浅谈PTZ摄像机的应用与发展方向2

浅谈PTZ摄像机的技术应用与发展方向

明景/尹雪辉

PTZ摄像机从产品形态角度来讲就是实现水平、垂直、ZOOM三维立体方位图像采集的机电一体化产品；从市场角度来讲它是视频监控摄像机的核心载体，在中高端安防视频监控市场中起着主导作用。经过十几年的行业高速发展，目前我国的PTZ摄像机不管是从技术角度还是市场应用角度都已经非常成熟。常州明景电子作为一家十几年的老牌子PTZ摄像机研发生产销售的行业专业企业，经过这么多年的发展在技术沉淀上和市场应用上积累了一些经验，下面就通过笔者的一些见解和大家分享一下：

一、PTZ摄像机的基本分类：

室内高速球室外高速球充氮气压力球迷你型球

红外高速球红外T型云台车载球高速云台在实际应用当中我们会根据不同的产品形态定义和市场价值定义把PTZ摄像机分为内置解码型和外置解码。外置解码型PTZ目前已经基本被市场淘汰，下面我们主要讲解内置解码型PTZ摄像机。内置解码型PTZ根据不同市场产品定位分为低速、中速、高速三种档次的产品，由于行业内在电机运行的速度上并没有做明确的界定和规范，所以各厂家也没有统一的标准。PTZ的速度区分主要是根据各个厂家自己的机械结构设计能力、单片机选型、电机应用等综合技术考量而定。低速PTZ大体运行速度在10-20°\S，分为恒速（恒速采用同步电机，有些带减速箱）和变速（采用步进电机）两种电机运行模式，恒速PTZ只能按一种常态的速度进行运行，目前这类产品也基本被市场淘汰了。低速PTZ主要是用在低端市场和重载PTZ上，在重载PTZ上考虑PTZ的载重所以要牺牲速度；中高速PTZ基本都是采用高性能高精度步进电机、驱动和紧凑的机械结构来实现的，一般都在90°\S—400°\S，中高速PTZ的技术难点就是，电机的驱动（驱动硬件、软件、步进电机细分）、定位精度、机械传动等部分。

除了运行速度外从产品定位和其它方面还可以把PTZ摄像机分为以下几类：

产品外观分类：球型PTZ、T型PTZ、转台型PTZ等。主流方案中以球型和T型PTZ 比较常见；

功能分类：夜视型PTZ（LED红外、激光红外、LED白光、热像仪、雷达等）、普通型PTZ、网络型PTZ、模拟型PTZ、数字型PTZ、高清型型PTZ（网络高清和数字高清）、智能分析型PTZ；

载重量分类：轻型、重型、迷你型；

应用场合分类：室内型、室外型、防爆型、防水雾充氮气型、高低温型、车载型、特殊专用型；

根据传动方式分类：皮带传输型、涡轮传输型、机械齿轮传输型、混合传输型。

二、PTZ摄像机的基本功能组成：

PTZ摄像机主要实现的就是通过后端控制设施（通过一定的约定协议）来控制它的水平、垂直、摄像机一体化机芯的旋转、变倍、聚焦等功能。简单来讲就是可以远程实现监控画面不同角度的场景摄录。根据这样一个产品形态定义我们可以把它看成是集单片机应用、步进电机控制、摄像机控制、串口通讯、温度控制、报警联动控制、视频处理、开关电源技术等高度集成的机电一体化产品。下面以球型PTZ摄像机的软硬设施来讲一下它的基本功能组成：

2.1、电子硬件组件构成：

2.1.1、MCU：是PTZ摄像机的中枢系统，直接管理着PTZ所有模块的运行。目前行业内比较主流的控制器有STC51系列的8位机、PIC系列的16位机、STM32系列、ARM 系列的处理器，有些数字型、智能分析功能PTZ摄像机，可以直接用DSP处理器代替MCU，如明景电子早期的一款智能分析PTZ摄像机用的是TI的DM6437。一般的PTZ摄像机都逐步转向STM32F103这款微处理器上，因为这款处理不管是功能上或信价比上都有一定的优势，最主要是开发起来比较简单；

2.1.2、步进电机驱动模块：做为PTZ摄像机的核心功能，一款好的步进电机驱动芯片直接影响到PTZ摄像机的性能。A3988和A3992一直是业内常用的也比较认可的步进电机驱动芯片，这两款芯片都可以根据不同的方案配置实现步进电机的细分驱动；

2.1.3、一体化摄像机控制：PTZ只是个云台，如果没有摄像机它是无法实现视频图像的摄取的，实现对一体化摄像机的控制也是它的产品形态的重要组成部分。行业内模拟或数字一体化摄像机的接口相对于网络一体化摄像机的接口比较规范和统一，通过专用扁线或LVDS线很方便的实现和PTZ的对接。控制接口一般采用TTL通讯方式；

2.1.4、地址协议波特率拨码：PTZ摄像机要实现统一的管理，必须各自要有唯一的ID，同时还要具备和外部通讯的条件，比如和上位机约定的协议规范。要实现这些功能必须要求PTZ摄像机具备这种选择的硬件设施。不过目前很多厂家随着硬件技术的突破，已经把这些功能通过软件的方式实现了；

2.1.5、开关电源模块：这是PTZ摄像机的动力之源，行业内一般采用DC12V外置电源和内部集成AC24V电源。对于使用环境相对恶劣的场合一般都会选用内置AC24V电源的PTZ摄像机。明景电子的产品基本上都内置了开关电源，在电源抗干扰和稳定性上都有比较好的体现；

2.1.6、步进电机位置检测模块：PTZ摄像机步进电机控制必须是一个闭环的，要能实时检测到步进电机的位置，所以就要知道步进电机的起始点和终点，从而通过软件实现步进电机的计步，一般采用光电管或霍尔器件做限位器件；

2.1.7、OSD字符叠加模块：如今的PTZ摄像机基本都具备了OSD菜单人机对话界面，让用户更轻松直观的实现PTZ摄像机的功能设置。方案一般有字库芯片如UPD6467，开关叠加电路2244，视频放大处理电路2267等组成；

2.1.8、存储模块：用于存储PTZ摄像机运行时的数据，比如预置点位置信息、摄像机设置信息、实时的计步数据等，通常采用I2C芯片如24C256等；

2.1.9、RS485控制电路：主要用于和上位机的通讯；

2.1.10、其它辅助功能模块：温控系统、雨刷红外控制系统、报警系统，这些模块做为PTZ摄像机的辅助功能，可以根据实际使用环境进行增减。

2.2、软件模块构成：

2.2.1、云台控制协议库：明景电子的PTZ摄像机产品都集成了不低于8种的主流云台控制协议，很方便的实现与不同后端上位机的通讯；

2.2.2、一体化摄像机协议库：方便自动识别不同一体化摄像机的控制协议，对用户来讲是有莫大的帮助。第一用户可以轻松选择不同品牌的一体化摄像机；第二用户不需要复杂

的设置即可实现一体化摄像机的控制操作。明景电子在这方面走在了行业的前头，很早就实现了这方面的技术应用。大部分产品都支持国内外十几种一体化摄像机的协议，而且能自动识别到摄像机；

2.2.3、步进电机控制：步进电机控制对于16位机来说都会采用PWM模式，主要要考虑步进电机的启停、恒速运行、细分、计步、升速、降速等。还有其它一些比如预置点位的设置调用、花样扫描（削苹果功能）、线扫、巡航等都是在步进电机控制上实现的。

2.3、机械结构组件：

成品球型PTZ摄像机组件

2.3.1、快装接口：这种快装式的接口对于用户工程施工或后期的维护都带来了极大的便利，应该成为行业内球型PTZ摄像机的接口规范。这种快装方式采用多针航空插件配合花兰的卡扣实现球机与支架之间电器和机械的可靠紧密结合；

2.3.2、双锅设计：这种设计主要考虑用于室外环境相对恶劣，温差较大。内锅和外锅之间有温控系统和通风系统；

机芯结构组件A

机芯结构组件B

三、PTZ摄像机的扩展功能：

PTZ摄像机本身功能不外乎云台的转动、定位、一体化摄像机的控制（包括对摄像机图像调整、优化等），另外配合一些温控、雨刷、补光等辅助功能。到目前为止，在技术方面来讲它已经非常成熟，做为它本身要去优化的技术空间已经不多，无非就是通过运行速度更快、功能更强大的MCU来提高它的定位精度、运行速度、预置点记忆空间、支持更多的一体化摄像机等。说白一点就是在相对越来越成熟的市场中仅仅靠提高PTZ摄像机本身技术指标空间来提高其附加值意义已经不大，最多也是在同样性价比上获得个好口碑。

而要真正去提高PTZ摄像机的价值是在于开发它的扩展功能上，我们可以把PTZ摄像机看着是一个平台，当这个平台高度发达成熟的时候，我们就不要再考虑这个平台搭建的

怎么样？而是在这个平台上我们还能干些什么。比如说我们在模拟时代去扩展了它的各种一体化摄像机的兼容，扩展了定时预案功能，扩展了智能分析与跟踪功能。那么高清数字时代怎么在PTZ摄像机这个平台的基础上发挥更大的优势呢？

3.1、扩展高清一体化摄像机的兼容：PTZ是应了一体化摄像机而生的(排除长焦重载云台)，它的开发和革新都离不开这个本质的根源。目前对于高清一体化摄像机来说朝着两个方向在发展：一种不带编码的数字一体化摄像机；另外一种是具备了编码网络完整功能的一体化摄像机。前一种接口相对来说比较规范和统一，但是对于PTZ摄像机研发生产企业要求会比较高，必须具备视音频编码压缩技术，需要在PTZ摄像机上加装一块网络高清编码板或HD-SDI转换板，实现数字高清到网络高清或HD-SDI高清两种高清标准的转换（考虑HD-SDI高清技术的门槛较低，没有网络高清的普及和主流，以下不再提及此类技术）。

后一种带网络编码板的一体化摄像机目前存在的最大问题就是没有统一标准风格的界面和电器接口，这种一体化摄像机的诞生主要是基于企业自身的需要而发展的，存在一定的狭义性。不过国内企业很喜欢这种方式的一体化高清摄像机。对于市场推广来说，行业内能统一电器接口定义，一体化摄像机厂家能更大程度开放，提供不同需求的界面定制风格。笔者认为未来的网络高清一体化摄像机必将是带编码板的一体化摄像机的天下。这个主要是基于以下几点考量：1、行业分工细化，做为PTZ生产厂家可以专注于研发PTZ，因为基于IP化的技术不是他们的优势；2、生产成本，集成了网络编码的一体化摄像机和不带编码的

一体化摄像机在形成可应用的PTZ摄像机上前者的总体生产成本要远比后者低的多，这也是国内企业为什么热衷于前一种方式的一体化摄像机的缘由；3、集成度高，功耗功能强大，有很多带网络编码的一体化摄像机，在功耗上和图像处理上做了很大优化，同时增加了P2P、3G扩展、智能分析等功能，基本上一个小小的摄像机做了视音频处理、网络传输的全部功能；4、便于维护，由于功能比较集中，即便是后期运行上出了问题，只要简单更换一下一体化摄像机就可解决问题。很多PTZ摄像机生产厂家在设计一体化摄像机安装结构时做的都比较人性化。

同时也要考虑原有模拟摄像机与高清摄像机不管是成像的像素还是其它功耗、感红外、输出接口等各方面都有所不同，所以要在PTZ摄像机的结构、壳体尺寸、散热、成像光学玻璃球罩透明度、夜视补光设备上都要有一定的改动和优化。软件方面要去掉一部分原有模拟摄像机的功能，比如原有的OSD菜单功能，原有的预置点存储（改造成网络高清云台后

预置点直接存储在编码板上）、原有预案定时功能等等，很多功能会移植到网络编码板上，大大降低了MCU的性能压力；

3.2、扩展与长焦一体化摄像机的兼容：模拟时代最大倍率的一体化摄像机做到36倍，最大焦距做到120多mm。但是还是无法满足一些特殊场合的市场需要，为此行业内都采用长焦镜头配枪型摄像机、镜头解码板的方式实现。这种方式的缺点是造价高、集成度低，PTZ很多功能无法实现，比如OSD菜单、镜头倍率显示等。网络高清时代，高清一体化摄像机目前最大倍率也基本做到30倍，最大焦距也在120多mm。但是为了弥补高空瞭望市场应用的缺憾，很多一体化高清摄像机厂家在探讨和摸索更大倍率更大焦距的高清一体化摄像机，所以做为PTZ摄像机生产厂家也要考虑如何生产出适应这种长焦距的一体化高清摄像机的PTZ。做为长焦距，PTZ要优化图像的抖动带来的视觉影响，比如采用更为平滑的运动组件，降低步进电机控制带来的晃动。采用长焦限速功能，有比例的限制PTZ的转动速度，使远端目标定位更精确。

3.3、扩展智能化应用：摄像机智能化分析提了很多年，在PTZ摄像机行业内有两种常见的模式，一种是智能跟踪模式，一种是智能分析模式。这两种模式都是把分析算法直接写入DSP芯片内部，然后通过DSP芯片的运算处理发出相应的指令给到PTZ，PTZ产生相应的动作实现跟踪分析功能。能支持视频智能分析算法的DSP芯片业内并不多，大部分是由TI的达芬奇系列视频编码压缩芯片完成，目前海思有部分视频编码压缩芯片也集成了智能分析算法的核，但是功能比较简单，可以简单实现如人脸抓拍、简单周界。笔者个人认为在实际应用中由于现有模式的智能分析算法自身的缺陷（根据背景运动图像实现的肤浅分析，不是根据人或动物的生理特征、身体形态来进行的判断分析）是无法真正得到大面积应用推广的。视频智能分析的发展未来的趋势不是在PTZ上，应该是在后端的综合管理平台上。目前PTZ摄像机业内应用最多、最成熟的是周界、计数、人流统计、人脸抓拍、烟火识别、伴线、音频侦测等智能分析处理上。这些技术在模拟时代已经有了很大的突破，现今由于高清市场的饱和，很多厂家开始着手把这一套东西搬到网络高清PTZ摄像机上来，寻求差异化的产品路线。由于高清产品对系统要求比较高，对相应的硬件DSP芯片要求也是比较苛刻，真正实现比较理想的网络高清智能分析PTZ摄像机还有一段路要走。

3.4、扩展夜视、多种探测功能：夜视照明补光行业内已经有很多成熟的解决方案，红外灯也经过了N代的技术突破和发展。但是随着雾霾等恶劣天气的经常出现，具备透雾功

能的一体化摄像机的出现，能够穿透雾霾的补光光源不久的将来也会出现，结合这种技术的

PTZ摄像机也会应用而生。另外热释电探测摄像机也开始网络化，怎么和网络高清摄像机实现一体化的PTZ摄像机也是未来的需求。

3.5、扩展3G\4G无线功能：虽然这个应用市场面不是很大，但也是一种探索，单单从技术上来讲是没什么难度的。只要编码板支持P2P等穿透功能，能架构相应的平台软件即可。简单来讲就是把原有的车载无线系统集成到PTZ摄像机内部。

四、PTZ摄像机的市场分析：

国内生产PTZ摄像机的基地主要集中在长三角、珠三角、天津。主流的有景阳、亚安、明景、维多、宏本、拓安、英飞拓、大华、海康等，最近两年也出现一些新秀，比如专业做红外球机的天津汇讯、专业做教学球机云台的杭州开锐等。整体来讲PTZ摄像机市场已经进入饱和、白热化竞争时代。传统的模拟时代PTZ摄像机霸主原有的优势已经在一点一点的磨灭，很多厂家业绩一年不如一年，有的转型较慢的企业基本就没了声音。在这种市场环境下，产品如果提升对大家来说都很难，同质化越来越明显，特别是公模的出现，这一问题会更加明显。市场的两级分化也逐渐明显，一种是向低价大众化趋势发展，一种是向技术前沿发展。大众化发展之路必定会坎坷，PTZ摄像机的成本和利润空间一再压缩，企业只能靠不断优化PTZ来发展。笔者根据个人判断描述一下PTZ摄像机未来的发展趋势：

4.1、面向智能家居、智慧家居应用的PTZ摄像机：未来推动安防发展的必定是大安防时代，随着互联网、物联网的普及应用，以个人、家庭联网的安防市场正逐步开启。很多原来做IT、智能个人终端的软件企业开始涉入硬件制造。他们最有利的方面就是产品的智慧化、互联化，比如智能穿戴产品，小米路由，智能网络电视等产品都可以实现远程互联控制，可以智能开启家用电器设备。如果基于这种理念把视频监控技术得以融合，那么会给安防视频监控带来一片新的天地。举个例子，像小米生态链中，一个核心的小米路由，可以把小米电视、小米手机、小米智能穿戴产品、小米智能家居产品联起来形成一个小米生态网。用户只需一部小米手机，就可以实现所有生态链中的产品远程控制监视。如果小米在这个生态链中加入智能网络家庭PTZ摄像机，那这个生态链就变成了安防监控智慧家居生态链，PTZ摄像机的存储可以放到小米路由里面（米路由具备了存储功能）。可以通过手机APP 界面实现PTZ摄像机图像查看，录像查看，PTZ控制，语音对讲，报警联动，智能家居产品控制于一体的多功能组合操控。其实在视频监控行业内有些企业也做了一些尝试，把NVR 网络数字硬盘录像机和网络智能电视融合为一体，通过安卓平台实现网络电视和视频监控同时使用。

做为面向智能家居、智慧家居应用的PTZ摄像机要求小型化，操作简易化，具备很好的网络即插即用功能，支持无线接入。

4.2、面向项目的中高端产品：这类产品除了稳定外，必须具备前沿技术集成能力，比如兼容高清、超高清（4K）、低照宽动态摄像机编码技术，支持无线接入、支持智能分析功能等。

4.3、面向太阳能、风力发电的低功耗PTZ摄像机：PTZ低功耗一直是业内追求的技术目标之一。低功耗主要取决于PTZ的处理方式上，比如采用具备休眠功能的单片机，只有上位机通讯唤醒的时候才工作，采用带涡轮自锁功能的传动部件，当PTZ不走巡航或控制的时候会锁定场景，步进电机可以不给电。

4.4、面向车载市场的PTZ摄像机：车载PTZ摄像机的主要要求是抗震、低功耗、电源抗冲击。在提升车载PTZ性能时最好采用蜗轮蜗杆的传动方式。

4.5、重载PTZ摄像机：重载PTZ摄像机主要应用在海防、森林防火等场合。重载PTZ 摄像机的难点在于步进电机驱动、功耗、传动结构。

4.6、道路监控PTZ摄像机：这部分PTZ摄像机对PTZ要求并不是特别严格，主要是对一体化摄像机要求相对较高，也就是摄像机的成像效果要具备强光抑制、低照、宽动态等抓取车牌的功能。PTZ的发展我们上面谈过离不开一体化摄像机的发展，所有的视频监控都是基于摄像机技术发展的。

4.7面向防爆市场的PTZ摄像机：最近几年由于国内煤炭、有色金属等行业业绩的下滑，防爆PTZ摄像机市场也不容乐观。

从总的市场应用方向来看，未来球型PTZ摄像机的市场将远大于云台型PTZ摄像机市场，不管是普通的还是夜视的球型PTZ摄像机都会得到很大的应用推广。