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高清实时不再是“浮云”—探秘HD-SDI摄像机

导读:随着安全监控系统数字化、高清化的节奏加快,高清网络产品亦有不俗的表现,但即便如此,依然不能忽视其不尽如意的地方,比如延迟、编解码损耗、高带宽等。对此,…
随着安全监控系统数字化、高清化的节奏加快,高清网络产品亦有不俗的表现,但即便如此,依然不能忽视其不尽如意的地方,比如延迟、编解码损耗、高带宽等。对此,厂家和用户除无奈外,仍在不断寻求更好的高清解决方案。在此需求下,产生了新的应用——将广播级标准SDI引入到安防应用领域中,实现真正意义上的实时高清,基于HD-SDI标准接口的高清摄像机即为其中的代表。  
  正当IP“高清风暴”席卷整个视频监控市场之时,作为视频监控市场占有优势地位的模拟CCTV也在暗自发力,提升画质。2009年,标榜将为模拟CCTV系统业者升级至HD画质提供便捷之路的HDcctv联盟悄然成立,HDcctv系统的串行数字传输链路是从为专业广播市场开发的SDI基本技术衍生而来,SDI技术获得了广泛的部署并得到了很好的验证。目前市场上新推出的基于HD-SDI的光端机、矩阵等传输、转换以及控制设备已不在少数,而基于HD-SDI的摄像机却“千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面”。下面笔者将从技术和应用等角度,来揭开HD-SDI摄像机神秘面纱。
  解密SDI摄像机
  HD-SDI
  SDI(Serial Digital Input)即串行数字接口,是把数据字的各个比特以及相应的数据通过单一通道顺序传送的接口。由于串行数字信号的数据率很高,在传送前必须经过处理。在传送前,对原始数据流进行扰频,并变换为NRZI码,以确保在接收端可靠地恢复原始数据,这样在概念上可以将数字串行接口理解为一种基带信号调制。基于不同的数据速率,SDI可划分为标准清晰度SD-SDI、高清标准HD-SDI,对应时钟速率分别是270Mb/s、1.485Gb/s。
  其中HD-SDI是一个广播级的高清数字输入与输出端口,是SMPTE 292M在1.485Gb/s或1.485/1.5Gb/s的信号速率条件下传输的接口规格。该接口采用同轴电缆,以BNC接口作为线揽标准,有效距离为100米,是高清信号中等距离传输的较佳选择。
  HD-SDI与SDI的基本电气规范相同,除时钟频率提升到270Mb/s的5.5倍即1.485Gb/s外。不过这两者之间也存在着一些差别,例如HD-SDI将亮度与色差信号分别放置在两个流中,并将它们复用并加扰后进行传输,而且编码后的行号与校硷码附在有效视频结束(EAV)后。
  HD-SDI摄像机
  自从1998年长野冬奥会以来,高清串行数字接口(HD-SDI)传输设备的使用率不断增长。而HD-SDI摄像机是基于目前高清摄像机市场现状所推出的一款专门面向高端安防市场的产品,采用安防人士熟知的HD-SDI接口,方便与其后端编解码器以及视频服务器进行匹配,并且在控制中心配合高清视频矩阵可直接投影到大屏,使得整套高清系统变得不再象IP网络系统那样复杂、难以操作,而且更加容易为传统安防工程商所接受。加上摄像机采用高端的CCD成像芯片,使得摄像机在24小时内,都能完美呈现出高清晰、实时的视频画面,相信定能为高清监控市场带来全新的理念。如凌云的Magnolia,其除了具有标准监控摄像机的3A功能(Auto Shutter, Auto Gain,Auto IRIS)以外,同时配合摄像机本身的高灵敏度、高信噪比、高动态范围等一系列的特点,为夜间的图像效果及图像亮度提供了良好的保障。
    用实力说话
  HD-SDI摄像机的技术要点由两部分构成:前端摄像机技术和HD-SDI的传输接口。对HD-SDI摄像机来说,重点在于后者实现,以及前端的性能优化。目前各大厂商重点还是放在摄像机性能提升上,因为未来竞争的重点在于摄像机的性能,例如最大分辨率、伽马修正、3A控制等。
  前端摄像机技术
  1、分辨率
  与其他类监控摄像机一样,HD-SDI摄像机在分辨率上也有很高的要求。因为只有高清信号源才能使HDcctv发挥出自己高清的本色,这点当然需要百万像素的摄像机才能达到。由于高分辨率往往伴随着大量的图像数据,这常常会影响帧速率,因此,仅仅有百万像素摄像机还不能保证高图像质量。相比之下,满足任何给定HDcctv标准的网络摄像机一定能够提供某种分辨率、帧速率和色彩保真度,从而始终确保视频质量。全高清1080P则是最好的选择。据慧友电子(北京)股份有限公司PM产品经理林祺表示,目前市场上的HD-SDI主流分辨率为720P(1280×720)/1080P(1920×1080)。
  2、γ修正
  当监控摄像机在某些环境下工作时,往往会使显示的图像让人看起来显得太亮或者太暗,因此在可能条件下就要做伽马(γ)校正。其可增强影像中较暗的部份,但是不改变较亮部分的亮度,从而使影像看起来有更丰富的层次。
  在所有广播电视系统中,γ校正是在摄像机中完成的。最初的NTSC电视标准需要摄像机具有γ=1/2.2=0.45的幂函数,现在采纳γ=0.5的幂函数。PAL和SECAM电视标准指定摄像机需要具有γ=1/2.8=0.36的幂函数,但这个数值已显得太小,因此实际的摄像机很可能会设置成γ=0.45或者0.5。使用这种摄像机得到的图像就预先做了校正,在γ=2.5的CRT屏幕上显示图像时,屏幕图像相对于原始场景的γ值大约等于1.25。这个值适合“暗淡环境”下观看。
  γ校正原先是广电领域摄像机的“专利”,它极大地满足了广播电视对高画质的要求,而今将其引入安防视频领域也可以实现对监控效果的有力提升。过去的时代是“模拟时代”,而今天已进入“数字时代”,进入计算机的图像依然带有γ=0.5的校正。为了在不同环境下观看到“原始场景”可在适当地方加入γ 校正。
  从当前来看,绝大部分HD-SDI摄像机皆具备伽马修正功能。如慧友EQH5200 HD-SDI全高清摄像机的γ=0.45,且可在0.05~1.00间调整,保证了高清视频信号的输出。
  HD-SDI传输接口
  HD-SDI摄像机的另一关键就是摄像机接口的选择。真正意义上的高清接口包括HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI这几种,而从表1中可以很清晰地看到,在目前的高清数字接口中HD-SDI接口的综合优势。HD-SDI接口是目前比较好的高清接口,同时HD-SDI接口也是目前广电行业标准的高清接口。
        表1 高清接口性能对比(来源:北京凌云光子技术有限公司)
  · HD-SDI以其较远的传输距离和较高的传输速率,更多地被使用到前端设备到传输设备,或者前端设备到中心/控制设备上。例如HD-SDI摄像机到HD-SDI光端机/矩阵的连接;
  · 在传输距离不是很远,对传输速率要求很高的场合,例如控制中心机房,使用HDMI和DVI即能满足需求。像支持HDMI/DVI的矩阵到监视器/大屏幕拼接墙之间的连接;
  · 显示终端一般都带有YPbPr接口,虽然YPbPr传输速率较低,但因其传输线的价格比较便宜,传输的距离较长,在某些对传输速率要求不高的场合也还是有一定的应用。
  不是叫板,而是死磕
  目前,安防行业正处于画质革命的时代。高清数字摄像机在逐步取代之前的模拟设备,而对于广电网络监控领域,市面上的IP高清网络摄像机不能利用现有的资源,如果要做系统升级的话,那么现有的整个体系将会完全被改变,必然会带来成本上的增加以及资源的浪费。
  而具有HD-SDI接口的高清数字摄像机就非常适合作为设备替换的首选。HD-SDI只需将编码器,解码用的数字机顶盒换成支持高清的就可以形成新的高清监控系统,原有的线缆、调制器、码流复用器等设备都可以保留,节约了很大的成本。高清晰的画质能更清晰地描绘出所拍摄的场景细节,使监控系统更完美,更高效。