來源:CPS中安網 作者:雷玉堂
眾所周知，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化與智慧化時代。而“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認更加方便而準確。
本文分上下兩部分，上期主要介紹視頻監控中SoC晶片的發展、HD-SDI晶片方案及選擇，本期主要介紹HD-SDI在視頻監控中的應用、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。
HD-SDI在影像監控中的應用
光纖HD-SDI監控攝影機
眾所周知，遠距離的影像傳輸，一般採用光纖傳輸。攝影機的工程應用，除了考慮產品的穩定性，還需要考慮工程佈線的簡單、方便。而工程中應用到HD-SDI攝影機的遠距離傳輸，往往會採用HD-SDI攝影機加HD-SDI光纖傳輸器的方式，但這種方式會略顯臃腫。
在惡劣的工程施工現場，減少設備間的連接，將有助於大大簡化工程施工的複雜性，其故障點也將大大降低。因此，將這兩個設備合併在一起成為一個可靠穩定的產品將會解決這一系列的問題。
一般，HD-SDI攝影機由下面幾部分構成：
①圖像感測器
用於對監視場景光線的感知，即把光信號圖像轉換成電信號圖像。
②圖像信號處理
對原始的電信號圖像進行處理，轉換成標準的影像格式輸出，如BT1120等。
③SDI編碼
通過編碼晶片對標準視頻進行SDI編碼，從BNC輸出高清SDI信號。SDI編碼可通過FPGA來實現，也可以通過一些專門的編碼晶片實現。前者較為靈活，但是演算法不容易做好。後者相對會簡單而且很穩定。
由於一般的HD-SDI攝影機傳輸距離短，作影像監控應用時，最好通過光纖傳輸而構成光纖HD-SDI監控攝影機。要構成光纖HD-SDI攝影機，其前兩個部分和一般HD-SDI攝影機是一樣的，不同的地方是後端的傳輸部分。光纖HD-SDI攝影機除了通過BNC頭輸出HD-SDI信號，還需要通過光傳輸模組，把HD-SDI信號轉換成光信號通過光纖發送出去。
以1080P光纖HD-SDI攝影機為例，其光感測器採用Sony最新的1/2.8英寸300萬像素CMOS圖像感測器，之後再配合Sony的CXD4191GG處理晶片，對視訊訊號進行處理後，轉換成BT1120格式的YUV信號。至此已經完成了圖像信號的採集及處理。
SDI編碼採用Gennum公司的SDI專用編碼晶片GV7600。該GV7600晶片功能很強大，支援相當多的格式，包括720P、1080I、1080P等高清影像格式，並且也支援音訊嵌入。它將咪頭或拾音器的聲音採樣，通過放大、濾波和ADC等處理，然後再與高清視訊訊號一起，被編碼成SDI信號輸出。
GV7600有兩路相互反相的SDI輸出，其中一路把輸入的BT1120格式的YUV，編碼成SDI信號通過BNC頭輸出。另一路則輸入到光傳輸模組中，等待信號還原後通過光纖輸出。光傳輸模組中的FPGA對GV7600的SDI信號進行還原處理，處理後的信號通過光發射器發送出去。配置不同的光發射器，根據其發射功率不同，光纖的傳輸距離可以為20km甚至更遠。
該高清影像光信號通過光纖傳輸，在接收端用HD-SDI的光纖傳輸器，就可以把高清視訊訊號還原出圖像，以完成高清視訊訊號的收發。
這種光纖HD-SDI監控攝影機，還具有功能表功能，可以通過尾板的功能表按鍵，很方便地打開功能表配置參數。此外，也可以利用其RS485介面，通過PELCO-D、PELCO-P協定，進行功能表按鍵相同的操作。
由於光纖HD-SDI攝影機既有BNC介面的SDI信號輸出，又有光纖介面的SDI信號輸出，且光傳輸模組的安裝是可選的，因此在用到HD-SDI攝影機的場合，都可以用該光纖HD-SDI攝影機。對於需要遠距離光纖傳輸的需求，同樣也可以滿足，從而省去了需要加裝額外的HD-SDI光端發射器的麻煩，並直接解決視訊訊號防雷問題，提高了設備的穩定性。同時，由於其體積小巧，也適合應用於不同的環境。
HD-SDI在視頻監控中的應用
安防影像監控系統向高清監控發展已是必然趨勢，將高清攝影機輸出的非壓縮視訊訊號，通過HD-SDI介面直接向中心設備傳輸，顯然也是優先考慮的傳輸方案之一，因為公認的圖像品質最優的廣播電視演播室用高清攝影機，即採用了HD-SDI傳輸。2008年北京奧運會期間，所有場館的高清電視轉播也都採用了HD-SDI高清影像傳輸方式。
一般大型電視臺的大型電視演播室在進行綜藝節目的製作時，至多也就用到十幾台電視攝影機，然而一個社區甚至一個小超市的安防監控系統，所用的監控攝影機就很可能超過十幾台，更不用說攝影機數以十萬計的龐大的平安城市監控系統了。
因此，將眾多的監控視訊訊號向中心傳輸時，如果採用HD-SDI傳輸，則每一路影像就需要一根同軸電纜(借助HD-SDI光纖收發器，通過光纜傳輸HD-SDI信號，可相對較好地解決高資料率HD-SDI信號的長距離傳輸問題)，因為HD-SDI傳輸屬於點到點的傳輸，這使得人們很容易想起，傳統監控系統在中心控制室機櫃下面，那些連接前端類比攝影機的成束成捆的同軸電纜了。
另外顯而易見的是，每一路HD-SDI高清影像資料，對儲存系統的要求也將是無比巨大的。如此說來，HD-SDI在當今安防影像監控系統中的應用，不會是大範圍的，相對現有系統來說，更不可能是顛覆性的，而應是對現有監控系統在某一特定需求方面的補充。例如，上海世博園電視監控系統，即是將前端攝影機的SDI輸出信號，就近傳輸到攝影機附近的數位視訊伺服器，再以壓縮影像的方式通過網路來傳輸。
由上可見，點對點的傳輸方式以及超大、超寬的影像資料率，在一定程度上限制了HD-SDI技術在安防監控系統中的實際應用，至少現階段是這樣的。
當然，相對於目前已成氣候的基於網路的IP影像監控系統來說，HD-SDI的優點也是明顯的，那就是其高品質的即時傳輸與顯示特性，因為HD-SDI信號為非壓縮、無損、低延遲，可以在顯示時充分地還原高清圖像細節，這對於車牌辨識、人臉辨識等智慧影像分析應用來說，無疑是很有意義的。
也正是因為如此，在部分對圖像品質及即時性要求較高的監控項目中，採用了HD-SDI傳輸技術。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光纖傳輸器 + 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(如IP-SAN)。
TI 的HD-SDI傳輸應用方案
一個典型的SDI 輸入、輸出和處理的應用框圖，如圖5所示。
TI能夠提供相應的全套SDI傳輸方案，它們分別是等化器、線纜驅動器、重計時器、交叉開關矩陣、影像時鐘、顯示驅動、儲存驅動和電源等。這裡著重介紹一下實際的HD-SDI晶片對電源的要求。
SDI對眼圖、抖動、雜訊等有嚴格的要求，低雜訊低紋波的電源設計方案對SDI 信號鏈路非常重要。一個典型的線纜驅動器的應用原理圖，如圖6所示。
由圖可以看出，電源Vcc是通過一個75 歐姆的電阻與輸出端直接相連的，因此電源上任何的雜訊和紋波都會直接耦合到輸出信號端。SMPTE
規範了輸出電壓幅度典型值是800mV， 一個3G SDI經過200m的電纜傳輸後，最多可以被衰減50dB，而低頻的電源雜訊和紋波在經過長電纜以後幾乎沒有衰減，這意味著SDI信號幅度在經過電纜傳輸以後，可以低至幾mV，這與電源雜訊和紋波已非常接近，此時電源將大大惡化SDI的信噪比。因此，電源雜訊和紋波必須很低，最好採用低雜訊的LDO(如TI 的LP3878)給所有SDI 器件供電，而不是直接採用DC/DC。
HD-SDI高清攝影機與網路高清攝影機的比較
HD-SDI攝影機的特點
HD-SDI高清攝影機使用高等級同軸電纜，無中繼傳輸的距離可達到100m左右，這在眾多視頻非壓縮標準中是最遠的，為現場使用帶來了一定的便利。具體基於HD-SDI高清攝影機的影像監控系統，有下列幾個特點或優勢：
① 設計施工方便
HD-SDI高清攝影機在佈線方案上可以沿用老的類比系統的成果，無需重新佈線(100m之內)，其設備管理也可以沿用老的類比系統的架構，從老的系統升級，只需要更換硬體設備(攝影機，DVR等)，就可以直接升級到百萬高清。並且，也無需再經過系統變化所需要的新的知識培訓等。總之，新構建的系統結構幾乎完全類似於原傳統類比系統，為工程商設計施工提供了很大的便利。
但值得指出的是，其線纜最好是使用高品質同軸電纜，接頭使用高品質BNC接頭，且原類比系統中幾乎所有設備都要同步更新為相應的SDI類設備，比如SDI前端、SDI光纖傳輸器、SDI影像分配器、SDI矩陣、SDI-DVR等。
② 穩定可靠、不失真
HD-SDI高清攝影機系統不像IP系統那樣，影像資料是壓縮後以封包方式在網路上傳輸，HD-SDI影像以未經壓縮的信號在同軸電纜上傳輸，因而穩定可靠，不會失真。
③高清即時圖像
HD-SDI高清攝影機在影像產生和傳輸過程中沒經過壓縮和封包化，以及解碼的過程，因而不產生IP高清圖像的延遲，在講究即時監控的場合不受傳輸網路影響，而特別合適。尤其用於賭場、道路交通等即時監控的場合，就顯得特別重要。
④一根同軸電纜傳輸多種信號
HD-SDI高清攝影機可在同軸電纜上做多工傳輸。同軸電纜上不但可以傳輸影像，還可以傳輸音訊，這樣類比系統中的影像矩陣和音訊矩陣就可以合二為一，同時SDI標準還支援在同軸電纜上傳輸控制信號，未來PTZ的控制信號也可以通過同軸電纜傳輸，無需敷設控制線纜，電源也極有可能通過同軸電纜傳輸。如此真正實現一根同軸電纜傳輸多種信號，也節省了佈線成本。
⑤可提供智慧監控所需的最佳高清圖像
HD-SDI高清攝影機所提供的是未經壓縮過的高清圖像，保持了圖像的完整性和原始性，即為智慧影像分析提供所需的優質視訊訊號，大大提高了智慧影像分析的準確性，提供更多細節，從而大大提高了智慧分析演算法的精度，為智慧影像分析IVS提供了保障。
⑥具備的信號安全性和系統開放性擴展潛力
HD-SDI高清攝影機系統和類比影像監控系統類似，因而它具備和類比影像監控系統類似的信號安全性和系統開放性擴展潛力。
⑦提高了採集設備的利用效能
HD-SDI高清攝影機的監控覆蓋面更寬廣，圖像解析度更高，信息量更豐富。因而可使單位面積攝影機布點密度大幅下降，從而提高了採集設備的利用效能。
HD-SDI高清攝影機與IP高清攝影機的比較
首先我們來看HD-SDI晶片高清攝影機與網路高清攝影機有什麼區別，其具體的典型的參數比較如表1所示。
由表1可看出，主要有下列幾點不同：
①HD-SDI高清攝影機的數位信號是未經壓縮的格式在影像線上傳輸，而不像網路高清攝影機傳輸的是視訊壓縮後的信號，所以它不像網路傳輸容易掉張/破張，其可靠度較高一些;
②HD-SDI高清攝影機的圖像延遲僅40ms，不像網路高清攝影機那樣延遲大到200～300ms，因而它是即時監控(Live)較好的方案;
③HD-SDI高清攝影機的影像輸出物理介面同類比系統一樣，都是BNC，而IP網路高清攝影機是RJ45;
④HD-SDI高清攝影機的信噪比為58dB以上，一般均比網路高清攝影機的高;
⑤HD-SDI高清攝影機系統由類比升級到高清的總成本較低，使用已有的影像線從D1升級到HD，只要更換前後端設備，不需重新佈線。由於其安裝設定與操作和原CCTV系統無異,因而也沒有學習上的額外成本等。
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監控效果令人振奮。但是，HD-SDI監控本身也還有技術問題需解決。如需要解決HD-SDI的長距離(長於100m)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網路高清監控等。
HD-SDI晶片的問題及發展方向
HD-SDI存在的問題
① 長距離傳輸的問題
HD-SDI攝影機的高清影像，採用同軸電纜傳輸僅有100m左右的距離，這遠遠不能滿足影像監控系統的要末。雖然，HDcctv高清聯盟設置的最新標準是2.4 版本，即300m的傳輸距離，如果高於300m的傳輸距離，就需要增加光纖收發器來達到傳輸效果。這樣，就需要考慮產品的相容性和一些匹配的配件，從而也會使遠距離的傳輸成本增高不少。
② HD-SDI系統設備價格昂貴的問題
前端的HD-SDI攝影機作為系統的圖像傳感設備，要將轉換成數位化的視訊訊號傳遞給監視器，一般短距離採用同軸電纜傳輸，但是這個電纜一定要是高等級的同軸電纜，BNC接頭也一樣要用高等級的。中遠距離就要採用中繼器，更遠就要採用HD-SDI光纖傳輸器了，顯然這種數位的光纖傳輸器價格很高。
高清HD-SDI的儲存每小時高達3.5GBytes碼流，720P最小要4M的儲存空間，即時的1080P則需要8M的儲存空間，這都需要配備高清的HD-SDI存放裝置。如果不經壓縮直接儲存的話，其硬碟的消耗將非常大，如果壓縮的話，還要添加昂貴的編碼器，這樣整個系統的造價將會很高，顯然比網路高清監控系統高得多。
而要使HD-SDI高清數字監控具備實際的應用意義，就須提供涵蓋前端、傳輸、中心管理、後端顯示與儲存的一整套解決方案，如HD-SDI高清攝影機+HD-SDI光纖傳輸器+HD-SDI高清矩陣+HD-SDI監視器+HD=SDI高清編碼器+存放裝置(IP-SAN)，這樣的設備配置成本是非常之高的。
再者，HD-SDI監控核心的硬體廠家少，晶片成本高，也使得整個系統的設備造價變得昂貴。因此，也需要各大安防廠商加快HD-SDI系列攝影機、光纖傳輸器、矩陣、硬碟錄影機等產品的開發，以形成產業化發展。
③傳輸方式不夠豐富的問題
目前，HD-SDI在監控上只能使用同軸電纜，光纖傳輸器，光纖傳輸，只有電視臺才會用到數位微波發射來傳輸，而這樣就要建一個很高的發射塔，這在監控系統裡面是不可能應用的。而IP網路高清監控系統既可以用雙絞線，也可以用光纖，還可以使用無線傳輸，甚至3G都可以在無線監控裡面應用。而且，組網方便靈活，可根據不同的建築區域，不同地形，不同的規模設計出最優化的網路架構。
③ 前端防雷不好解決的問題
SDI來自廣電領域，主要用於室內環境，並沒有大規模用於外場的先例，相關標準的制定也沒有考慮工業環境下的應用，相關的防雷技術之前也未儲備。由於SDI電纜傳輸的是高頻數位信號，防雷器的原理和設計與類比視頻完全不同，目前應該說還沒有什麼好的解決方案。
針對此問題，只能考慮用光纖解決，安裝在外場的攝影機就近接入SDI光纖傳輸器，甚至更進一步，SDI前端直接用光纖埠輸出視訊訊號，這樣無疑又會增加成本造價。IP高清監控在這方面已經有了很好的工程項目經驗了，使用網路防雷技術可以很好地解決防雷問題，從而可以應用在室內，室外全天候運行。
⑤高路數、高穩定性與高畫質重播的問題
由於編解碼壓力集中轉移至後端主機，從而增加了實現高路數、高穩定性與高畫質重播的難度。因為HD-SDI在後端儲存的時候還是要壓縮編碼的，也就需要SDI編碼器，而SDI碼流如此之大會造成編碼設備壓力巨大，解碼重播的時候主機壓力也很大，這樣就會造成了大功耗，也會影響主機的穩定性。因此，高路數的情況下，要保持高畫質高穩定性就要困難得多。
⑥後端與其他配套不豐富，使用受限的問題
HD-SDI和以往的類比監控系統結構相似，無法和後端其他的應用相配套，並進行二次開發。而網路高清監控系統具備網路的開放性和強大的軟體管理功能，可以根據使用者需求，獨立開發應用功能，影像的分發、流覽和儲存方便，設備間的互連僅有一根網線即可完成，並可方便地實現資源分享。
⑦頻率相容的問題
HDcctv以廣電高清先進技術為基礎發展，由於訊號未經任何壓縮傳輸，沒有延遲及TCP/IP的協定困擾，產品也給攝影機一個“隨插即用”的實現，使HD影像視訊能夠直接顯示於顯示器上。但是HD-SDI需要匹配VGA或者HDMI高清介面的監視器才可顯示，這也是HD-SDI需要攻克的一個難點所在。
⑧普及度和認知度問題
HD-SDI監控系統雖然優勢明顯，但HD-SDI應用的普及度和用戶的認知度還不夠高，設備尚欠成熟，所應用的規模也還較小，目前尚不能滿足對解析度(目前只有720P和1080P)有更高要求的市場。對更高解析度要求的市場，現在只能依靠網路產品來填充。
HD-SDI晶片的發展方向
由上可知，HD-SDI產品的應用障礙仍舊存在。但從長遠來看，SDI攝影機的市場發展前景十分明朗，發展空間巨大。今後，要從以下幾個方面發展：
① 重視標準化建設
HD-SDI高清數位監控的普及應用，離不開行業標準化架構的建設，隨著針對類比CCTV升級而成立的HDcctv高清聯盟需要不斷改進和完善現有標準。
② 解決存在的技術問題
由於HD-SDI監控本身還有一些技術問題需要解決。如需要解決HD-SDI的長距離(長於100m)傳輸等前面提到的幾個存在的問題等。此外，從HD-SDI攝影機使用上以及周邊搭配上仍然存在一些明顯的障礙，如HD-SDI攝影機的數位編碼影像信號格式與不同廠牌HDDVR仍然存在相容性問題，以及HD-SDI攝影機在採用不同HDMI纜線材質時傳輸時會出現不同程度的干擾。
可以看到的是，HD-SDI攝影機出現以來，一直受制於周邊器材的限制，到現在很多問題依然沒有解決。而網路高清在這幾年已得到長足的發展，技術問題得到很好的解決。雖然，HD-SDI高清監控具有優於網路高清監控的一些優勢，但能否為HD-SDI在安防市場的應用鋪開陽光大道，看來還需要很長的路要走。
③ 努力實現HD-SDI系統整體設備的配套齊全
雖然，HD-SDI可以使用已有的同軸電纜線，但如果前端採用HD-SDI攝影機，則必須要有一整套完整的HD-SDI產品與之搭配才可以獲得良好的效果。這包括有HD-SDI編碼器、HD-SDI視訊伺服器、HD-SDI光纖傳輸器等產品，在現有的安防系統下，顯然這樣的成本是比較高的。
目前主力推HD-SDI整體設備的廠家為數不多，這就使得在HD-SDI沒有在安防領域廣泛取得應用之前，前期投入的建設成本會加大。而與此相對的是，網路高清整體設備已經得到了規模化生產，且其成本也得到明顯的下降。
因此，要使HD-SDI高清數位監控具備實際的應用意義，就需努力實現HD-SDI系統整體設備的配套齊全，這就需要各大安防廠商加快HD-SDI系列攝影機、光纖傳輸器、矩陣、硬碟錄影機等配套產品的開發，以形成產業化發展。
④ 大力開發智慧軟體與中介軟體
從應用功能上看，HD-SDI高清監控系統與CCTV 類比監控系統相似，功能簡單，無法結合用戶需求進行二次開發。尤其在當下安防行業向智慧化方向迅猛發展的情況下，這個缺陷遠遠不能滿足用戶的需求，而智慧應用功能的擴展性已經成為用戶選擇的重要因素。
網路高清監控系統在這方面的優勢是HD-SDI高清監控系統無法比擬的，網路高清監控系統有網路的開放性和智慧管理軟體與中介軟體的功能強大，可以根據使用者的需求開發獨立的應用功能，而且，影像分發、流覽、儲存非常方便，設備接入只需一根網線即可使用，同時資源分享更加方便，多個用戶流覽不需建立多個物理連接，系統開放性好，擴容方便。因此，HD-SDI高清監控系統要佔領市場，還必須大力開發智慧軟體與中介軟體。
⑤要降低系統的成本
除了要努力解決上述問題外，要使HD-SDI系統真正步入市場應用，還需要降低系統的成本。值得提出的是，如果HD-SDI技術無法得到大量應用，造成成本居高不下，最終將被市場無情淘汰。因此，降低系統的成本，也應是HD-SDI高清系統今後努力方向之一。
綜上所述，HD-SDI晶片應該針對相應的要求制定發展策略，解決技術難點，這樣HD-SDI系統產品才可以實現更廣程度的普及和應用，SDI晶片也才能夠以更加統一的步伐向技術前沿邁進，這是終端使用者所迫切需求的，也是廠商新的曙光和動力。
值得指出的是，雖然HD-SDI具有幾個優於網路高清監控的優勢，但並沒有超越性的價值，它僅是一種量上的優越，而未達到質的變化。僅從目前情況來講，網路高清監控的延時已得到很大改進，很多廠商的產品延時在一兩百ms內，這可以滿足絕大多數的影像監控應用需求。同時，網路高清監控系統的穩定性也已經得到很好地解決，它已經應用於城市大型的影像監控專案中。
目前，HD-SDI技術的高清監控最先能夠應用，是對影像監控延時性跟穩定性要求特別高的某些行業領域，而且這種行業領域相對於整個安防市場來說還是比較小的。HD-SDI技術將是一種新銳力量加入到安防市場當中，要想撼動現在網路高清監控的發展勢頭是很困難的。
HD-SDI在廣播電視技術領域的成功應用證明了其應用價值，但移花接木到安防領域能否得到廣泛的應用，還需要市場環境的最終檢驗。可以預見的是，由於HD-SDI攝影機畫面效果好以及影像資料傳輸保持即時等優點，未來幾年必然會成為廠家以及工程商所追捧的產品，而與其配套的設備也會受到重視。
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