高清模擬攝像機(jī)的非壓縮方案?jìng)鬏敿夹g(shù)及架構(gòu)分析

在百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的“高清風(fēng)暴”席卷這個(gè)視頻監(jiān)控市場(chǎng)的時(shí)候，做為視頻監(jiān)控市場(chǎng)占有優(yōu)勢(shì)地位的模擬攝像機(jī)也開(kāi)始畫(huà)質(zhì)的提升，采用非壓縮方案的高清模擬攝像機(jī)在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行畫(huà)質(zhì)升級(jí)改造時(shí)也成為了選擇的目標(biāo)。與此同時(shí)，在前端百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)供應(yīng)商將產(chǎn)品線不斷向后端發(fā)展的同時(shí)，由后端進(jìn)入前端的供應(yīng)商也引起了安防行業(yè)的關(guān)注。

實(shí)現(xiàn)高清需要更高的技術(shù)

目前，高清的定義只出現(xiàn)在廣電行業(yè)，按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，一般顯示比例為16∶9，至少能解析1080i（分辨率1920×1080）的數(shù)字信號(hào)，或掃描線數(shù)垂直和水平方向都必須達(dá)到720P的數(shù)字信號(hào)，只有滿(mǎn)足或超過(guò)以上標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能被歸類(lèi)為高清產(chǎn)品。

就單個(gè)高清攝像機(jī)而言，其高分辨率和高清分辨率要取決于該攝像機(jī)是否滿(mǎn)足SMPTE（美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，即達(dá)到720P（1280×720，逐行掃描）、1080i（1920×1080，隔行掃描）、1080P（1920×1080，逐行掃描）三種分辨率中的一種，并且具16∶9顯示模式和全幀速，否則即使是號(hào)稱(chēng)百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)，也不一定是高清的。

百萬(wàn)高清監(jiān)控系統(tǒng)，不會(huì)再像過(guò)去標(biāo)清、模擬系統(tǒng)那樣單單買(mǎi)套方案就夠了。由于百萬(wàn)高清的特殊性，以及后端IT廠商的大舉進(jìn)入，使得目前百萬(wàn)高清比傳統(tǒng)監(jiān)控門(mén)檻高出許多，需要在高清數(shù)字圖像采集和處理技術(shù)、圖像編解碼、后端傳輸管理以及軟件平臺(tái)建設(shè)上掌握著一定的核心技術(shù)，需要更強(qiáng)大的綜合實(shí)力尤其是大量的研發(fā)力量。

高清攝像機(jī)方案綜述

現(xiàn)今市面上流行的高清攝像機(jī)方案大致上可以分為兩種：壓縮方案和非壓縮方案。

壓縮方案是指傳感器（CCD/CMOS）采集到的視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理和后處理，從而低延遲、實(shí)時(shí)地提高畫(huà)面質(zhì)量，然后使用各種編碼和解碼標(biāo)準(zhǔn)（如H.264和MPEG4）傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。由于流量很大且速率也非?？欤詳?shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)壓縮。例如，以30fps的速度傳輸1920×1080像素一次，在非壓縮情況下所需數(shù)據(jù)速率達(dá)1.5Gbps。再添上多通道，所需速率就更高了。

非壓縮方案是指鏡頭、CCD等原始信號(hào)，編碼后不經(jīng)壓縮直接傳輸出去，中間省去了視頻壓縮的步驟，實(shí)時(shí)性很高，號(hào)稱(chēng)零延時(shí)。

究竟采用哪種方案也是目前高清視頻前端設(shè)備中爭(zhēng)議最大的地方。實(shí)質(zhì)上這兩種方案各有優(yōu)點(diǎn)，不存在誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題，各種方案都有其應(yīng)用的場(chǎng)合。

非壓縮方案的傳輸技術(shù)

非壓縮方案的傳輸主要通過(guò)HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI四種高清接口，而如何在這四種接口中選擇，成為目前比較關(guān)注的話題。

HD-SDI接口

SDI標(biāo)準(zhǔn)由SMPTE進(jìn)行定義，廣泛應(yīng)用在廣播和視頻產(chǎn)品中。SDI標(biāo)準(zhǔn)描述了怎樣通過(guò)視頻同軸電纜在剪輯設(shè)備之間傳送未壓縮的串行數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。有兩種SDI標(biāo)準(zhǔn)：SD-SDI和HD-SDI，它們基于不同的數(shù)據(jù)速率。這兩種標(biāo)準(zhǔn)的基本電氣規(guī)范相同，主要不同點(diǎn)是，HD-SDI有較高的數(shù)據(jù)速率，1.485 Gbps，而SD-SDI數(shù)據(jù)速率在143 Mbps到540 Mbps之間，270 Mbps是目前應(yīng)用比較廣泛的速率。

YPbPr接口

YPbPr：YPbPr也叫色差分量接口，采用的是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA-770.2a標(biāo)準(zhǔn)，還有一種接口被稱(chēng)為YCbCr接口，他們兩者的區(qū)別在于前者是隔行掃描色差輸出，后者是逐行掃描色差輸出。而色差輸出將S-Video傳輸?shù)纳刃盘?hào)C分解為色差Cr和Cb，這樣就避免了兩路色差混合解碼并再次分離的過(guò)程，也保持了色度通道的最大帶寬。而Y即是亮度信號(hào)。而YPbPr接口不是數(shù)字接口，仍然定義為模擬接口。YPbPr的接口可以使用同軸電纜，可以用BNC頭，也可以使用普通蓮花頭作為接口標(biāo)準(zhǔn)。

HDMI接口

HDMI的英文全稱(chēng)是“High Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒體接口。HDMI接口可以提供高達(dá)5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可以傳送無(wú)壓縮的音頻信號(hào)及高分辨率視頻信號(hào)。同時(shí)無(wú)需在信號(hào)傳送前進(jìn)行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換，可以保證最高質(zhì)量的影音信號(hào)傳送。

DVI接口

DVI全稱(chēng)為Digital Visual Interface。它是1999年由Silicon 、Image、Intel（英特爾）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同組成DDWG（Digital Display Working Group，數(shù)字顯示工作組）推出的接口標(biāo)準(zhǔn)。DVI-D接口，只能接收數(shù)字信號(hào)，接口上只有3排8列共24個(gè)針腳，其中右上角的一個(gè)針腳為空，不兼容模擬信號(hào)。

在這4種接口中，我們應(yīng)該如何選擇？通過(guò)表1是對(duì)以上4種接口進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單比較和分析，我們發(fā)現(xiàn)HD-SDI接口是目前比較好的高清接口，同時(shí)HD-SDI接口也是目前廣電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高清接口。

· HD-SDI以其較遠(yuǎn)的傳輸距離和較高的傳輸速率，更多地被使用到前端設(shè)備到傳輸設(shè)備，或者前端設(shè)備到中心/控制設(shè)備上。例如HD-SDI攝像機(jī)到HD-SDI光端機(jī)/矩陣的連接；

· 在傳輸距離不是很遠(yuǎn)，例如控制中心機(jī)房，對(duì)傳輸速率要求很高的場(chǎng)合，使用HDMI和DVI即能滿(mǎn)足需求。像支持HDMI/DVI的矩陣到監(jiān)視器/大屏幕拼接墻之間的連接；

· 顯示終端一般都帶有YPbPr接口，雖然YPbPr傳輸速率較低，但因其傳輸線的價(jià)格比較便宜，傳輸?shù)木嚯x較長(zhǎng)，在某些對(duì)傳輸速率要求不高的場(chǎng)合也還是有一定的應(yīng)用。

HD-SDI的優(yōu)點(diǎn)

HD-SDI 是一個(gè)廣播級(jí)的高清數(shù)字輸入與輸出標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在廣播電視領(lǐng)域已經(jīng)有了很多成功的應(yīng)用。HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用同軸電纜，以BNC接頭作為接口標(biāo)準(zhǔn)，有效距離為100米，其最大的好處在于：

· 接口技術(shù)的成熟，HD-SDI是非常成熟的接口技術(shù)，支持視頻信號(hào)高速率、幾乎零延時(shí)的傳輸，而普通的IP攝像機(jī)，由于需要對(duì)數(shù)據(jù)封裝、編碼等原因，導(dǎo)致延時(shí)較大；

· HD-SDI傳輸協(xié)議的物理形態(tài)是BNC接口，這對(duì)于監(jiān)控項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的特性，也就是說(shuō)我們?cè)趯⒁延械膫鹘y(tǒng)模擬框架系統(tǒng)轉(zhuǎn)為高清監(jiān)控系統(tǒng)的過(guò)程中，無(wú)需重新布線，而只需更換成像部分，這將為工程節(jié)省巨大的時(shí)間成本和人力成本；

· 單路 HD-SDI 可以傳輸最高 1485Mbps 的無(wú)損 1080p 高清數(shù)字視頻信號(hào)；

· 它支持多路并列傳輸，最高可以支持到六路并列。這時(shí)候 HD-SDI的傳輸帶寬將達(dá)到8.9Gbps的數(shù)據(jù)傳輸流量。

非壓縮方案架構(gòu)

電荷耦合器件（CCD）攝像機(jī)使用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅(qū)動(dòng)器。CCD驅(qū)動(dòng)器反過(guò)來(lái)驅(qū)使CCD、機(jī)械快門(mén)控制并觸發(fā)控制。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，然后將其存儲(chǔ)到片外存儲(chǔ)器。當(dāng)整幀數(shù)據(jù)的傳輸完成后，F(xiàn)PGA將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)綜合，并使用HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。從觸發(fā)到HD-SDI輸出所需的處理時(shí)間為1秒或更少。FPGA還可控制存儲(chǔ)器和ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。

非壓縮方案的技術(shù)難點(diǎn)

非壓縮方案系統(tǒng)的核心是FPGA，它主要負(fù)責(zé)兩方面的內(nèi)容：CCD驅(qū)動(dòng)算法實(shí)現(xiàn)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。整個(gè)方案技術(shù)上的難點(diǎn)也集中在這兩點(diǎn)上。

CCD驅(qū)動(dòng)算法的實(shí)現(xiàn)就是我們常見(jiàn)的2A算法（自動(dòng)曝光和自動(dòng)白平衡），如果前端接的是鏡頭模組則實(shí)現(xiàn)的是3A算法（比2A算法多了一個(gè)自動(dòng)聚焦）。目前壓縮方案架構(gòu)的核心是DSP，因?yàn)橛性S多可供選擇的高清方案，例如：TI、海思、美信、升邁、Atmel、FreeScale等等，這些廠家在推廣自己的方案時(shí)，一般都會(huì)在方案中集成了2A/3A算法，也有專(zhuān)門(mén)提供2A/3A算法的公司，如***的歐普羅。所以在實(shí)現(xiàn)高清的壓縮方案時(shí)，開(kāi)發(fā)工程師可以繞開(kāi)復(fù)雜的2A/3A算法，直接在高清方案上做應(yīng)用，降低了研發(fā)上投入以及減少了項(xiàng)目實(shí)施的時(shí)間。

相對(duì)于壓縮方案，除了傳統(tǒng)幾家有這方面技術(shù)積累的企業(yè)以外，市面上基于FPGA的2A/3A算法應(yīng)用還不是很廣，可供選擇的方案也不多。企業(yè)如果自己投入研發(fā)2A/3A算法，成本和時(shí)間上都是一個(gè)比較大的投入。因此非壓縮方案應(yīng)用上的最大難點(diǎn)就在于CCD驅(qū)動(dòng)算法的實(shí)現(xiàn)，協(xié)議轉(zhuǎn)換比CCD驅(qū)動(dòng)算法的實(shí)現(xiàn)難度要低一些。市場(chǎng)上新推出的基于HD-SDI的光端機(jī)、矩陣等傳輸、轉(zhuǎn)換以及控制設(shè)備不在少數(shù)，而基于HD-SDI的攝像機(jī)就寥寥無(wú)幾，這跟HD-SDI協(xié)議實(shí)現(xiàn)門(mén)檻比較低，而CCD驅(qū)動(dòng)算法門(mén)檻較高有很大的關(guān)系。Altera和Xilinx都推出了基于HD-SDI的解決方案，在這兩個(gè)廠家的技術(shù)協(xié)助下，可以在較低的成本很較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)HD-SDI。

結(jié)語(yǔ)

基于HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)接口的高清攝像機(jī)，能夠真正實(shí)現(xiàn)1080p的高清視頻數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)達(dá)到25幀/秒的實(shí)時(shí)圖像采集。新興的數(shù)字電影具有較高清晰度圖像更高的分辨率、更豐富的色彩（例如SMPTE 428-1K PGYQR 4096×2160 4∶4∶4/X’Y’Z’/12-bit@24P），SMPTE N26技術(shù)委員會(huì)正在制訂435M系列標(biāo)準(zhǔn)：一種時(shí)鐘頻率為10.692 Gb/s的串行數(shù)據(jù)接口，其物理介質(zhì)為符合IEC 60793-2標(biāo)準(zhǔn)的光纜與符合IEC 61754-20標(biāo)準(zhǔn)的光連接器。這種10 Gb/s級(jí)別的接口可將多至8個(gè)HD-SDI數(shù)據(jù)流復(fù)用在一起，也可以將現(xiàn)有的1.5 Gb/s與3 Gb/s數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射至10 Gb/s接口上。因此基于HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)接口的高清攝像機(jī)將有著廣闊的應(yīng)用前景。

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