歷史上，監控攝影機產品市場是以閉路電視(CCTV)系統為主。CCTV系統一直沿用電荷耦合器件(CCD)影像感測器。然而，隨著新型監控攝影機應用的面市、H.264專用電路(ASIC)整合度的提高、以及十億位元乙太網(Gigabit Ethernet)、高解析度CCTV(HDCCTV)和同軸線纜(IP over Coaxial)等工業標準介面的盛行，以及相應的設計要求的變化，對網路攝影機和兼具高速且高性能的CMOS感測器的使用，也水漲船高。而且，寬動態範圍(wide dynamic range, WDR)技術朝向標準化方向發展、嵌入式視頻分析技術、3D立體攝影機的應用、以及對全域感光快門像素技術和提高感光靈敏度的需求，都對影像感測器的選擇帶來了非常大的影響。
市場發展趨勢促使監控產品從CCTV轉而採用網路攝影機
產業從CCTV轉而採用網路攝影機的發展，帶來多項好處，包括擺脫NTSC/PAL解析度標準的種種限制，為百萬像素影像感測器的應用提供更多的機會。此外，現今許多網路攝影機都採用寬動態範圍(WDR)技術，這使得攝影機幾乎能在任何環境中工作，因為它克服了攝影機在極暗、極亮環境下擷取影像時的相關技術挑戰，使攝影機幾乎可以放置在任何地點。沒有WDR功能的攝影機具有曝光過度和曝光不足的風險，從而使得影像無法使用，這是監控產品所無法接受的。
越來越多的網路攝影機採用了嵌入視頻分析技術來分析現場視頻串流，以便對人或事件進行偵測或追蹤。在過去，這種功能是在伺服器上實現的。不過，隨著數位訊號處理器(DSP)和現場可編程閘陣列(FPGA)元件的處理能力提高，使得以規則為基礎或以啟發為基礎之視頻處理演算法，以及BLOB分析功能和光流分析能力(optical flow analysis)將可以具成本效益的方式整合到攝影機中；以規則為基礎或以啟發為基礎之視頻處理演算法是處理背景建模(background modeling)和前景萃取(foreground extraction)所需要的演算法。
嚴苛的真實環境，如擁擠的房間、不斷改變的光線和物體遮擋對平面攝影技術，尤其是監控應用，帶來了嚴峻的挑戰。但若採用一台3D立體攝影機，單一的立體攝影機能夠拍攝一個目標物體的局部部份，使它可以被精確地跟蹤。有了這種技術，就可使用多個攝影機來延伸系統的監控面和應對嚴重的遮蔽環境。3D立體攝影機的最大優點之一是能夠建立大景深效果，這樣就可精確地偵測某個場景(甚至非常擁擠環境)中的人和運動。若將3D攝影機與運動偵測和物體識別技術相結合，就可在動態光照環境下完成精確的場景分析和監控，因為不斷改變的光線和外觀顏色對系統是不會產生影響的。
影像感測器發展趨勢和選擇的考慮
現今，CCTV和網路監控攝影機都開始在採用CMOS感測器。這是因為，相較於CCD感測器，這種感測器有同樣或更好的成像性能，更高的幀頻和更低的功耗。在理想的情況下，當今網路攝影機使用的影像感測器的幀速在60幀/秒時高達720P和1080P。雖然標準視頻幀速為30 fps，但60 fps的幀速為攝影機廠商提供更大的靈活性，可以調整快門寬度以擷取場景內快速移動的物體。另外，賭場之類的應用場合需要使用高視頻幀速的監控，以擷取認定違規的必要證據。
除了CMOS 與CCD感測器間的性能差距在縮小之外，採用CMOS感測器，還能借助其高整合 度來大幅減少整體系統的成本 。例如，採用CCD感測器的攝影機通常需要一個 CCD成像器、一個定時脈衝產生器、一個信號放大器、一個ISP和一個NTSC/PAL編碼器，而在CMOS感測器攝影機中，採用系統單晶片(SoC)設計，可將所需要的功能整合到一塊單晶片上，從而降低系統成本，降低功耗。
全域快門像素技術
WDR技術解決了在具挑戰性照明環境中極暗、極亮區域擷取影像的相關技術問題，因而使得攝影機幾乎能夠放置在任何地點，但監控攝影機還必須解決藉由控制攝影機快門來優化成像品質的問題。最早的影像感測器技術採用電子快門機構(稱作捲簾式快門(rolling shutter))，以便與早期電視機系統架構以及其它以串列方式傳輸資料的媒體保持一致。
為了擺脫捲簾式快門這種古老的技術，廠商開始採用全域快門像素技術(global shutter pixel technology)。然而，要採用全域快門像素技術，就需要額外增加像素級記憶體，這也是要讓全域感光快門技術迅速普及的障礙之一。如今，CMOS影像感測器供應商正在努力從幾個技術角度，如填充係數/量子效率(QE)、全域感光快門效率(GSE)和暗流(dark current)，來縮小捲簾式快門與全域感光快門間的性能差距。通過解決這些問題，CMOS影像感測器供應商就能提供像素尺寸更小、填充係數更大、GSE更高、暗流更低、雜訊更小的全域感光快門像素技術，使得CMOS影像感測器能夠以更快的速度替代CCD感測器。
更大的動態範圍和更高的感光靈敏度
真實環境應用的監控攝影機常常會遇到光線極暗和極亮的場景。儘管，當今攝影機的影像解析度在不斷提高，但像素動態範圍(DR)卻隨像素尺度的縮小而不斷縮小，從而限制了攝影機產生保留有光影分佈的逼真影像。
為此，廠商提出了各種實現WDR的像素方案，包括對數像素、橫向溢出法(lateral overflow)、幀多重曝光(ME)和幀內多重曝光(IFME)。這些WDR方法的目的是要獲得較大的場景內動態範圍，這意味著一個場景內的黑暗區域和明亮區域都可以被適當曝光。其實現方法通常是利用多幀方案對一個影像進行多次曝光或多次幀擷取，或者是利用一種非線性信號處理方式來降低更高曝光強度下像素的回應度。這些技術一般都能夠在一個影像中獲得大於100dB的超高動態範圍，這對許多應用都非常有用，比如，即使場景其餘部分被陽光或刺眼的光線照射到，監控攝影機也可以清晰地記錄下人的臉孔。
高場景內動態範圍也會帶來一些缺點。例如非線性像素的色彩再現能力和弱光靈敏度都很差，而固定圖案雜訊(FPN)卻較高。多重曝光技術不僅需要額外的記憶體和後續處理，還會降低近曝光轉變點的SNR，並且在一次的時序中擷取到的曝光量會產生運動偽影，故需要額外的運動補償和極高的幀速，以滿足視頻應用的需求。但最重要的是，這些寬動態範圍技術沒有做的事是，提高弱光靈敏度或降低雜訊來改善弱光條件下的影像擷取性能。為擷取這類場景，影像感測器一般不得不針對其中一種極端條件(如亮光)進行最佳化，代價則是降低另一種條件(暗光)下的性能。因此，廠商面臨的挑戰是設計一種在所有場景條件下都能夠達到最佳工作狀態的影像感測器。
為了應對此一挑戰，一種與眾不同的方案應運而生，它藉著在感測器中增加高靈敏度工作模式來提升場景間的動態範圍和感測器性能。於是，兩種工作模式被整合到一個像素設計中：低轉換增益(LCG)模式，用於明亮場景下實現大負荷處理能力；高轉換增益(HCG)模式，具有更高的靈敏度和低讀取雜訊，用於弱光場景。這種方案可為監控攝影機提供許多優勢，讓影像感測器在極端弱光條件下也能夠擷取影像/視頻，同時又不犧牲亮光條件下的性能。
對於大於2微米的像素，由於它的光敏區域較大，故其全井容量(full well capacity)常常由光電二極體的電荷保持容量來決定，而不是由像素的電壓擺幅來決定。為了提高該像素的電荷保持容量，通常是在浮動擴散(FD)節點上連接一個物理電容器。不過，這樣做一般會導致轉換增益(CG)下降，這也就意味著靈敏度降低，輸入參考讀取雜訊增加。這樣，儘管感測器有能力測試出更大的信號，但弱光靈敏度和感測器的DR也隨之受到影響。
採用這種新方法，在亮光條件下成像時，一個開關導通，將物理電容器連接到FD節點。在這種方式下，FD節點的大電容可用來實現低CG模式，這種模式可處理大量的信號電荷。在弱光條件下，DCG開關信號關斷，將電容器與FD節點斷開，進入高CG模式，在像素內部當作額外的類比增益。此時FD電容只是FD的pn結擴散和金屬耦合產生的寄生電容，比物理電容小得多。這種非常低的FD電容也讓轉換增益和靈敏度大幅提升，且讀取雜訊降低，但要付出降低最大負荷處理能力的代價。
這種方案能夠在弱光場景下提供高靈敏度和低讀取雜訊，在亮光場景下提供大負荷處理能力，所有這些功能都融入於一個像素設計中，從而實現極寬的場景間動態範圍。該方案雖然並沒有擴展某種場景的動態範圍，但藉由增加HCG模式，弱光條件下感測器的照明範圍則會被擴大。對於那些必須常常在弱光條件下擷取視頻的監控應用，這無疑是一種很重要的優勢。
Aptina 影像感測器在監控攝影機上的優勢
在從超亮到超暗場景的所有亮度條件下擷取高品質的60fps HD視頻是一項非常具有挑戰性的任務。過去，百萬像素感測器可以提供寬動態範圍或出色的弱光靈敏度，但無法二者兼顧。現在Aptina採用Aptina DR-Pix技術與多重曝光寬動態範圍成像技術而設計的最新HD百萬像素感測器就能夠提供寬動態範圍或出色的弱光靈敏度。
AptinaTM DR-PixTM可在所有像素上實現全域可程式設計轉換增益調節，以便與場景中的所有不同光照程度相匹配。結合使用真正的相關兩次採樣(true correlated double sampling)技術，它可以讓高畫質成像器實現小於2e- rms的低讀取雜訊和超過60%的量子效率。
傳統橫向溢出法會把最大井劃分為好幾個部分，與此相反，多重曝光WDR技術會充分利用每個像素的全部FW容量，從而使多重曝光技術成為抑制光暈模糊現象，同時又能提供大於100db動態範圍的最佳方法。設計人員又增加了特殊的讀出和處理方案，以減少場景中快速運動物體造成的典型的寬動態範圍運動偽影。利用這種新技術就能獲得60fps的高畫質視頻，讓攝影機製造商能夠靈活地採用不同的快門寬度來擷取場景內快速移動的物體。
結論
監控攝影機市場正在經歷著一場巨變。隨著新的監控攝影應用的出現，工業標準介面的盛行，以及相應的設計需求變化，監控攝影產業正在從CCTV轉而採用網路攝影機，從CCD影像感測器轉向CMOS影像感測器。寬動態範圍(wide dynamic range, WDR)技術標準化、嵌入視頻分析技術、3D立體攝影機的應用，以及對全域感光快門像素技術和提高感光靈敏度的需求，都對要如何選擇影像感測器有極大的影響。有了Aptina DR-Pix這類先進像素技術的創新，攝影機設計人員不需要在速度、功率、寬動態範圍和弱光性能之間進行折衷權衡，就能夠開發出真正的HD監控攝影機。
市場發展趨勢促使監控產品從CCTV轉而採用網路攝影機
產業從CCTV轉而採用網路攝影機的發展，帶來多項好處，包括擺脫NTSC/PAL解析度標準的種種限制，為百萬像素影像感測器的應用提供更多的機會。此外，現今許多網路攝影機都採用寬動態範圍(WDR)技術，這使得攝影機幾乎能在任何環境中工作，因為它克服了攝影機在極暗、極亮環境下擷取影像時的相關技術挑戰，使攝影機幾乎可以放置在任何地點。沒有WDR功能的攝影機具有曝光過度和曝光不足的風險，從而使得影像無法使用，這是監控產品所無法接受的。
越來越多的網路攝影機採用了嵌入視頻分析技術來分析現場視頻串流，以便對人或事件進行偵測或追蹤。在過去，這種功能是在伺服器上實現的。不過，隨著數位訊號處理器(DSP)和現場可編程閘陣列(FPGA)元件的處理能力提高，使得以規則為基礎或以啟發為基礎之視頻處理演算法，以及BLOB分析功能和光流分析能力(optical flow analysis)將可以具成本效益的方式整合到攝影機中；以規則為基礎或以啟發為基礎之視頻處理演算法是處理背景建模(background modeling)和前景萃取(foreground extraction)所需要的演算法。
嚴苛的真實環境，如擁擠的房間、不斷改變的光線和物體遮擋對平面攝影技術，尤其是監控應用，帶來了嚴峻的挑戰。但若採用一台3D立體攝影機，單一的立體攝影機能夠拍攝一個目標物體的局部部份，使它可以被精確地跟蹤。有了這種技術，就可使用多個攝影機來延伸系統的監控面和應對嚴重的遮蔽環境。3D立體攝影機的最大優點之一是能夠建立大景深效果，這樣就可精確地偵測某個場景(甚至非常擁擠環境)中的人和運動。若將3D攝影機與運動偵測和物體識別技術相結合，就可在動態光照環境下完成精確的場景分析和監控，因為不斷改變的光線和外觀顏色對系統是不會產生影響的。
影像感測器發展趨勢和選擇的考慮
現今，CCTV和網路監控攝影機都開始在採用CMOS感測器。這是因為，相較於CCD感測器，這種感測器有同樣或更好的成像性能，更高的幀頻和更低的功耗。在理想的情況下，當今網路攝影機使用的影像感測器的幀速在60幀/秒時高達720P和1080P。雖然標準視頻幀速為30 fps，但60 fps的幀速為攝影機廠商提供更大的靈活性，可以調整快門寬度以擷取場景內快速移動的物體。另外，賭場之類的應用場合需要使用高視頻幀速的監控，以擷取認定違規的必要證據。
除了CMOS 與CCD感測器間的性能差距在縮小之外，採用CMOS感測器，還能借助其高整合 度來大幅減少整體系統的成本 。例如，採用CCD感測器的攝影機通常需要一個 CCD成像器、一個定時脈衝產生器、一個信號放大器、一個ISP和一個NTSC/PAL編碼器，而在CMOS感測器攝影機中，採用系統單晶片(SoC)設計，可將所需要的功能整合到一塊單晶片上，從而降低系統成本，降低功耗。
全域快門像素技術
WDR技術解決了在具挑戰性照明環境中極暗、極亮區域擷取影像的相關技術問題，因而使得攝影機幾乎能夠放置在任何地點，但監控攝影機還必須解決藉由控制攝影機快門來優化成像品質的問題。最早的影像感測器技術採用電子快門機構(稱作捲簾式快門(rolling shutter))，以便與早期電視機系統架構以及其它以串列方式傳輸資料的媒體保持一致。
為了擺脫捲簾式快門這種古老的技術，廠商開始採用全域快門像素技術(global shutter pixel technology)。然而，要採用全域快門像素技術，就需要額外增加像素級記憶體，這也是要讓全域感光快門技術迅速普及的障礙之一。如今，CMOS影像感測器供應商正在努力從幾個技術角度，如填充係數/量子效率(QE)、全域感光快門效率(GSE)和暗流(dark current)，來縮小捲簾式快門與全域感光快門間的性能差距。通過解決這些問題，CMOS影像感測器供應商就能提供像素尺寸更小、填充係數更大、GSE更高、暗流更低、雜訊更小的全域感光快門像素技術，使得CMOS影像感測器能夠以更快的速度替代CCD感測器。
更大的動態範圍和更高的感光靈敏度
真實環境應用的監控攝影機常常會遇到光線極暗和極亮的場景。儘管，當今攝影機的影像解析度在不斷提高，但像素動態範圍(DR)卻隨像素尺度的縮小而不斷縮小，從而限制了攝影機產生保留有光影分佈的逼真影像。
為此，廠商提出了各種實現WDR的像素方案，包括對數像素、橫向溢出法(lateral overflow)、幀多重曝光(ME)和幀內多重曝光(IFME)。這些WDR方法的目的是要獲得較大的場景內動態範圍，這意味著一個場景內的黑暗區域和明亮區域都可以被適當曝光。其實現方法通常是利用多幀方案對一個影像進行多次曝光或多次幀擷取，或者是利用一種非線性信號處理方式來降低更高曝光強度下像素的回應度。這些技術一般都能夠在一個影像中獲得大於100dB的超高動態範圍，這對許多應用都非常有用，比如，即使場景其餘部分被陽光或刺眼的光線照射到，監控攝影機也可以清晰地記錄下人的臉孔。
高場景內動態範圍也會帶來一些缺點。例如非線性像素的色彩再現能力和弱光靈敏度都很差，而固定圖案雜訊(FPN)卻較高。多重曝光技術不僅需要額外的記憶體和後續處理，還會降低近曝光轉變點的SNR，並且在一次的時序中擷取到的曝光量會產生運動偽影，故需要額外的運動補償和極高的幀速，以滿足視頻應用的需求。但最重要的是，這些寬動態範圍技術沒有做的事是，提高弱光靈敏度或降低雜訊來改善弱光條件下的影像擷取性能。為擷取這類場景，影像感測器一般不得不針對其中一種極端條件(如亮光)進行最佳化，代價則是降低另一種條件(暗光)下的性能。因此，廠商面臨的挑戰是設計一種在所有場景條件下都能夠達到最佳工作狀態的影像感測器。
為了應對此一挑戰，一種與眾不同的方案應運而生，它藉著在感測器中增加高靈敏度工作模式來提升場景間的動態範圍和感測器性能。於是，兩種工作模式被整合到一個像素設計中：低轉換增益(LCG)模式，用於明亮場景下實現大負荷處理能力；高轉換增益(HCG)模式，具有更高的靈敏度和低讀取雜訊，用於弱光場景。這種方案可為監控攝影機提供許多優勢，讓影像感測器在極端弱光條件下也能夠擷取影像/視頻，同時又不犧牲亮光條件下的性能。
對於大於2微米的像素，由於它的光敏區域較大，故其全井容量(full well capacity)常常由光電二極體的電荷保持容量來決定，而不是由像素的電壓擺幅來決定。為了提高該像素的電荷保持容量，通常是在浮動擴散(FD)節點上連接一個物理電容器。不過，這樣做一般會導致轉換增益(CG)下降，這也就意味著靈敏度降低，輸入參考讀取雜訊增加。這樣，儘管感測器有能力測試出更大的信號，但弱光靈敏度和感測器的DR也隨之受到影響。
採用這種新方法，在亮光條件下成像時，一個開關導通，將物理電容器連接到FD節點。在這種方式下，FD節點的大電容可用來實現低CG模式，這種模式可處理大量的信號電荷。在弱光條件下，DCG開關信號關斷，將電容器與FD節點斷開，進入高CG模式，在像素內部當作額外的類比增益。此時FD電容只是FD的pn結擴散和金屬耦合產生的寄生電容，比物理電容小得多。這種非常低的FD電容也讓轉換增益和靈敏度大幅提升，且讀取雜訊降低，但要付出降低最大負荷處理能力的代價。
這種方案能夠在弱光場景下提供高靈敏度和低讀取雜訊，在亮光場景下提供大負荷處理能力，所有這些功能都融入於一個像素設計中，從而實現極寬的場景間動態範圍。該方案雖然並沒有擴展某種場景的動態範圍，但藉由增加HCG模式，弱光條件下感測器的照明範圍則會被擴大。對於那些必須常常在弱光條件下擷取視頻的監控應用，這無疑是一種很重要的優勢。
Aptina 影像感測器在監控攝影機上的優勢
在從超亮到超暗場景的所有亮度條件下擷取高品質的60fps HD視頻是一項非常具有挑戰性的任務。過去，百萬像素感測器可以提供寬動態範圍或出色的弱光靈敏度，但無法二者兼顧。現在Aptina採用Aptina DR-Pix技術與多重曝光寬動態範圍成像技術而設計的最新HD百萬像素感測器就能夠提供寬動態範圍或出色的弱光靈敏度。
AptinaTM DR-PixTM可在所有像素上實現全域可程式設計轉換增益調節，以便與場景中的所有不同光照程度相匹配。結合使用真正的相關兩次採樣(true correlated double sampling)技術，它可以讓高畫質成像器實現小於2e- rms的低讀取雜訊和超過60%的量子效率。
傳統橫向溢出法會把最大井劃分為好幾個部分，與此相反，多重曝光WDR技術會充分利用每個像素的全部FW容量，從而使多重曝光技術成為抑制光暈模糊現象，同時又能提供大於100db動態範圍的最佳方法。設計人員又增加了特殊的讀出和處理方案，以減少場景中快速運動物體造成的典型的寬動態範圍運動偽影。利用這種新技術就能獲得60fps的高畫質視頻，讓攝影機製造商能夠靈活地採用不同的快門寬度來擷取場景內快速移動的物體。
結論
監控攝影機市場正在經歷著一場巨變。隨著新的監控攝影應用的出現，工業標準介面的盛行，以及相應的設計需求變化，監控攝影產業正在從CCTV轉而採用網路攝影機，從CCD影像感測器轉向CMOS影像感測器。寬動態範圍(wide dynamic range, WDR)技術標準化、嵌入視頻分析技術、3D立體攝影機的應用，以及對全域感光快門像素技術和提高感光靈敏度的需求，都對要如何選擇影像感測器有極大的影響。有了Aptina DR-Pix這類先進像素技術的創新，攝影機設計人員不需要在速度、功率、寬動態範圍和弱光性能之間進行折衷權衡，就能夠開發出真正的HD監控攝影機。
