先进像素技术的创新，摄影机设计人员不需要在速度、功率、宽动态范围和弱旋光性能之间进行折衷权衡，就能够开发出真正的HD监控摄影机。
