近兩年，高清可以說是監(jiān)控行業(yè)最熱門話題，業(yè)界各大主流廠商都紛紛推出自己的高清產(chǎn)品，尤其是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)更是款型豐富，外圍配套設(shè)備比較齊全，涌現(xiàn)出各種IP高清系統(tǒng)解決方案，并成為目前高清視頻監(jiān)控應(yīng)用方案的主流，本文將為大家介紹給力的高清視頻監(jiān)控技術(shù)HD-SDI。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)中圖像清晰度是最被關(guān)注的，衡量圖像清晰度的標(biāo)準(zhǔn)是分辨率，分辨率值越大，圖像就越清晰?，F(xiàn)在視頻圖像分辨率最高已可達(dá)1080P，也就是人們通常說的高清。其實要做到畫面高清，不僅僅是分辨率達(dá)到720P或1080P就行了，還必須在超寬動態(tài)、自動白平衡、圖像銳利度調(diào)整、超級數(shù)字降噪(信噪比)、智能數(shù)字自動測光補償、亮度信號、彩色信號邊緣補正、損壞像素自動調(diào)整與恢復(fù)、色彩調(diào)整等指標(biāo)上都要有上好的表現(xiàn)，只有達(dá)到這些綜合性的要求才能真正地實現(xiàn)高清。由于圖像清晰度對視頻監(jiān)控產(chǎn)業(yè)有著非同一般的重要性，因此，高清監(jiān)控技術(shù)一經(jīng)面世就被市場廣泛接受并開始實際應(yīng)用。
攝像機(jī)是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電學(xué)圖像，通過顯示設(shè)備還原光學(xué)圖像的設(shè)備。攝像機(jī)的社會需求源自人類對自然的視覺需求，是人類感知物質(zhì)世界的重要工具。盡管視頻監(jiān)控是作為一個系統(tǒng)來衡量整體性能的，但無疑，攝像機(jī)是最重要的組成部分，并匯聚眾多的核心技術(shù)。
近兩年，高清可以說是監(jiān)控行業(yè)最熱門話題，業(yè)界各大主流廠商都紛紛推出自己的高清產(chǎn)品，尤其是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)更是款型豐富，外圍配套設(shè)備比較齊全，涌現(xiàn)出各種IP高清系統(tǒng)解決方案，并成為目前高清視頻監(jiān)控應(yīng)用方案的主流。不可否認(rèn)，由于IP高清監(jiān)控方案的實際應(yīng)用，極大地提高了視頻數(shù)據(jù)承載和應(yīng)用能力，使視頻圖像分辨率大幅提升，并具有高度的易擴(kuò)展性和集中管理等優(yōu)勢。近幾年安防行業(yè)各類展會中，IP高清監(jiān)控方案真可謂飽受贊譽。
然而，盡管IP網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控具有種種優(yōu)勢，但也由于各種原因，對IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，特別對網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控系統(tǒng)整體而言，也明顯地暴露出其軟肋：由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲帶來的非實時性，又由于有損編碼壓縮使顯示和記錄的圖像失去原汁原味，從而影響了其應(yīng)用效果。所以說，事物都有其正反二面，IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控也不例外。
在人類感知物質(zhì)世界的過程中，對高清的追求一直沒有停止腳步，與IP網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控相呼應(yīng)的HD-SDI數(shù)字高清監(jiān)控就是最為重要的應(yīng)用實例。
HD-SDI高清及標(biāo)準(zhǔn)
攝像機(jī)的CCD或CMOS傳感器采集信號后未經(jīng)壓縮的高清視頻信號及傳輸有模擬和數(shù)字兩種。模擬傳輸一般采用YPbPr分量傳輸，一路高清視頻信號需要三根同軸線纜同時傳輸。數(shù)字傳輸一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，不適合用于監(jiān)控圖像的遠(yuǎn)程傳輸，行業(yè)內(nèi)通常被應(yīng)用在演播控制室內(nèi)設(shè)備間的連接和信號傳輸。而HD-SDI信號雖然可以傳輸百米左右，并可采用CVBS同軸電纜傳輸，所以通常被應(yīng)用在現(xiàn)場采集設(shè)備與百米內(nèi)的控制設(shè)備間的信號傳輸連接。
高清定義源自于數(shù)字高清電視HDTV，是由美國電影電視工程師協(xié)會SMPTE確定的高清晰度電視標(biāo)準(zhǔn)，即支持1080i(1920×1080，隔行)、720P(1280×720，逐行)、1080P(1920×1080，逐行)三種高清電視標(biāo)準(zhǔn)；再次，還特別要求是16∶9顯示模式和全幀速。
目前，在安防行業(yè)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)清數(shù)字編碼一般可達(dá)到4CIF或D1的分辨率，約為40萬像素，清晰度在300至500電視線之間；高清攝像機(jī)如果要達(dá)到800電視線清晰度，那么攝像機(jī)的分辨率至少要達(dá)到720P(1280×720)的標(biāo)準(zhǔn)，約90多萬像素；若采用200萬像素，就能達(dá)到1080P(1920×1080，逐行)高清圖像的要求。
現(xiàn)在，安防行業(yè)通常采用廣播電視領(lǐng)域的高清劃分標(biāo)準(zhǔn)，來區(qū)分“高清”和“標(biāo)清”。由于采用廣電標(biāo)準(zhǔn)：即能達(dá)到百萬像素的攝像機(jī)，配套以1080P分辨率的顯示設(shè)備及相應(yīng)的傳輸通道，就可以形成一套可稱之為高清的監(jiān)控系統(tǒng)，但安防視頻監(jiān)控行業(yè)本身至今還沒有通用的高清標(biāo)準(zhǔn)。例如，2006年發(fā)布的國標(biāo)《視頻安防監(jiān)控數(shù)字錄像設(shè)備國家標(biāo)準(zhǔn)GB20815-2006》，僅對DVR的等級劃分為A級(分辨率不小于4CIF，704×576)和B級(分辨率CIF，352×288)兩種。
HD-SDI監(jiān)控技術(shù)優(yōu)勢
相較于IP網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控系統(tǒng)，很明顯，HD-SDI監(jiān)控有如下優(yōu)勢。
1、原模擬系統(tǒng)布線仍可采用，系統(tǒng)組成和設(shè)備管理方式不變，從老的模擬系統(tǒng)升級，只需更換相應(yīng)的硬件設(shè)備，幾乎無需操作培訓(xùn)，能平滑實現(xiàn)從標(biāo)清模擬監(jiān)控升級到高清監(jiān)控。
2、不失真原始圖像，不像IP監(jiān)控是經(jīng)壓縮和打包后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，而HD-SDI監(jiān)控以未壓縮數(shù)字信號在同軸電纜上高速傳輸，不失真。
3、高清實時，不受傳輸網(wǎng)絡(luò)影響，不會有IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控產(chǎn)生的圖像延遲問題，在有實時監(jiān)控要求的場合，該性能要求就顯得特別重要。
4、提供更多細(xì)節(jié)，保持圖像的完整性和原始性，大大提高了智能分析算法的精度，為智能視頻分析IVS提供了保障。
5、單位面積攝像機(jī)布點密度大幅下降，提高了采集設(shè)備的利用效能。
客觀地講，基于IP監(jiān)控和基于HD-SDI監(jiān)控各有優(yōu)勢，從目前安防需求看，HD-SDI監(jiān)控是令人振奮的。但是，HD-SDI監(jiān)控本身也還有技術(shù)問題需解決。比如，需要解決HD-SDI的長距離(長于100米的)傳輸問題；配套設(shè)備欠成熟、廠商較少，廠商和配套設(shè)備的選擇面較小，成本也比較高；應(yīng)用的普及度及用戶的認(rèn)知度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及IP網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控。
高清攝像機(jī)組成及關(guān)鍵技術(shù)
HD-SDI或IP高清攝像機(jī)一般由如下主要部分組成如下：
1、攝像機(jī)CCD或CMOS成像器件，完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號，輸出電子圖像信號。
2、AFE，模擬前端，用于CCD成像時，將CCD圖像信號數(shù)字化，并產(chǎn)生CCD控制時序。而對于CMOS型成像器件，可直接輸出數(shù)字信號，故不需要AFE模擬前端。
3、CPU為整個高清攝像機(jī)核心器件，其主要完成圖像信號處理(ImageSignalProcessor)和圖像信號編解碼(編解碼為MPEG4、H.264標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)等)。
早期的CPU即DSP(DigitalSignalProcessor)，主要完成圖像信號處理，如：透鏡校正、Gamma校正、邊緣校正、自動曝光、自動聚焦、自動黑白平衡、防抖動等處理及控制。
這其中IP高清攝像機(jī)的CPU還要完成圖像的編碼壓縮，再經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)口輸出，而HD-SDI高清攝像機(jī)不經(jīng)編碼壓縮即以原始數(shù)字信號經(jīng)HDMI或HD-SDI口輸出?？傮w說，CPU除圖像處理和編碼功能外，還要完成高清攝像機(jī)系統(tǒng)控制及計算，充作整個系統(tǒng)的中央處理器。
4、存儲接口：存儲主要是指存儲卡/硬盤等數(shù)據(jù)存儲。
5、信號輸出接口：HDMI為高清數(shù)字多媒體接口，支持5Gpbs以上高速信號傳輸速率，為民用消費電子接口；HD-SDI為高速串行接口，符合SMPTE組織制定的用于影視演播室的數(shù)字音視頻信號傳輸，是專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其早期支持標(biāo)清數(shù)字電視信號的270Mbps速率，已發(fā)展到傳輸1.485Gbps高清數(shù)字電視信號，再發(fā)展到當(dāng)前的2.97Gbps高速信號，用于傳輸RGB24bit以上高清數(shù)字電視信號。
從上述對高清攝像機(jī)系統(tǒng)介紹可知，專業(yè)高清攝像機(jī)涉及到以下主要難點和當(dāng)前業(yè)界先進(jìn)技術(shù)。
1、高分辨率光學(xué)鏡頭集成，高清攝像機(jī)必須搭配高分辨率(高達(dá)真正千萬像素)和廣角的光學(xué)鏡頭，在光學(xué)變焦等方面，均為當(dāng)前技術(shù)最前沿。
2、圖像信號處理，在光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號時，需要進(jìn)行信號處理，以便獲得較高的圖像質(zhì)量，降低各種干擾和雜聲等。以白平衡、自動曝光、自動聚焦、防抖動等為代表的幾個技術(shù)是圖像信號處理技術(shù)的幾個方面。
3、高速電子圖像信號的接收、處理和傳輸，高清攝像機(jī)在光電轉(zhuǎn)換后，所得信號均為高速電子信號，這要求信號接收、處理和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，均需要考慮電磁兼容和隔離措施。
4、高清視頻壓縮，高清攝像機(jī)由于其視頻信號速率高，數(shù)據(jù)量大，必需采用當(dāng)前先進(jìn)的視頻壓縮技術(shù)，如H.264等，才能滿足存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。
高清攝像機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用
高清攝像機(jī)從早期的720P分辨率已逐步發(fā)展到當(dāng)前的全高清階段，即支持1080P制式。高清攝像機(jī)與早期的標(biāo)清攝像機(jī)相比，存在以下明顯區(qū)別和發(fā)展。
1、視頻監(jiān)控標(biāo)清攝像機(jī)輸出模擬信號，而高清攝像機(jī)基本為數(shù)字信號。在標(biāo)清模擬信號數(shù)字化后，存在Interlace現(xiàn)象，一般而言，標(biāo)清的數(shù)字視頻信號其圖像效果，無論主觀還是客觀指標(biāo)，都不如原模擬信號，模擬視頻信號數(shù)字化僅僅解決網(wǎng)絡(luò)傳輸和硬盤存儲等客觀需求。而高清攝像機(jī)信號本質(zhì)上為數(shù)字信號，不存在模擬信號變換為數(shù)字信號的問題。圖像分辨率的大幅提升，帶來技術(shù)上量變到質(zhì)變的飛躍，可大幅提升視頻主客觀效果，圖質(zhì)更加接近自然本色。
2、隨著視頻尺寸向著高清演進(jìn)，對攝像機(jī)CPU(DSP)處理能力的要求大幅提升，并高于圖像像素分辨率提高的比例，這是標(biāo)清無法比擬的。
3、由于高清攝像機(jī)本身輸出數(shù)字化視頻信號，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控攝像機(jī)應(yīng)用模式將發(fā)生重大變化。
標(biāo)清攝像機(jī)必需配合DVS/DVR等，而高清攝像機(jī)可直接完成視頻的編解碼，這樣，高清系統(tǒng)將更加地被簡化和集成。
HD-SDI高清解決方案
要實現(xiàn)真正的高清監(jiān)控，必須從視頻源的采集、視頻信號的處理、視頻信號的傳輸、視頻的顯示瀏覽、錄像文件的回放等環(huán)節(jié)全面支持高清。對用戶而言，高清只有在包含了前端、傳輸、瀏覽、顯示、平臺、存儲等各個環(huán)節(jié)時才有意義。
所以，對高清監(jiān)控而言，僅一個高清攝像機(jī)是不夠的，這對于網(wǎng)絡(luò)高清和HD-SDI高清都是相同的。無論是模擬監(jiān)控或數(shù)字監(jiān)控或網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，都是由前端攝像機(jī)、NVR/DVR/管理平臺設(shè)備、顯示設(shè)備、存儲設(shè)備、傳輸線纜等組成，每一環(huán)節(jié)都是缺一不可的。因此，HD-SDI高清監(jiān)控系統(tǒng)也必須如此，任何一類系統(tǒng)是就系統(tǒng)的整體性能而言，HD-SDI高清監(jiān)控要具備實際的應(yīng)用意義，就必須提供涵蓋前端、傳輸、管理中心以及后端環(huán)節(jié)的完整的解決方案，比如HD-SDI高清攝像機(jī)+HD-SDI光端機(jī)+HD-SDI高清矩陣或HD-SDI監(jiān)視器+HD-SDI高清編碼器+相適應(yīng)的存儲設(shè)備(如IP-SAN)。
HD-SDI高清應(yīng)用考慮
對HD-SDI高清攝像機(jī)及整體系統(tǒng)的應(yīng)用既要參考系統(tǒng)的特性，又要考慮應(yīng)用對象的需求，需二者統(tǒng)籌兼顧。
從前述知道HD-SDI高清攝像機(jī)具有：原模擬系統(tǒng)布線仍可采用、保持不失真原始圖像、高清實時等特點；而應(yīng)用對象又有對高保真和高實時性的要求，所以HD-SDI高清攝像機(jī)及系統(tǒng)應(yīng)該是上述二者的兼有，不是任何時候、任何地方都適用的，所以一般應(yīng)用在：
·有視頻智能分析IVS需要的場合；
·電子卡口系統(tǒng)；
·電子警察系統(tǒng)；
·銀行柜員制系統(tǒng)；
·范圍不是很大的重要的展覽館、博物館等。
由于有較高的分辨率，能帶來更高的視頻分析準(zhǔn)確率，能實現(xiàn)高準(zhǔn)確率的識別(例如：人臉識別、行為識別、車牌識別、流量統(tǒng)計)；又由于高實時性，所以使安保人員能實時掌控現(xiàn)場的狀況；上述的這些場合，大多控制和顯示設(shè)備距攝像機(jī)距離不遠(yuǎn)，或許不需增加傳輸設(shè)備(HD-SDI光端機(jī))，甚至可利用原模擬系統(tǒng)的線纜即可完成系統(tǒng)向高清的升級改造。
HD-SDI設(shè)備安裝注意事項
HD-SDI高清視頻系統(tǒng)對圖像的還原能力很強，這就對使用者、器材和支持的基礎(chǔ)設(shè)施(線纜及接插件)提出了更高的要求。盡管HD-SDI設(shè)備的安裝調(diào)試與常規(guī)模擬標(biāo)清系統(tǒng)沒有太大的區(qū)別，但在一些細(xì)節(jié)上還是要給予特別注意的。
1、槍式防護(hù)罩要考慮護(hù)罩玻璃的選擇，應(yīng)選用高質(zhì)量的光學(xué)玻璃，以避免普通平板玻璃帶來的嚴(yán)重的光損，而影響高清攝像機(jī)的圖像質(zhì)量。
2、安裝環(huán)境的照度，高清攝像機(jī)對安裝環(huán)境的照度要求要比標(biāo)清高得多，其包括照度和范圍二方面，如達(dá)不到應(yīng)該的要求，則圖質(zhì)可能會比標(biāo)清還要差。
3、不推薦選用半球罩，理由如下：因為球罩是曲率半徑很小的球體，高清攝像機(jī)一般會采用孔徑較大的鏡頭，球罩曲率半徑與鏡頭孔徑會嚴(yán)重不匹配(為與小曲率半徑球罩匹配，球機(jī)一般都配小鏡頭)；此外，球罩還通常會厚薄不均勻，甚至還采用較差的聚炳烯材料制作，上述這些因素都會嚴(yán)重影響到圖像質(zhì)量，使圖像會有明顯的變形和光損。
4、連接線纜及接插件接駁雖不顯眼，但很重要。對于720P/1080P高清電視格式，其線纜和跳線系統(tǒng)必須滿足SMPTE259M/424M-2006的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。對于HD-SDI高清系統(tǒng)，阻抗匹配是非常重要的。即使是選用最好的線材，如果配上糟糕的接頭也會使系統(tǒng)性能變得糟糕透頂。為了減少反射和相位誤差，HD-SDI系統(tǒng)的線材和接頭必須擁有更加堅韌的機(jī)械強度和優(yōu)質(zhì)焊接。不幸的是，這些至關(guān)重要的線材、接頭和跳線等的制作技術(shù)和制造工藝往往會被系統(tǒng)設(shè)備炫目的功能所掩蓋，并使用戶對其毫無興趣，而這些工程上易被忽視的“細(xì)節(jié)”，其重要性是不言而喻的，它們和功能強大的軟件和硬件一樣，不可或缺。
結(jié)語
高清視頻應(yīng)用正如火如荼。無論是HD-SDI還是IP高清監(jiān)控，它們都有自己獨有的應(yīng)用領(lǐng)域，相互不能替代，卻是互補的，即適用是硬道理。盡管源自廣播電視的HD-SDI高清數(shù)字監(jiān)控技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)已比較成熟，而IP網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控尚處于成長期，但筆者相信，隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提升，特別是我國各級政府已對網(wǎng)絡(luò)升級改造制訂了計劃，所以說，IP網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控一定會有不可預(yù)測的大長進(jìn)。
那么，高清攝像技術(shù)下一步該怎么走呢？有看到資料，日本NHK正在協(xié)同旗下幾個主要企業(yè)成員進(jìn)行超高清(3840×2160，7680×4320)分辨率圖像的基礎(chǔ)技術(shù)研究和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。一些國際組織比如ITU等也在進(jìn)行超高清技術(shù)研究。在色域方面，當(dāng)前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正從深色(48Bit)逐步走向更深領(lǐng)域，使更加接近人眼分辨自然色極限。