cookieOptions = {...}; ‧ HD-SDI 為高清監控帶來一股力量 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

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2012年2月27日 星期一

來源:中關村線上

近兩年,高清可以說是監控行業最熱門話題,業界各大主流廠商都紛紛推出自己的高清產品,尤其是高清網路攝影機更是款型豐富,週邊配套設備比較齊全,湧現出各種IP高清系統解決方案,並成為目前高清視頻監控應用方案的主流,本文將為大家介紹給力的高清視頻監控技術HD-SDI

  視頻監控系統中圖像清晰度是最被關注的,衡量圖像清晰度的標準是解析度,解析度值越大,圖像就越清晰。現在視頻圖像解析度最高已可達1080P,也就是人們通常說的高清。其實要做到畫面高清,不僅僅是解析度達到720P1080P就行了,還必須在超寬動態、自動白平衡、圖像銳利度調整、超級數位降噪(信噪比)、智慧數位自動測光補償、亮度信號、彩色信號邊緣補正、損壞畫素自動調整與恢復、色彩調整等指標上都要有上好的表現,只有達到這些綜合性的要求才能真正地實現高清。由於圖像清晰度對視頻監控產業有著非同一般的重要性,因此,高清監控技術一經面世就被市場廣泛接受並開始實際應用。

  攝影機是將光學圖像轉換為電學圖像,通過顯示裝置還原光學圖像的設備。攝影機的社會需求源自人類對自然的視覺需求,是人類感知物質世界的重要工具。儘管視頻監控是作為一個系統來衡量整體性能的,但無疑,攝影機是最重要的組成部分,並彙聚眾多的核心技術。

  近兩年,高清可以說是監控行業最熱門話題,業界各大主流廠商都紛紛推出自己的高清產品,尤其是高清網路攝影機更是款型豐富,週邊配套設備比較齊全,湧現出各種IP高清系統解決方案,並成為目前高清視頻監控應用方案的主流。不可否認,由於IP高清監控方案的實際應用,極大地提高了視頻資料承載和應用能力,使視頻圖像解析度大幅提升,並具有高度的易擴展性和集中管理等優勢。近幾年安防行業各類展會中,IP高清監控方案真可謂飽受讚譽。

  然而,儘管IP網路高清監控具有種種優勢,但也由於各種原因,對IP網路監控,特別對網路高清監控系統整體而言,也明顯地暴露出其罩門:由於網路傳輸延遲帶來的非即時性,又由於有損編碼壓縮使顯示和記錄的圖像失去原汁原味,從而影響了其應用效果。所以說,事物都有其正反二面,IP網路監控也不例外。

  在人類感知物質世界的過程中,對高清的追求一直沒有停止腳步,與IP網路高清監控相呼應的HD-SDI數位高清監控就是最為重要的應用實例。

HD-SDI高清及標準
  攝影機的CCDCMOS感測器採集信號後,未經壓縮的高清視訊訊號及傳輸,有類比和數位兩種。類比傳輸一般採用YPbPr分量傳輸,一路高清視訊訊號,需要三根同軸線纜同時傳輸。數位傳輸一般採用DVIHDMI或者HD-SDI傳輸,其中DVIHDMI的傳輸距離只有幾米,不適合用於監控圖像的遠端傳輸,行業內通常被應用在廣播控制室內設備間的連接,和信號傳輸。而HD-SDI信號雖然可以傳輸百米左右,並可採用CVBS同軸電纜傳輸,所以通常被應用在現場採集設備,與百米內的控制設備間的信號傳輸連接。

  高清定義源自於數位高清電視HDTV,是由美國電影電視工程師協會SMPTE確定的高清晰度電視標準,即支援1080i(1920×1080,隔行)720P(1280×720,逐行)1080P(1920×1080,逐行)三種高清電視標準;再次,還特別要求是169顯示模式和全幀速。

  目前,在安防行業傳統監控系統,標清數位編碼一般可達到4CIFD1的解析度,約為40萬像素,清晰度在300500電視線之間;高清攝影機如果要達到800電視線清晰度,那麼攝影機的解析度至少要達到720P(1280×720)的標準,約90多萬像素;若採用200萬像素,就能達到1080P(1920×1080,逐行)高清圖像的要求。

  現在,安防行業通常採用廣播電視領域的高清劃分標準,來區分“高清”和“標清”。由於採用廣電標準:即能達到百萬像素的攝影機,配套以1080P解析度的顯示裝置,及相應的傳輸通道,就可以形成一套可稱之為高清的監控系統,但安防視頻監控行業本身至今還沒有通用的高清標準。例如,2006年發佈的國標《視頻安防監控數位錄影設備國家標準GB20815-2006》,僅對DVR的等級劃分為A(解析度不小於4CIF704×576)B(解析度CIF352×288)兩種。

HD-SDI監控技術優勢
  相較於IP網路高清監控系統,很明顯,HD-SDI監控有如下優勢。
1
、 原類比系統佈線仍可採用,系統組成和設備管理方式不變,從老的類比系統升級,只需

    更換相應的硬體設備,幾乎無需操作訓練,就能實現從標清類比監控升級到高清監控。

2
、不失真原始圖像,不像IP監控是經壓縮和打包後經網路傳輸的,而HD-SDI監控以未壓縮
   數位信號在同軸電纜上高速傳輸,不失真。

3
、高清即時,不受傳輸網路影響,不會有IP網路監控產生的圖像延遲問題,在有即時監控
   要求的場合,該性能要求就顯得特別重要。

4
、提供更多細節,保持圖像的完整性和原始性,大大提高了智慧分析演算法的精度,為智
   慧視頻分析IVS提供了保障。

5
、單位面積攝影機布點密度大幅下降,提高了採集設備的利用效能。

  客觀地講,基於IP監控和基於HD-SDI監控各有優勢,從目前安防需求看,HD-SDI監控是令人振奮的。但是,HD-SDI監控本身也還有技術問題需解決。比如,需要解決HD-SDI的長距離(長於100米的)傳輸問題;配套設備欠成熟、廠商較少,廠商和配套設備的選擇面較小,成本也比較高;應用的普及度及用戶的認知度還遠遠不及IP網路高清監控。

高清攝影機組成及關鍵技術
  HD-SDIIP高清攝影機一般由如下主要部分組成如下:
  1、攝影機CCDCMOS成像器件,完成光學圖像轉換為電學信號,輸出電子圖像信號。

   
 2AFE,類比前端,用於CCD成像時,將CCD圖像信號數位化,並產生CCD控制時序。而
       對於CMOS型成像器件,可直接輸出數位信號,故不需要AFE類比前端。

  3CPU為整個高清攝影機核心器件,其主要完成圖像信號處理(Image Signal 
       Processor)和圖像信號編解碼(編解碼為MPEG4H.264標準圖像資料等)

  早期的CPUDSP(Digital Signal Processor),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高清攝影機的CPU還要完成圖像的編碼壓縮,再經IP網路口輸出,而HD-SDI高清攝影機不經編碼壓縮,即以原始數位信號經HDMIHD-SDI口輸出。總體說,CPU除影像處理和編碼功能外,還要完成高清攝影機系統控制及計算,充作整個系統的中央處理器。

  4、儲存介面:儲存主要是指儲存卡/硬碟等資料儲存。

  5、信號輸出介面:HDMI為高清數位多媒體介面,支援5Gpbs以上高速信號傳輸速率,為民用消費電子介面;HD-SDI為高速序列介面,符合SMPTE組織制定的,用於影視廣播室的數字音視訊訊號傳輸,是專業標準。其早期支援標清數位電視信號的270Mbps速率,已發展到傳輸1.485Gbps高清數位電視信號,再發展到當前的2.97Gbps高速信號,用於傳輸RGB24bit以上高清數位電視信號。

  從上述對高清攝影機系統介紹可知,專業高清攝影機涉及到以下主要難點和當前業界先進技術。
  1、高解析度光學鏡頭集成,高清攝影機必須搭配高解析度(高達真正千萬像素)和廣角

       的光學鏡頭,在光學變焦等方面,均為當前技術最前沿。

  2、圖像信號處理,在光學信號轉換為電學信號時,需要進行信號處理,以便獲得較高
       的圖像品質,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
       為代表的幾個技術是圖像信號處理技術的幾個方面。

  3、高速電子圖像信號的接收、處理和傳輸,高清攝影機在光電轉換後,所得信號均為
       高速電子信號,這要求信號接收、處理和傳輸等環節,均需要考慮電磁相容和隔離
       措施。

  4、高清視訊壓縮,高清攝影機由於其視訊訊號速率高,資料量大,必需採用當前先進
       的視訊壓縮技術,如H.264等,才能滿足儲存和網路傳輸需求。

高清攝影機技術發展與應用
  高清攝影機從早期的720P解析度已逐步發展到當前的全高清階段,即支持1080P制式。高清攝影機與早期的標清攝影機相比,存在以下明顯區別和發展。

  1、視頻監控標清攝影機輸出類比信號,而高清攝影機基本為數位信號。在標清類比信號數位化後,存在Interlace現象,一般而言,標清的數位視訊信號其圖像效果,無論主觀還是客觀指標,都不如原類比信號,類比視訊訊號數位化,僅僅解決網路傳輸和硬碟儲存等客觀需求。而高清攝影機信號本質上為數位信號,不存在類比信號變換為數位信號的問題。圖像解析度的大幅提升,帶來技術上量變到質變的飛躍,可大幅提升視頻主客觀效果,圖質更加接近自然本色。

  2、隨著視頻尺寸向著高清演進,對攝影機CPU(DSP)處理能力的要求大幅提升,並高於
       圖像畫素解析度提高的比例,這是標清無法比擬的。

  3、由於高清攝影機本身輸出數位化視訊訊號,傳統的視頻監控攝影機應用模式將發生
       重大變化。

  標清攝影機必需配合DVS/DVR等,而高清攝影機可直接完成視頻的編解碼,這樣,高清系統將更加地被簡化和集成。

HD-SDI高清解決方案
  要實現真正的高清監控,必須從視頻源的採集、視訊訊號的處理、視訊訊號的傳輸、視頻的顯示流覽、錄影檔的重播等環節全面支持高清。對用戶而言,高清只有在包含了前端、傳輸、流覽、顯示、平臺、儲存等各個環節時才有意義。

  所以,對高清監控而言,僅一個高清攝影機是不夠的,這對於網路高清和HD-SDI高清都是相同的。無論是類比監控或數位監控或網路監控,都是由前端攝影機、NVR/DVR/管理平臺設備、顯示裝置、存放裝置、傳輸線纜等組成,每一環節都是缺一不可的。

  因此,HD-SDI高清監控系統也必須如此,任何一類系統是就系統的整體性能而言,HD-SDI高清監控要具備實際的應用意義,就必須提供涵蓋前端、傳輸、管理中心以及後端環節的完整的解決方案,比如HD-SDI高清攝影機+HD-SDI光端機+HD-SDI高清矩陣或HD-SDI監視器+HD-SDI高清編碼器+相適應的存放裝置(IP-SAN)

  HD-SDI高清應用考慮對HD-SDI高清攝影機及整體系統的應用既要參考系統的特性,又要考慮應用物件的需求,需二者統籌兼顧。

  從前述知道HD-SDI高清攝影機具有:原類比系統佈線仍可採用、保持不失真原始圖像、高清即時等特點;而應用物件又有對高保真和高即時性的要求,所以HD-SDI高清攝影機及系統應該是上述二者的兼有,不是任何時候、任何地方都適用的,所以一般應用在:
  ·有視頻智慧分析IVS需要的場合;
  ·電子卡口系統;
  ·電子員警系統;
  ·銀行櫃員制系統;
  ·範圍不是很大的重要的展覽館、博物館等。



  由於有較高的解析度,能帶來更高的視頻分析準確率,能實現高準確率的識別(例如:人臉識別、行為識別、車牌識別、流量統計);又由於高即時性,所以使安保人員能即時掌控現場的狀況;上述的這些場合,大多控制和顯示裝置距攝影機距離不遠,或許不需增加傳輸設備(HD-SDI光端機),甚至可利用原類比系統的線纜即可完成系統向高清的升級改造。

HD-SDI設備安裝注意事項
  HD-SDI高清視頻系統對圖像的還原能力很強,這就對使用者、器材和支持的基礎設施(線纜及接外掛程式)提出了更高的要求。儘管HD-SDI設備的安裝調試,與常規類比標清系統沒有太大的區別,但在一些細節上還是要給予特別注意的。
  1、槍式防護罩要考慮護罩玻璃的選擇,應選用高品質的光學玻璃,以避免普通平板玻
       璃帶來的嚴重的光損,而影響高清攝影機的圖像品質。

  2、安裝環境的照度,高清攝影機對安裝環境的照度要求要比標清高得多,其包括照度
       和範圍二方面,如達不到應該的要求,則圖質可能會比標清還要差。

  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,高清攝影機一般
會採用孔徑較大的鏡頭,球罩曲率半徑與鏡頭孔徑會嚴重不匹配(為與小曲率半徑球
罩匹配,球機一般都配小鏡);此外,球罩還通常會厚薄不均勻,甚至還採用較差
的聚炳烯材料製作,上述這些因素都會嚴重影響到圖像品質,使圖像會有明顯的變形
和光損。

  4、連接線纜及接外掛程式接駁雖不顯眼,但很重要。對於720P/1080P高清電視格式,
       其線纜和跳線系統必須滿足SMPTE 259M/424M-2006的相關技術細節。對於HD-SDI
       清系統,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性能變得糟糕透頂。為了減少反射和相位誤差,HD-SDI系統的線材和接頭必須擁有更加堅韌的機械強度和優質焊接。不幸的是,這些至關重要的線材、接頭和跳線等的製作技術和製造工藝往往會被系統設備炫目的功能所掩蓋,並使用戶對其毫無興趣,而這些工程上易被忽視的“細節”,其重要性是不言而喻的,它們和功能強大的軟體和硬體一樣,不可或缺。

  高清視頻應用正如火如荼。無論是HD-SDI還是IP高清監控,它們都有自己獨有的應用領域,相互不能替代,卻是互補的,即適用是硬道理。儘管源自廣播電視的HD-SDI高清數位監控技術與標準已比較成熟,而IP網路高清監控尚處於成長期,隨著網路環境提升,特別是政府已對網路升級改造制訂了計畫,所以說,IP網路高清監控一定會有不可預測的大長進。

  那麼,高清攝影技術下一步該怎麼走呢?有看到資料,日本NHK正在協同旗下幾個主要企業成員進行超高清(3840×21607680×4320)解析度圖像的基礎技術研究,和相關技術標準的制定。一些國際組織比如ITU等也在進行超高清技術研究。在色域方面,當前的技術標準正從深色(48Bit)逐步走向更深領域,使更加接近人眼分辨自然色極限。

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