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当前页面:首页>>高清实时不再是“浮云”—探秘HD-SDI摄像机
[2011-3-15]
 

  正当IP“高清风暴”席卷整个视频监控市场之时,作为视频监控市场占有优势地位的模拟CCTV也在暗自发力,提升画质。2009年,标榜将为模拟CCTV系统业者升级至HD画质提供便捷之路的HDcctv联盟悄然成立,HDcctv系统的串行数字传输链路是从为专业广播市场开发的SDI基本技术衍生而来,SDI技术获得了广泛的部署并得到了很好的验证。目前市场上新推出的基于HD-SDI的光端机、矩阵等传输、转换以及控制设备已不在少数,而基于HD-SDI的摄像机却“千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面”。下面笔者将从技术和应用等角度,来揭开HD-SDI摄像机神秘面纱。
  解密SDI摄像机www.ztwl.cn
  HD-SDI
  SDI(Serial Digital Input)即串行数字接口,是把数据字的各个比特以及相应的数据通过单一通道顺序传送的接口。由于串行数字信号的数据率很高,在传送前必须经过处理。在传送前,对原始数据流进行扰频,并变换为NRZI码,以确保在接收端可靠地恢复原始数据,这样在概念上可以将数字串行接口理解为一种基带信号调制。基于不同的数据速率,SDI可划分为标准清晰度SD-SDI、高清标准HD-SDI,对应时钟速率分别是270Mb/s、1.485Gb/s。
  其中HD-SDI是一个广播级的高清数字输入与输出端口,是SMPTE 292M在1.485Gb/s或1.485/1.5Gb/s的信号速率条件下传输的接口规格。该接口采用同轴电缆,以BNC接口作为线揽标准,有效距离为100米,是高清信号中等距离传输的较佳选择。
  HD-SDI与SDI的基本电气规范相同,除时钟频率提升到270Mb/s的5.5倍即1.485Gb/s外。不过这两者之间也存在着一些差别,例如HD-SDI将亮度与色差信号分别放置在两个流中,并将它们复用并加扰后进行传输,而且编码后的行号与校硷码附在有效视频结束(EAV)后。
  HD-SDI摄像机
  自从1998年长野冬奥会以来,高清串行数字接口(HD-SDI)传输设备的使用率不断增长。而HD-SDI摄像机是基于目前高清摄像机市场现状所推出的一款专门面向高端安防市场的产品,采用安防人士熟知的HD-SDI接口,方便与其后端编解码器以及视频服务器进行匹配,并且在控制中心配合高清视频矩阵可直接投影到大屏,使得整套高清系统变得不再象IP网络系统那样复杂、难以操作,而且更加容易为传统安防工程商所接受。加上摄像机采用高端的CCD成像芯片,使得摄像机在24小时内,都能完美呈现出高清晰、实时的视频画面,相信定能为高清监控市场带来全新的理念。如凌云的Magnolia,其除了具有标准监控摄像机的3A功能(Auto Shutter, Auto Gain,Auto IRIS)以外,同时配合摄像机本身的高灵敏度、高信噪比、高动态范围等一系列的特点,为夜间的图像效果及图像亮度提供了良好的保障。
  深圳市创维群欣安防科技有限公司产品开发部经理林敏表示,相对于IP Camera,初始布线为CCTV要升级为高清CCTV的市场,或需要实时视频监控的区域更衷情于HD-SDI摄像机,如赌场与注重实时转播的地方。而HD-SDI摄像机兼顾了模拟摄像机的方便性与IP高清摄像机的图像画质,让使用者在最熟悉的环境下实现全高清视频监控。
  用实力说话
  HD-SDI摄像机的技术要点由两部分构成:前端摄像机技术和HD-SDI的传输接口。对HD-SDI摄像机来说,重点在于后者实现,以及前端的性能优化。目前各大厂商重点还是放在摄像机性能提升上,因为未来竞争的重点在于摄像机的性能,例如最大分辨率、伽马修正、3A控制等。
  前端摄像机技术
  1、分辨率
  与其他类监控摄像机一样,HD-SDI摄像机在分辨率上也有很高的要求。因为只有高清信号源才能使HDcctv发挥出自己高清的本色,这点当然需要百万像素的摄像机才能达到。由于高分辨率往往伴随着大量的图像数据,这常常会影响帧速率,因此,仅仅有百万像素摄像机还不能保证高图像质量。相比之下,满足任何给定HDcctv标准的网络摄像机一定能够提供某种分辨率、帧速率和色彩保真度,从而始终确保视频质量。全高清1080P则是最好的选择。据慧友电子(北京)股份有限公司PM产品经理林祺表示,目前市场上的HD-SDI主流分辨率为720P(1280×720)/1080P(192 ).
  2、γ修正
  当监控摄像机在某些环境下工作时,往往会使显示的图像让人看起来显得太亮或者太暗,因此在可能条件下就要做伽马(γ)校正。其可增强影像中较暗的部份,但是不改变较亮部分的亮度,从而使影像看起来有更丰富的层次。
  在所有广播电视系统中,γ校正是在摄像机中完成的。最初的NTSC电视标准需要摄像机具有γ=1/2.2=0.45的幂函数,现在采纳γ=0.5的幂函数。PAL和SECAM电视标准指定摄像机需要具有γ=1/2.8=0.36的幂函数,但这个数值已显得太小,因此实际的摄像机很可能会设置成γ=0.45或者0.5。使用这种摄像机得到的图像就预先做了校正,在γ=2.5的CRT屏幕上显示图像时,屏幕图像相对于原始场景的γ值大约等于1.25。这个值适合“暗淡环境”下观看。
  γ校正原先是广电领域摄像机的“专利”,它极大地满足了广播电视对高画质的要求,而今将其引入安防视频领域也可以实现对监控效果的有力提升。过去的时代是“模拟时代”,而今天已进入“数字时代”,进入计算机的图像依然带有γ=0.5的校正。为了在不同环境下观看到“原始场景”可在适当地方加入γ 校正。
  从当前来看,绝大部分HD-SDI摄像机皆具备伽马修正功能。如慧友EQH5200 HD-SDI全高清摄像机的γ=0.45,且可在0.05~1.00间调整,保证了高清视频信号的输出。
  HD-SDI传输接口
  据北京凌云光视数字图像技术有限公司ITS与高端监控部门客户经理王宇斐介绍,HD-SDI摄像机的另一关键就是摄像机接口的选择。真正意义上的高清接口包括HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI这几种,而从表1中可以很清晰地看到,在目前的高清数字接口中HD-SDI接口的综合优势。HD-SDI接口是目前比较好的高清接口,同时HD-SDI接口也是目前广电行业标准的高清接口。
        表1 高清接口性能对比(来源:北京凌云光子技术有限公司)
 HD-SDIYPbPrHDMIDVI
端口数量1311
传输格式1080i,1080P,720P1080i,1080P,720P1080i,1080P,720P1080i,1080P,720P
信号传输方式无压缩转换的数字信号模拟信号无压缩转换的数字信号无压缩转换的数字信号
同时音频传输支持不支持支持不支持
传输带宽1.485Gbp
 30MHz5Gbps8Gbps
最远传输距离100M50M20M5M

  · HD-SDI以其较远的传输距离和较高的传输速率,更多地被使用到前端设备到传输设备,或者前端设备到中心/控制设备上。例如HD-SDI摄像机到HD-SDI光端机/矩阵的连接;
  · 在传输距离不是很远,对传输速率要求很高的场合,例如控制中心机房,使用HDMI和DVI即能满足需求。像支持HDMI/DVI的矩阵到监视器/大屏幕拼接墙之间的连接;
  · 显示终端一般都带有YPbPr接口,虽然YPbPr传输速率较低,但因其传输线的价格比较便宜,传输的距离较长,在某些对传输速率要求不高的场合也还是有一定的应用。
  不是叫板,而是死磕
  目前,安防行业正处于画质革命的时代。高清数字摄像机在逐步取代之前的模拟设备,而对于广电网络监控领域,市面上的IP高清网络摄像机不能利用现有的资源,如果要做系统升级的话,那么现有的整个体系将会完全被改变,必然会带来成本上的增加以及资源的浪费。
  而具有HD-SDI接口的高清数字摄像机就非常适合作为设备替换的首选。HD-SDI只需将编码器,解码用的数字机顶盒换成支持高清的就可以形成新的高清监控系统,原有的线缆、调制器、码流复用器等设备都可以保留,节约了很大的成本。高清晰的画质能更清晰地描绘出所拍摄的场景细节,使监控系统更完美,更高效。
         表2 HD-SDI摄像机与高清IP Camera性能比较 (来源:北京凌云光子技术有限公司)
   HD-SDI摄像机普通高清IP Camera
成像芯片CCDCMOS
快门类型Global  shutterRolling shutter
像元尺寸4.4um2.2um或更小
分辨率1080P、720P可选1080P(500万CMOS芯片ROI)
A/D转换器14bit10bit
帧速1080P,25fps/720P,60 fps25fps或306fps
数据接口HD-SDI百兆以太网
传输宽带1.485Gbit/s100Mbit/s
数据输出格式YUV4:2:2Montion-JPEG、
MPEG-4、H.264
视频输出连接器BNC型连接器RJ45
图像处理功能伽马,饱和度,色调,锐度伽马,饱和度,
色调,锐度
快门自动/手动/单次,软件可编程自动
白平衡
增益
图像延迟约40ms200ms~300ms
信噪比58dB40~50dB
自动光圈DC驱动可选
附加功能无齐全
尺寸44mm×29 mm ×58mm大
出厂级别工业级民用级

  从表2可看出,HD-SDI摄像机在性能上毫不逊色于高清IP Camera,且拥有自身的独到之处。据慧友的林祺介绍,HD-SDI摄像机与IP Camera相比,主要有以下四大优点:
  · 未压缩:HD-SDI数字信号是未经压缩的格式在视频线上传输,不像网络传输容易掉张/破张,可靠度较高;
  · 低延迟:HD-SDI比起网络高清有较低的传输延迟性,是实时监控较好的方案;
  · 易安装:对工程商或用户而言,其安装设定与操作与传统CCTV无异,没有学习上的额外成本;
  · 低成本:由模拟升级到高清的总成本较低,使用已有视频线从D1升级到HD,只需更换前后端设备,不需重新布线。
  仍需韬光养晦
  HD-SDI摄像机并非天使的眼睛,完美无缺,无论是摄像机技术还是传输接口皆有待提升。
  传感器技术
  传感器(CCD或CMOS)是摄像机的头脑,它的技术直接决定了摄像机性能的优劣,对于HD-SDI摄像机来说,同样如此。安防制造(中国)有限公司研究院副院长王一科表示,HD-SDI摄像机若要走向普及,首先得提升传感器技术。现有的高清图像传感器的感光灵敏度都不太理想,在夜间、隧道等光线较暗的场合下捕获的图像效果反而比标清的差。然而,事故和案件往往就是发生在光线条件恶劣的路段,因此,要想大范围抢占高清市场,传感器性能需要进一步提升。
  传输距离
  对于HD-SDI摄像机前景如何,目前还难以下定论。索尼中国专业系统集团应用业务市场部影像传感器产品经理梁一婵表示,尽管SDI摄像机的优势很明显,但它尚有一个致命的缺陷:前端采集的数据量大,传输过程不经编解码器的压缩,给数据的存储提出了挑战。高速数字信号,很大程度上不能采用标清模拟图像信号传输设备及组网。
  SD-SDI信号通过同轴电缆5CFB或者1189A能够传输350M,而到了高清串行数字HD-SDI信号的时代,同类型的同轴电缆的传输很难突破100M。如果需要传输更长的距离,就要选择衰减更低的高发泡介质同轴电缆。而这类电缆的强度相对较低,在电缆捆扎时需要留意电缆的变形,因为电缆变形会引起误码。即便使用这类低衰减的同轴电缆,也只能进行180M以内的高清数字信号传输,有时还需要使用中继设备对劣化的信号进行恢复。因此,在建立HD-SDI系统时,不能仅考虑同轴电缆施工简便、成本低廉等因素。
  据天津天地伟业数码科技有限公司网络视频部产品经理的郭辉介绍,HD-SDI 光纤收发器可以很好地解决这一难题。该系统包括一个发送端及一个接收端,通过一根ST光纤连接单向传输高质量高清晰信号。通过光纤收发器可以解决长距离传输问题,并且体积小巧,可以和摄像机一起安装在防护罩内。
  传输速率
  高速接口芯片技术的进步,使3Gb/s级别的串行接口成为可能。2005年,ITU-R在BT.1120-6建议书中给出了第三代串行链接标准的2.97Gb/s串行接口规范,物理介质仍然沿用了75欧姆同轴电缆和IEC60169-8标准连接器。此外,SMPTE 424M也给出了类似的3Gb/s级别的接口定义。由于HDTV可以支持每秒30帧的逐行扫描1920×1080的分辨率格式,而3G能够支持比HD视频信号最高帧扫描频率高一倍的频率,即3G可以支持每秒60帧的HD信号,这与动态视频的差别很大。3Gb/s串行接口的出现解决了之前需要双链接HD-SDI的场合,如4∶4∶4/12bit或1080P50/59.94格式的节目制作等。目前,已有厂家宣布推出3Gb/s的串行接口芯片产品。
  基于HD-SDI标准接口的高清摄像机,能够真正实现1080P的高清视频数据输出,同时达到25帧/秒的实时图像采集。凌云的王宇斐表示,新兴的数字电影具有较高清晰度的图像、更高的分辨率、更丰富的色彩(例如SMPTE 428-1K PGYQR 4096×2160 4∶4∶4/X'Y'Z'/12-bit@24P),SMPTE N26技术委员会正在制订435M系列标准:一种时钟频率为10.692 Gb/s的串行数据接口,其物理介质为符合IEC 60793-2标准的光缆与符合IEC 61754-20标准的光连接器。这种10Gb/s级别的接口可将多至8个HD-SDI数据流复用在一起,也可以将现有的1.5Gb/s与3Gb/s数据结构映射至10Gb/s接口上。伴随接口速率的提升,HD-SDI摄像机的应用前景将更为广阔。
  传输介质
  总体来说,SDI标准是相当不错的。SDI很好地保护了像素,使其不受损失,能够工作在RGB 4∶4∶4和YUV 4∶2∶2,速度可以在SD、HD、2K间切换,支持16通道数字音频、时间码和其它各种辅助数据。它可以被转换、在大楼中自由走线。这就是为什么它能迅速普及,而且在过去的20年终能够满足电视制作的要求。不过,它的极限也逐渐暴露:
  · 每当有更高速度SDI出现时,SDI电缆都需要更换。SDI刚刚出现的时候,此前用于传输复合信号的电缆不足以处理SDI的数据码流。HD-SDI刚出现时,也需要换新的SDI,3Gb/s SDI刚出现时也出现了这种情况。不停升级电缆的成本也是一笔可观的开销;
  · SDI电缆太粗,如果有许多电缆沿着机架和楼宇布下来会占用很多空间。凡是看过有SDI电缆出入的机房都会知道SDI占用的空间不少。
  而上海美赞美数码科技有限公司总经理唐海峰表示,光纤很容易解决这些问题。光纤SDI的比特流和传统SDI一样,只是传输介质从铜缆变成了光纤。这就是说,光纤拥有传统SDI的所有优势,同时还具备以下新的优势:
  · 光纤能长距离传输。Blackmagic Design光纤产品在SDI测试标清信号时,其最远传输45KM,3Gb/s最远传输25KM。常规SDI的数据与其相比可谓小巫见大巫;
  · 光缆不存在速度极限。铜缆有速度极限,所以如果数据传输率提高,铜缆将无法传输频率更高的数据;
  · 在需要更高SDI数据传输率的视频标准出现时,你可以继续使用相同的光缆。
  光纤可以轻松传输3Gb/s,也可以传输更高的速度。
  当前,HD-SDI摄像机的接口大部分是采BNC接口走视频线输出,但也有直接采用光纤接口。光纤的应用在高清时代预计会大幅成长,这个趋势值得关注。
  标准化架构
  慧友的林祺则指出,HDcctv作为新的行业标准,HDCCTV联盟需尽快且持续的维护协议升级发展,提供最先进的技术平台给会员厂商。目前的主力还是中韩台三地的厂商,HDcctv还是处于早期采用者的产品发展阶段,无法吸引主流市场的信任与采用,所以要尽力争取指标性一线厂商的加入。另外,联盟除了需要迅速积累一定的经济规模,以降低核心器件的成本,同时要考虑HD-SDI方案之间的兼容性与可靠度,让HDcctv本身更具有竞争力。
  就目前技术和监控市场,天地伟业的郭辉表示,如果前端采用SDI摄像机,那么必须要有一整套完整的SDI产品与之搭配才可以获得良好的效果,这样的造价也非常昂贵。包括SDI编码器、SDI视频服务器、SDI光端机等产品。在现有的安防系统下,这样的成本是比较高的,这就需要各大安防厂商能加快前端、传输、切换、控制、编码等各部分产品的开发,相信随着产品线的丰富和更多厂商的加入,成本会逐渐降低。因而HD-SDI摄像机的普及离不开行业标准化的架构建设。而HDCCTV联盟提出了一个高清晰视频监控系统标准,该标准支持高清电视(HDTV)信号数字流无需打包就能进行传播。据HDCCTV联盟执行主席透露,该标准的第一个版本已经提供给联盟成员,以促进不同厂商的高清电视摄像机、数字视频录像机和监视器之间的互操作性。新一代用于视频监控的HDTV设备使用的是广播级质量的高清晰数字视频,是由老式模拟系统改进而来。
  结语
  对于HD-SDI摄像机的未来,安防行业人士意见各异。慧友林祺表示,HD-SDI的核心技术掌握在SDI芯片、Video Codec、Sensor/ISP等厂商手中,对于具备网络高清制造实力的厂商进入的门坎不高,因此目前业界只是采取观望,并非有进入障碍,估计2011下半年的展会就有百家争鸣的盛况出现。而浙江大华技术股份有限公司产品中心前端线产品经理吴隽是另一种见解,他认为,由于采用HD-SDI技术的高清监控有其特殊的应用场景,在近几年与高清网络摄像机是可以共存共荣的。但目前推出HD-SDI摄像机的厂家还不多,配套设备不够齐全,未来的发展还不太确定,有可能会被高清网络摄像机替代。
  无延时、全高清、高锐度、数据无损耗的高清应用已是时代发展的趋势,广播级技术与安防的融合,将引领中国安防行业的高清化向一个更高的层次发展。当然,由于HD-SDI摄像机刚进入安防领域,还有很多技术需要改进,以更适应安防业的应用。


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