前华为人讲述从0到1的血泪史!海思视频监控芯片如何一步步成为行业霸主

安防与国防 时间:2018-10-25来源:最牛博弈

  作者按:2004年海思半导体成立后,第一颗大规模销售的芯片(视频编解码芯片3510),并不是依赖内部客户成功的,而是一出生就不得不直接面对残酷的市场!老兵戴辉耗时数月,向多位参与这段历史的人士进行了详细调研,此文实为呕心沥血之作。通篇一万字,长文慎入。

  引 子

  2018年9月28日晚,“张学友经典巡回演唱会”在河北奥体中心体育场举行,现场观众超过3万人,当地警方全力投入安保工作。人脸识别系统配合高清视频监控部署在场馆及周边重点区域,秒级识别布控系统中的黑名单人员被识别而触发了报警,协助警方快速抓获3名在逃人员,宇视科技称使用的是其智能化方案。这已经是第三次在学友演唱会上抓到逃犯了,业界巨头安防巨头们都参与了其中。



  “我听到时第一反应是:这是为什么呢?后来我查证了一下,才发现其实是我们国家太先进了,大数据是很先进的,所以只要在我们国家犯了法,无论是去听我的演唱会还是去便利店,都是很容易被抓到的,所以还是不要犯法。”逃犯克星张学友回应道。

  走在街头巷尾,抬头看到摄像机,心中就多了一分安全感。深圳的治安比20年前可是好太多了,中国大建“平安城市”的举措确实维护了社会稳定。

  “平安城市”推动下,巨大的安防市场孕育出了巨大的产业。全球的摄像机(或者模组、电路板)大部分是在中国制造的。众所周知,海康威视、大华、宇视(千方科技)是数字安防市场的三强,当然除了它们,中国还有众多的中小企业。不仅是安防,直播、通讯、工业等众多领域也要用到类似的设备。

  前段时间,美国政府建议以国家安全为由禁止美国联邦政府采购某些中国制造商供应的视频监控设备。我这才知道,原来它们已进入到美国的公用事业了。

  无论如何,中国已具备强大的电子整机设计和制造能力,那么,问题来了:视频监控的核心系统芯片是谁家的?

  摄像头的芯片主要包括两大部分:

  1、用于成像的CMOS传感器,主要供应商有索尼、豪威(被韦尔股份收购)、格科微(上海)、安森美、思特微、比亚迪等中外企业。

  格科微在中国率先开创CMOS传感器产业,与中芯国际有合作。格科微创始人是清华毕业的赵立新,他的父亲是远近闻名的工匠,当年他暑期回来在作坊里挣学杂费,我还专门去观摩过。

  2、系统芯片(SoC,system on chip,也叫片上系统)。包括了编解码单元(用于压缩视频流),CPU(系统控制),ISP(图像信号处理)等几个部分。注意,早年上述每个功能都是分立的芯片,现在可以集成到一颗芯片里了。

  至于这颗安防芯片,所有的行业人士都会异口同声告诉你,海思是霸主,每年收入达到十亿美元量级,现在已经占据了该市场百分之八十以上的份额。


  图注:2016年的编解码芯片出货占比,数据来源IHS

  海思的份额远远超过了传统芯片巨头德州仪器(TI)和安霸(Ambarella)。最近甚至传言,TI要退出安防芯片市场了。

  第一章 关于视频编解码

  华为手机之所以成功,最重要的原因是有强大的基带能力,也就是手机的通信能力。

  苹果最新款手机上市以来,业界关于“信号不够好、速率不够快”议的讨论,都怀疑是因为采用了英特尔的基带,性能不如高通强。

  高通在基带上很厉害。顺便整合了周边的资源(如CPU等),连带着手机的系统芯片(SoC)也卖得很好,所谓“卖基带送CPU”战略!

  IP数字摄像机(IPC)的系统芯片,则是以编解码能力作为核心的。谁能做好编解码,谁就能整合周边资源来提供一揽子的SoC(系统芯片)方案。

  这就是海思的“吸星大法“!

  我们先从分辨率说起。视频画面,分辨率越高,就看的越清楚。一般说来,高清=720p,全高清=1080p,超高清4k是4096x2160或者3840x2160。单位都是pixel(像素)。分辨率与镜头和图像传感器息息相关。

  不过,分辨率越高、清晰度越高,原始图像数据量也越大,就要求越来越强大的编解码算法来压缩文件的大小,要不根本就存储不下来,也传送不出去。

  老兵戴辉先啰嗦一下,来看看编解码标准的演进。1994年,我的本科毕业设计就是在东南大学罗立民教授领衔的图像实验室里,在吕玉琦教授指导下,完成了JPEG的计算机实现。这是世界上第一个静态图像压缩标准,是1992年定义的。在这一点上中国与世界基本同步。

  我在一台386电脑(没有协处理器)上,用十分钟完成了一张512*512像素的黑白图片的压缩或解压缩,可以将文件大小压缩到原文件的十分之一。

  答辩的时候,我第一个上台,老师们精神很好,问:如果改一下里面的某个算法会有什么不同的效果? 当年的菜鸟“小兵戴辉”老老实实地答:我不知道,我是一丝不苟按协议来实现的!

  图注:东大图像实验室当年在《人民的名义》拍摄地大礼堂的副楼

  我后来在中山大学的研究生同学梁凡的本科毕业设计也是JPEG编码的实现。不过他算得快,他用的是快速查表的方式,没有像戴辉一样简单调用COS和SIN函数。当年的我,曾颇有些“既生瑜,何生亮”的感觉,现在却要沾这位学术精英的光了。

  言归正传。手机里照的照片,通常都是使用JPEG算法来压缩,大小在几M左右。如果选择采用”RAW“格式,才是真正的“原图”,未经处理和压缩,大小通常有几十M。

  图像之后,就进入到视频时代了。九十年代后期,录像机迅速被淘汰,VCD、DVD风起云涌。这个时候,基于视频的编解码标准就粉墨登场了!DVD用的是MPEG-2压缩标准。

  在同等图像质量的条件下,H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上。举个例子,原始文件的大小如果为88GB,采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB,压缩比为25∶1,而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB,压缩比达到惊人的102∶1。这对于节省视频的硬盘存储空间,和降低对网络传输的带宽要求,都有巨大的好处。

  现在,最新的视频编解码标准是H.265,它的压缩能力比之前的H.264还要强一倍。

  不过,这是要付出代价的,编解码标准压缩能力提升,也对CPU的计算能力要求越来越高!所以芯片里的晶体管尺寸越来越小,就是为了在芯片里面容纳更多的晶体管,以实现越来越大的计算能力。

  华为在编解码的国际标准上参与了不少制定工作,是最新的H.265标准的主要技术贡献者。4G网络打电话时用到的VoLTE技术,就要用H.264的编码算法。

  有网友笑谈:以后看纤毫毕现的爱情动作片,也可用到华为的技术了!

  第二章 决定要做视频编解码芯片

  1996年,华为在研发上考虑向交换机以外的领域扩张,刘启武组建团队开发会议电视和视频监控产品,并成立了多媒体业务部。

  会议电视好理解,就是用来开会的设备,后来华为还推出了“智真”视频会议平台。

  图注:东大校友于京、沪海底捞通过会议电视吃火锅

  华为视频监控的第一代产品主要用于通信机房监控,后来公司把这块业务与华为电气的环境动力监控业务整合在一起卖给了艾默生。

  2006年华为重新进入该领域,主要结合运营商“全球眼”需要做监控软件平台,不过,华为自己基本不做摄像机整机,如果需要,就到外面去找OEM。

  华为这些业务做得也不错,但是市场比较分散,华为只是主要的玩家之一。在规模上,与公司其他的基站和手机这些超级大块头相比,更是远远不及了。这些都是后话。

  2004年10月,华为成立了一个叫海思的子公司(小海思),从事外销芯片业务。与此同时,服务系统的芯片和公共平台归在2012实验室,叫大海思。

  2005年,海思艾伟牵头,定义了几颗消费电子芯片的规格,包括SIM卡、机顶盒芯片、视频编解码芯片等。

  华为搞多媒体业务的有两块。华为软件公司数字娱乐产品线(IPTV、视频监控软件平台)的负责人是张国新和“隔壁老王”,华为终端公司(会议电视和机顶盒)负责人李云白和王兆祥,都参与了海思多媒体芯片产品规格的定义。

  视频编解码芯片的开发负责人是杨锋国(PDT经理)、罗琨。

  会议电视是华为的老产品,该颗芯片最初的设想是在在会议电视上先用,这个开发思路和华为以前为系统设备开发配套芯片的思路是一样的。举个例子,1991年徐文伟领衔开发出的华为第一颗ASIC就是用在自家的程控交换机的接口板上。

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关键词: 海思 芯片 监控

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