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      高清HD-SDI视频监控解决方案

      发表时间:2014-08-26 15:58:29 浏览:

      近两年,高清可以说是监控行业最热门话题,业界各大主流厂商都纷纷推出自己的高清产品,尤其是高清网络摄像机更是款型丰富,外围配套设备比较齐全,涌现出各种IP高清系统解决方案,并成为目前高清视频监控应用方案的主流,本文将为大家介绍给力的高清视频监控技术——HD-SDI。      

        视频监控系统中图像清晰度是最被关注的,衡量图像清晰度的标准是分辨率,分辨率值越大,图像就越清晰。现在视频图像分辨率最高已可达1080P,也就是人们通常说的高清。其实要做到画面高清,不仅仅是分辨率达到720P或1080P就行了,还必须在超宽动态、自动白平衡、图像锐利度调整、超级数字降噪(信噪比)、智能数字自动测光补偿、亮度信号、彩色信号边缘补正、损坏像素自动调整与恢复、色彩调整等指标上都要有上好的表现,只有达到这些综合性的要求才能真正地实现高清。由于图像清晰度对视频监控产业有着非同一般的重要性,因此,高清监控技术一经面世就被市场广泛接受并开始实际应用。
        摄像机是将光学图像转换为电学图像,通过显示设备还原光学图像的设备。摄像机的社会需求源自人类对自然的视觉需求,是人类感知物质世界的重要工具。尽管视频监控是作为一个系统来衡量整体性能的,但无疑,摄像机是最重要的组成部分,并汇聚众多的核心技术。
        近两年,高清可以说是监控行业最热门话题,业界各大主流厂商都纷纷推出自己的高清产品,尤其是高清网络摄像机更是款型丰富,外围配套设备比较齐全,涌现出各种IP高清系统解决方案,并成为目前高清视频监控应用方案的主流。不可否认,由于IP高清监控方案的实际应用,极大地提高了视频数据承载和应用能力,使视频图像分辨率大幅提升,并具有高度的易扩展性和集中管理等优势。近几年安防行业各类展会中,IP高清监控方案真可谓饱受赞誉。
        然而,尽管IP网络高清监控具有种种优势,但也由于各种原因,对IP网络监控,特别对网络高清监控系统整体而言,也明显地暴露出其软肋:由于网络传输延迟带来的非实时性,又由于有损编码压缩使显示和记录的图像失去原汁原味,从而影响了其应用效果。所以说,事物都有其正反二面,IP网络监控也不例外。
        在人类感知物质世界的过程中,对高清的追求一直没有停止脚步,与IP网络高清监控相呼应的HD-SDI数字高清监控就是最为重要的应用实例。
        HD-SDI高清及标准
        摄像机的CCD或CMOS传感器采集信号后未经压缩的高清视频信号及传输有模拟和数字两种。模拟传输一般采用YPbPr分量传输,一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输,其中DVI或HDMI的传输距离只有几米,不适合用于监控图像的远程传输,行业内通常被应用在演播控制室内设备间的连接和信号传输。而HD-SDI信号虽然可以传输百米左右,并可采用CVBS同轴电缆传输,所以通常被应用在现场采集设备与百米内的控制设备间的信号传输连接。
        高清定义源自于数字高清电视HDTV,是由美国电影电视工程师协会SMPTE确定的高清晰度电视标准,即支持1080i(1920×1080,隔行)、720P(1280×720,逐行)、1080P(1920×1080,逐行)三种高清电视标准;再次,还特别要求是16∶9显示模式和全帧速。
        目前,在安防行业传统监控系统标清数字编码一般可达到4CIF或D1的分辨率,约为40万像素,清晰度在300至500电视线之间;高清摄像机如果要达到800电视线清晰度,那么摄像机的分辨率至少要达到720P(1280×720)的标准,约90多万像素;若采用200万像素,就能达到1080P(1920×1080,逐行)高清图像的要求。
        现在,安防行业通常采用广播电视领域的高清划分标准,来区分“高清”和“标清”。由于采用广电标准:即能达到百万像素的摄像机,配套以1080P分辨率的显示设备及相应的传输通道,就可以形成一套可称之为高清的监控系统,但安防视频监控行业本身至今还没有通用的高清标准。例如,2006年发布的国标《视频安防监控数字录像设备国家标准 GB 20815-2006》,仅对DVR的等级划分为A级(分辨率不小于4CIF,704×576)和B级(分辨率CIF,352×288)两种。
        HD-SDI监控技术优势
        相较于IP网络高清监控系统,很明显,HD-SDI监控有如下优势。
      1、原模拟系统布线仍可采用,系统组成和设备管理方式不变,从老的模拟系统升级,只需更换相应的硬件设备,几乎无需操作培训,能平滑实现从标清模拟监控升级到高清监控。
        2、不失真原始图像,不像IP监控是经压缩和打包后经网络传输的,而HD-SDI监控以未压缩数字信号在同轴电缆上高速传输,不失真。
        3、高清实时,不受传输网络影响,不会有IP网络监控产生的图像延迟问题,在有实时监控要求的场合,该性能要求就显得特别重要。
        4、提供更多细节,保持图像的完整性和原始性,大大提高了智能分析算法的精度,为智能视频分析IVS提供了保障。
        5、单位面积摄像机布点密度大幅下降,提高了采集设备的利用效能。
        客观地讲,基于IP监控和基于HD-SDI监控各有优势,从目前安防需求看,HD-SDI监控是令人振奋的。但是,HD-SDI监控本身也还有技术问题需解决。比如,需要解决HD-SDI的长距离(长于100米的)传输问题;配套设备欠成熟、厂商较少,厂商和配套设备的选择面较小,成本也比较高;应用的普及度及用户的认知度还远远不及IP网络高清监控。
        高清摄像机组成及关键技术
        HD-SDI或IP高清摄像机一般由如下主要部分组成如下:
        1、摄像机CCD或CMOS 成像器件,完成光学图像转换为电学信号,输出电子图像信号。
        2、AFE,模拟前端,用于CCD 成像时,将CCD 图像信号数字化,并产生CCD控制时序。而对于CMOS型成像器件,可直接输出数字信号,故不需要AFE模拟前端。
        3、CPU为整个高清摄像机核心器件,其主要完成图像信号处理(Image Signal Processor)和图像信号编解码(编解码为MPEG4、H.264 标准图像数据等)。早期的CPU即DSP(Digital Signal Processor),主要完成图像信号处理,如:透镜校正、Gamma 校正、边缘校正、自动曝光、自动聚焦、自动黑白平衡、防抖动等处理及控制。
        这其中IP高清摄像机的CPU还要完成图像的编码压缩,再经IP网络口输出,而HD-SDI高清摄像机不经编码压缩即以原始数字信号经HDMI或HD-SDI口输出。总体说,CPU 除图像处理和编码功能外,还要完成高清摄像机系统控制及计算,充作整个系统的中央处理器。
        4、存储接口:存储主要是指存储卡/硬盘等数据存储。
        5、信号输出接口:HDMI为高清数字多媒体接口,支持5Gpbs 以上高速信号传输速率,为民用消费电子接口;HD-SDI为高速串行接口,符合SMPTE 组织制定的用于影视演播室的数字音视频信号传输,是专业标准。其早期支持标清数字电视信号的270Mbps速率,已发展到传输1.485Gbps 高清数字电视信号,再发展到当前的2.97Gbps 高速信号,用于传输RGB 24bit 以上高清数字电视信号。
        从上述对高清摄像机系统介绍可知,专业高清摄像机涉及到以下主要难点和当前业界先进技术。
        1、高分辨率光学镜头集成,高清摄像机必须搭配高分辨率(高达真正千万像素)和广角的光学镜头,在光学变焦等方面,均为当前技术最前沿。
        2、图像信号处理,在光学信号转换为电学信号时,需要进行信号处理,以便获得较高的图像质量,降低各种干扰和杂声等。以白平衡、自动曝光、自动聚焦、防抖动等为代表的几个技术是图像信号处理技术的几个方面。
      3、高速电子图像信号的接收、处理和传输,高清摄像机在光电转换后,所得信号均为高速电子信号,这要求信号接收、处理和传输等环节,均需要考虑电磁兼容和隔离措施。
        4、高清视频压缩,高清摄像机由于其视频信号速率高,数据量大,必需采用当前先进的视频压缩技术,如H.264 等,才能满足存储和网络传输需求。
        高清摄像机技术发展与应用
        高清摄像机从早期的720P 分辨率已逐步发展到当前的全高清阶段,即支持1080P 制式。高清摄像机与早期的标清摄像机相比,存在以下明显区别和发展。
        1、视频监控标清摄像机输出模拟信号,而高清摄像机基本为数字信号。在标清模拟信号数字化后,存在Interlace现象,一般而言,标清的数字视频信号其图像效果,无论主观还是客观指标,都不如原模拟信号,模拟视频信号数字化仅仅解决网络传输和硬盘存储等客观需求。而高清摄像机信号本质上为数字信号,不存在模拟信号变换为数字信号的问题。图像分辨率的大幅提升,带来技术上量变到质变的飞跃,可大幅提升视频主客观效果,图质更加接近自然本色。
        2、随着视频尺寸向着高清演进,对摄像机CPU(DSP)处理能力的要求大幅提升,并高于图像像素分辨率提高的比例,这是标清无法比拟的。
        3、由于高清摄像机本身输出数字化视频信号,传统的视频监控摄像机应用模式将发生重大变化。标清摄像机必需配合DVS/DVR 等,而高清摄像机可直接完成视频的编解码,这样,高清系统将更加地被简化和集成。
        HD-SDI高清解决方案
        要实现真正的高清监控,必须从视频源的采集、视频信号的处理、视频信号的传输、视频的显示浏览、录像文件的回放等环节全面支持高清。对用户而言,高清只有在包含了前端、传输、浏览、显示、平台、存储等各个环节时才有意义。
        所以,对高清监控而言,仅一个高清摄像机是不够的,这对于网络高清和HD-SDI高清都是相同的。无论是模拟监控或数字监控或网络监控,都是由前端摄像机、NVR/DVR/管理平台设备、显示设备、存储设备、传输线缆等组成,每一环节都是缺一不可的。因此,HD-SDI高清监控系统也必须如此,任何一类系统是就系统的整体性能而言,HD-SDI高清监控要具备实际的应用意义,就必须提供涵盖前端、传输、管理中心以及后端环节的完整的解决方案,比如HD-SDI高清摄像机 + HD-SDI光端机 + HD-SDI高清矩阵或HD-SDI监视器 + HD-SDI高清编码器 + 相适应的存储设备(如IP-SAN)。
        HD-SDI高清应用考虑
        对HD-SDI高清摄像机及整体系统的应用既要参考系统的特性,又要考虑应用对象的需求,需二者统筹兼顾。
        从前述知道HD-SDI高清摄像机具有:原模拟系统布线仍可采用、保持不失真原始图像、高清实时等特点;而应用对象又有对高保真和高实时性的要求,所以HD-SDI高清摄像机及系统应该是上述二者的兼有,不是任何时候、任何地方都适用的,所以一般应用在:
        · 有视频智能分析IVS需要的场合;
        · 电子卡口系统;
        · 电子警察系统;
        · 银行柜员制系统;
        · 范围不是很大的重要的展览馆、博物馆等。
      由于有较高的分辨率,能带来更高的视频分析准确率,能实现高准确率的识别(例如:人脸识别、行为识别、车牌识别、流量统计);又由于高实时性,所以使安保人员能实时掌控现场的状况;上述的这些场合,大多控制和显示设备距摄像机距离不远,或许不需增加传输设备(HD-SDI光端机),甚至可利用原模拟系统的线缆即可完成系统向高清的升级改造。
        HD-SDI设备安装注意事项
        HD-SDI高清视频系统对图像的还原能力很强,这就对使用者、器材和支持的基础设施(线缆及接插件)提出了更高的要求。尽管HD-SDI设备的安装调试与常规模拟标清系统没有太大的区别,但在一些细节上还是要给予特别注意的。
        1、枪式防护罩要考虑护罩玻璃的选择,应选用高质量的光学玻璃,以避免普通平板玻璃带来的严重的光损,而影响高清摄像机的图像质量。
        2、安装环境的照度,高清摄像机对安装环境的照度要求要比标清高得多,其包括照度和范围二方面,如达不到应该的要求,则图质可能会比标清还要差。
        3、不推荐选用半球罩,理由如下:因为球罩是曲率半径很小的球体,高清摄像机一般会采用孔径较大的镜头,球罩曲率半径与镜头孔径会严重不匹配(为与小曲率半径球罩匹配,球机一般都配小镜头);此外,球罩还通常会厚薄不均匀,甚至还采用较差的聚炳烯材料制作,上述这些因素都会严重影响到图像质量,使图像会有明显的变形和光损。
        4、连接线缆及接插件接驳虽不显眼,但很重要。对于720P/1080P高清电视格式,其线缆和跳线系统必须满足SMPTE259M/424M-2006的相关技术细节。对于HD-SDI高清系统,阻抗匹配是非常重要的。即使是选用最好的线材,如果配上糟糕的接头也会使系统性能变得糟糕透顶。为了减少反射和相位误差,HD-SDI系统的线材和接头必须拥有更加坚韧的机械强度和优质焊接。不幸的是,这些至关重要的线材、接头和跳线等的制作技术和制造工艺往往会被系统设备炫目的功能所掩盖,并使用户对其毫无兴趣,而这些工程上易被忽视的“细节”,其重要性是不言而喻的,它们和功能强大的软件和硬件一样,不可或缺。
        结语
        高清视频应用正如火如荼。无论是HD-SDI还是IP高清监控,它们都有自己独有的应用领域,相互不能替代,却是互补的,即适用是硬道理。尽管源自广播电视的HD-SDI高清数字监控技术与标准已比较成熟,而IP网络高清监控尚处于成长期,但笔者相信,随着网络环境提升,特别是我国各级政府已对网络升级改造制订了计划,所以说,IP网络高清监控一定会有不可预测的大长进。
        那么,高清摄像技术下一步该怎么走呢?有看到资料,日本NHK正在协同旗下几个主要企业成员进行超高清(3840×2160,7680×4320)分辨率图像的基础技术研究和相关技术标准的制定。一些国际组织比如ITU等也在进行超高清技术研究。在色域方面,当前的技术标准正从深色(48Bit)逐步走向更深领域,使更加接近人眼分辨自然色极限。


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