來源:CPS中安網 作者:雷玉堂
影像監控在經歷類比時代、數位時代、網路時代的發展後，現在已經逐步走入了高清與智慧時代。與傳統標清視頻相比，高清在影像品質上有了質的飛躍，但就目前而言，要實現監控系統高清呈現，也並非一蹴而就之易事。
從影像監控系統中類比到數位的轉化中，從CIF到D1是一個重要的階躍，從效果來看數位化影像也可與類比影像相當，即使達到標準清晰度(即“標清”)，其儲存和傳輸的增加幾乎是翻兩番。若要達到高級清晰度 (即“高清”)，其解析度從720P到1080P@30fps或1080P@60fps，則需要付出很大的投入和代價，因此需要特別關注數位視訊編解碼晶片技術的演變和實際應用。
但是，即使前進道路再坎坷，卻阻擋不了晶片廠商在高清編解碼征程上的捷步邁進。當前，除了海思的Hi3520可實現1080P高清編解碼外，TI的TMS320DM6467、富瀚微的FH8735和FH8736以及升邁的GM8180等晶片都已殺進了高清“名人堂”。
目前，市場上主流產品仍然是標清，標清和高清將來仍會長時間共存。Techwell著手從兩方面進行了標清晶片升級：一方面清晰度升級，即將清晰度從D1升級到支持960H格式，如TW2809成功地從D1升級到支持960H，如以前端TV解碼晶片TW2960+TW2809系統方案為例，即給用戶帶來了類比高清的享受；另一方面是集成前端TV解碼器，即將前端的TV解碼器嵌入到現有的編解碼晶片中，如在推出的TW5866在TW5864的基礎上，包含了8路TV解碼器，既增加了系統的穩定性又降低了產品的價格。
而另外一些晶片廠商在平台的繼承性上給予深入重視，並注重全面挖掘原有晶片的潛力。以TI為例，在IP網路攝影機的應用中，其DM365雖說目前已經廣泛普及，但仍改晶片為ARM9整合影像輔助處理器，並集成有ISP的單片系統，可以支援從D1到720P解析度，只是主頻不同，而管腳和軟體完全相容。這樣的相容性，還延續到DM368，它可以支援1080P@30fps。
在此全相容的平台中，還有DMVA1和DMVA2兩個智能攝影機平台，前者支持標清而後者支持高清。未來高清1080P@60fps的平台將延續同樣的體系結構，只是ARM提高到A8，影像輔助處理器升級，ISP性能增強。同時，還有支援1080P解析度的DMVA3智慧攝影機平台推出，並沿用原有的應用軟體。特別需要強調的是，TI的IP網路攝影機解決方案也都支援ONVIF和PSIA協議。
各種技術在高清攝影機的發展中爭奇鬥豔，各顯神通，其中基於數位非壓縮信號的HD-SDI技術，延續了類比攝像機的特色，且可以有機地同IP高清進行結合，也是高清發展的一個方向。在HD-CCTV良好發展前景下，富瀚微率先提供了HD-SDI的板卡方案。
高清的圖像品質至少3倍於D1的圖像解析度，而富瀚FH8735的優良編碼性能為HD-SDI的原始圖像壓縮以及儲存，提供了強有力的保證。並且，PCI/PCI-E匯流排可以根據實際應用來選擇，對於對預覽要求較高的應用，PCI-E的頻寬足以保證高清原始碼流傳輸至HOST端進行後處理。
顯然，高清不僅能使監控場景中的目標看得清，取證準確，重要的是提供了高品質原始圖像的保障，使智慧影像內容分析辨識更加方便而準確。本文介紹影像監控中SoC晶片的發展，HD-SDI晶片方案及選擇，HD-SDI在影像監控中的應用，HD-SDI高清攝影機與高清網路攝影機的比較，HD-SDI晶片的問題及發展方向。
SoC晶片在影像監控中的發展
在安防市場中，作為產業上游產品的音視頻編解碼晶片素有DSP、ASIC與SoC之爭。而近兩年來，隨著微電子技術以及SoC晶片處理技術的不斷發展，借助低成本、低功耗、高集成度可以提供更高的處理能力，和運算速度等顯著優勢，SoC迅速崛起，大有獨霸編解碼晶片市場之勢。
因為SoC晶片的出現兼顧了DSP與ASIC兩家之長，彌補了兩者之短，因此被行業賦予了更大的期待。如SoC具備了ASIC的性能專用特點，具有高性能、低成本、低功耗等特徵，同時也保持了DSP的靈活性，並且解決了DSP晶片成本較高的問題。
除了解碼的相容性和編碼的壓縮品質的基本要求，高速的系統架構、記憶體頻寬、高效率的DMA控制器，甚至多核的平行處理也是檢驗SoC效能是否優秀的關鍵指標。
SoC晶片是具有多處理器核心的單片集成系統，其中集成有CPU主處理器，所集成的核心既可以是ASIC類的硬核，也可以是DSP或輔助處理器類的軟核，甚至也包含其它的專用處理子系統，且集成有豐富的外設。
由於SoC是面向特性應用的片上系統，結合硬體加速等技術可以實現H.264的高複雜度的演算法運算，並可針對影像編碼方面進行優化，以實現最優化效果。影像的數位化應用在安防市場中發展非常迅猛，其中核心的影像處理起著舉足輕重的地位，因而SoC的閃電式“上位”無疑為影像監控帶來新的活力。
目前，很多半導體方案提供商都在走向SoC，其中就不乏像TI、NXP、ADI以及Techwell等眾多歐美老牌實力派廠家，此外，近年來在台灣和中國大陸也迅速添入一批SoC新秀，如海思、中星微、升邁、映佳。而在應用上，SoC也在影像安防監控、視訊會議、高清影像遊戲、遠端機房控制、遠端教育和遠端醫療等應用中得到廣泛認同。
事實上，SoC並不是簡單的一個晶片，而是一個解決方案。TI的LMH0394提供業界最長的，可達到200m高清(或400m標清)，其資料率達3Gbps，並且最低功耗為115mW典型值。SDI視訊訊號的編解碼，需要有強大的處理器來處理，DM81xx平台也可實現這種多路的高清系統。同樣，針對HD-SDI的需求，Techwell也推出基於TW2809的HD-SDI PC DVR廣播級高清產品，它支援720P/1080i/1080P。
中國的海思提供了從Hi3512、Hi3515到Hi3516一套完整的高清解決方案。以Hi3512為例，該方案基於ARM9處理器內核，以及影像硬體加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成，可程式設計，支援H.264和MJPEG等多協定的優點，其中影像處理單元可以支援H.264MainProfile、Baseline、Profile、MJPEG、JPEG等多種協議實施編解碼；支援1.3MPixels@30fps，支援最大300萬像素的JPEG抓拍；影像處理單元還可以支援雙碼流編碼等功能。Hi3512方案豐富的周邊介面，方便滿足設備規格需求，能有效降低整機BOM成本。
又如TI的DM8168的數位視訊H.264編碼能力，已經飆到三通道1080P@60fps高清，且可支援MPEG4、MPEG2、VC1等視訊壓縮格式，還有能力支援SVAC中國自主智慧財產權標準的能力。DM8168還可採用單片實現六通道高清1080P@30fps或720P@60fps編碼、十二通道高清720P@30fps編碼、三十通道D1編碼，支援各種高清或標清數位視訊監控系統的所有編碼要求。
而解碼和編碼也具有相同的能力，這就使之既可以用於開發多通道DVR和DVS，又能開發多通道NVR，且都支援高清應用。此外，DM8168還嵌入強大的主處理器ARMCortexA8，主頻可達1GHz，可以作為產品的核心處理器，運行高速即時操作系統，支援千兆乙太網路、SATA硬碟介面、PCIe高速匯流排界面等。
由於集成了性能強大的影像處理子系統，可以實現反隔行處理和圖像增強和降噪功能，並且支援三個獨立圖形層和線性縮放及三個高清或標清的OSD等功能。又由於集成有3D圖形加速器，產品可支援三維功能表介面，為數位視訊監控產品介面帶來全新改觀。
為了滿足不同網路頻寬和顯示裝置的需求，早先IP監控系統往往採用多碼流同時編碼的方式，這無疑增加了資料輸送量。H.264SVC(Scalable
Video Compress，可擴展影像編碼)提供了一個有效的解決辦法。利用可擴展編碼，編碼器只需要提供一個碼流，人們可以選擇需要的層級(解析度、幀率等)進行傳輸、儲存和解碼，節約頻寬和存放裝置，充分利用原有的非高清顯示器。
顯然，僅有高清還遠遠不夠，高清編解碼晶片需要更高級別的SoC化來增加去隔行、3D降噪、影像增強等影像處理和智慧辨識能力，用以滿足DVR和NVR所需的功能。也就是說，要重點考慮如何提升監控效率——智慧監控。智慧監控演算法提升高清監控效率。
隨著監控攝像頭的增多、金融犯罪手法多樣化，智慧監控勢在必行。智慧要聚焦於業務視覺化管理，未來智慧演算法進一步提升內容分析可靠性，從監控輔助手段升級到支撐業務流程變革。而且將推進更多數位視訊監控中的增值應用，如智慧圖像辨識和即時影像分析，以及車牌辨識、人臉辨識、行為異常辨識等。針對數位視訊監控的智慧化需求，通用可程式設計的高速處理器是最為理想的平台。
TI的DSP已為眾多的開發者所應用，實現嵌入式智慧分析系統。在DM8168平台中已集成了一個C674x核心的DSP，並可以達到主頻1GHz，而全部資源都可以用作包括智慧影像分析的增值性功能。
全面系統整合雲架構模式電子系統發展宗旨之一就是最大限度地簡化電路設計，達到整體產品系統的可靠性、精度、穩定等品質指標。然而，剛登上前台的SoC晶片距離這一目標尚有一段距離。
從硬體方面看，高SoC化需要的多個CPU核的協調處理，大量的DMA操作以及海量的記憶體資料管理，雖然滿足了更多路的編解碼處理性能，但也給編解碼晶片帶來了更高的複雜度和難度，同時穩定性問題無可避免。
從軟體方面看，底層驅動和SDK需要提供更多的介面來滿足上層AP的需要。實際上，一個晶片的成功與否，不但要求晶片硬體的性能穩定，更需要功能強大的驅動和SDK的配套支援。
面向安防市場的發展，系統全面整合集成仍然是未來的發展方向。對晶片而言，所有系統的單片化解決方案將是必由之路，而體系結構也必將為一致性。影像編解碼的實現將採用硬體和軟體結合的方式，這樣才可以滿足各種更新格式視訊壓縮和處理技術的需要。各種顯示、傳輸和交互介面性能和功能都將繼續高度集成和提升。因此，未來的數位視訊監控系統開發的大量工作，將集中在軟體的系統開發。從編解碼晶片看，超多路高清編解碼性能的晶片是未來趨勢，且編解碼晶片中集成前後端模組也是未來發展方向之一。
HD-SDI晶片方案及選擇
HD-SDI的含義
SDI(serial
digital interface)是"數字分量序列介面"，HD-SDI就是高清數字分量序列介面。HD-SDI 晶片攝影機是即時無壓縮的高清廣電級攝像機，是安防監控領域的又一科技進步，因為它能為監控中心提供高清晰的圖像來源。
實際上，畫面清晰、沒有延遲、方便控制和遠端儲存管理，說起來都容易，但高清化之後就變成難題。不論高清影像是否經過壓縮，非網路化的圖像信號能傳得多快多即時，能跑到多遠距離，對安全監控而言是非常嚴酷的考驗。因此，我們說高清的考驗是傳輸，傳輸越遠就越兇險。正如我們熟悉的SDI，其規格概念不來自影像領域，而是指一種傳輸方式，是信號發射與接收端(Tx和Rx)的技術。
HD-SDI晶片的發送與接收端方案
SDI的功能由不同單元組成，在安防R&D圈中看到的SDI晶片方案，甚至包括FPGA，早在2007年就多已成型。在當時美國的傳播媒體展(NAB2007)中，晶片廠針對3G-SDI(第三代序列數位介面)各自推出不少解決方案。這些公司包括Gennum(現已併入Semtech)，National Semiconductor(NS，現併入德州儀器)、Altera與Xilinx等。其中，Gennum日後發展出GV7600/GV7601晶片在安防之所以有名，除了是HDcctv的推動主力，另一方面也是率先將Tx和Rx等離散型的晶片架構整合為一的緣故。
例如其發射端(Tx)的晶片就是串列器(Serializers)加上電纜驅動器(CableDrivers)，而接收端(Rx)晶片即為解串列器(Deserializers)加上電纜等化器(Equalizers)，可精簡攝影機和DVR的設計。
目前，HD-SDI在發送端主要應用於攝影機等前端採集設備，攝影機的CCD或CMOS圖像感測器採集信號後，未經壓縮的高清視訊訊號傳輸方式有類比和數位兩種。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DVI、HDMI 或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，中間加中繼放大器，最遠也只有幾十米左右，不適合用於監控圖像的遠端傳輸，通常被應用在演播控制室內設備間的連接和信號傳輸。
而HD-SDI信號可以傳輸百米左右，並可採用CVBS同軸電纜傳輸，介面為常用的BNC，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。現在，已有不少安防廠家推出了自己的SDI介面高清攝影機，可以實現 1080P25高清顯示。HD-SDI發送端實現框圖，如圖1所示。
HD-SDI晶片的類型
在安防運用上，要實現這種傳輸架構，除了同軸纜線(包括接收端設備內)和BNC接頭，它主要是靠幾個晶片共同組成。以TI(NS)推出的晶片種類表示，包括電纜等化器(Equalizers)、電纜驅動器(Cable Drivers)、時脈重整器(Reclocker)、串列器(Serializers)、解串列器(Deserializers)、影像時序控制器(VideoTiming)和其他特殊控制功能的IC等。這就表示在HD安防的SDI晶片陣營中，就可粗分為如Semtech(Gennum)的整合型；和TI(NS)的離散式等兩種典型。其餘還有EqcoLogic和Mindspeed等公司推出的分離型元件。
至於SDI晶片的另一種區分法，尤其在安防中會比較明顯的，就是單路和多路的差別，主要是指高速解串列器(Deserializers)方面，是否有4路整合的情況。目前，所知能夠有4路的方案，如Lattice、Altera和Xilinx，大多由FPGA擔綱;即使有如韓國Silicon Gear公司開出整合HD等級MUX與4路解串列器單顆晶片，其實裡面仍為FPGA本質。
至於真正能有ASIC是4路合1，或許等市場更穩定成熟，就會有些安防老牌晶片廠推出產品。特別值得指出的是，等化器(Equalizers)則不適宜作多路整合，因為它牽涉到過於密集的電路佈線與干擾等問題。
此外，SDI包括Cable Driver和Equalizer等元件，都含有混合信號技術，在併入德州儀器(TI)以前，NS就是知名的類比晶片供應廠。而眾所周知，原本TI在數位方案，包括DSP/SoC等許多方面，對於安防IP攝影機和DVR/NVR設備主控晶片端，就已具備強大的支援力道，在安防業界起指標性作用。合併NS除了讓TI的整體類比晶片實力壯大，事實上對HD安防的設計方案更別具意義。
細究SDI技術領域，各種透過IC半導體來實現HD傳輸的方式，顯然已呈現多元的樣貌;當然也有很多人討論到這樣的高畫質信號，或許可採用HDMI或是DVI的通道，如單以HD-SDI來定義這種不壓縮的高畫質方案不恰當。基於信號格式傳輸及方便施工與替代性，以BNC這樣的SDI連接器，對監控應用最有利，相對也就被大量採用，並成為HDcctv聯盟極力推動的一種標準格式。
HD-SDI晶片方案及選擇
HD-SDI晶片更好的畫質，更低甚至可以忽略不計的延時，與原有類比系統良好的相容性等，引起了多家晶片廠商的注意，安霸、TI、海思等廠家都加入了HD-SDI晶片市場的角逐，Gennum不再是一枝獨秀，從而促使HD-SDI晶片方案在結構及成本上出現差異化競爭。
ISP方案的推出，也讓SDI攝影機廠商在組件上的選擇更多，從而更好地體現了差異化。在此強調的是，我們對晶片的觀察也不能停留在單一晶片上，而是整體的晶片方案，需要觀察元件的搭配，以SDI攝影機來看，晶片、感測器及ISP(DSP)共同影響著其產品形式和成本。目前，市場上主要有以下4種HD-SDI晶片方案。
CMOS圖像感測器+ISP+Encoder 方案
第一種方案採用專用的ISP處理晶片和編碼處理，該方案較靈活，採用專用的ISP晶片穩定性好，能夠保證圖像的品質，但非VLDS真實高清@60fps;
CMOS圖像感測器+(ISP+CODEC) 方案
第二種方案採用集成ISP的編碼晶片，該方案靈活性次於第一種方案，且集成的ISP處理晶片穩定性雖高，但圖像品質一般、成本較高;
CMOS圖像感測器+FPGA方案
第三種方案採用FPGA等晶片實現信號處理及編碼功能，該方案靈活性最強，但是穩定性差、成本最高、圖像品質難於保證;
CMOS圖像感測器+ISP+SDITx方案
第四種方案採用專用的ISP處理晶片和SDI發射晶片，該方案較靈活，採用專用的ISP晶片穩定性好，能夠保證圖像的品質，可提供高清@60fps。
由此可見，各種搭配都有優劣，更為優秀的畫質是HD-SDI的重要亮點，從其晶片方案上也可以看到，HD-SDI中的ISP多由獨立的晶片進行處理，而非集成到轉碼器CODEC上。
※明天(下)篇繼續刊出
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