高清模拟摄像机的非压缩方案传输技术及架构分析

在百万像素网络摄像机的“高清风暴”席卷这个视频监控市场的时候，做为视频监控市场占有优势地位的模拟摄像机也开始画质的提升，采用非压缩方案的高清模拟摄像机在监控系统进行画质升级改造时也成为了选择的目标。与此同时，在前端百万像素网络摄像机供应商将产品线不断向后端发展的同时，由后端进入前端的供应商也引起了安防行业的关注。

实现高清需要更高的技术

目前，高清的定义只出现在广电行业，按照有关的标准，一般显示比例为16∶9，至少能解析1080i（分辨率1920×1080）的数字信号，或扫描线数垂直和水平方向都必须达到720P的数字信号，只有满足或超过以上标准的产品才能被归类为高清产品。

就单个高清摄像机而言，其高分辨率和高清分辨率要取决于该摄像机是否满足SMPTE（美国电影电视工程师协会）标准，即达到720P（1280×720，逐行扫描）、1080i（1920×1080，隔行扫描）、1080P（1920×1080，逐行扫描）三种分辨率中的一种，并且具16∶9显示模式和全帧速，否则即使是号称百万像素摄像机，也不一定是高清的。

百万高清监控系统，不会再像过去标清、模拟系统那样单单买套方案就够了。由于百万高清的特殊性，以及后端IT厂商的大举进入，使得目前百万高清比传统监控门槛高出许多，需要在高清数字图像采集和处理技术、图像编解码、后端传输管理以及软件平台建设上掌握着一定的核心技术，需要更强大的综合实力尤其是大量的研发力量。

高清摄像机方案综述

现今市面上流行的高清摄像机方案大致上可以分为两种：压缩方案和非压缩方案。

压缩方案是指传感器（CCD/CMOS）采集到的视频信号，经过预处理和后处理，从而低延迟、实时地提高画面质量，然后使用各种编码和解码标准（如H.264和MPEG4）传输到网络中。由于流量很大且速率也非常快，所以数据必须经过压缩。例如，以30fps的速度传输1920×1080像素一次，在非压缩情况下所需数据速率达1.5Gbps。再添上多通道，所需速率就更高了。

非压缩方案是指镜头、CCD等原始信号，编码后不经压缩直接传输出去，中间省去了视频压缩的步骤，实时性很高，号称零延时。

究竟采用哪种方案也是目前高清视频前端设备中争议最大的地方。实质上这两种方案各有优点，不存在谁取代谁的问题，各种方案都有其应用的场合。

非压缩方案的传输技术

非压缩方案的传输主要通过HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI四种高清接口，而如何在这四种接口中选择，成为目前比较关注的话题。

HD-SDI接口

SDI标准由SMPTE进行定义，广泛应用在广播和视频产品中。SDI标准描述了怎样通过视频同轴电缆在剪辑设备之间传送未压缩的串行数字视频数据。有两种SDI标准：SD-SDI和HD-SDI，它们基于不同的数据速率。这两种标准的基本电气规范相同，主要不同点是，HD-SDI有较高的数据速率，1.485 Gbps，而SD-SDI数据速率在143 Mbps到540 Mbps之间，270 Mbps是目前应用比较广泛的速率。

YPbPr接口

YPbPr：YPbPr也叫色差分量接口，采用的是美国电子工业协会EIA-770.2a标准，还有一种接口被称为YCbCr接口，他们两者的区别在于前者是隔行扫描色差输出，后者是逐行扫描色差输出。而色差输出将S-Video传输的色度信号C分解为色差Cr和Cb，这样就避免了两路色差混合解码并再次分离的过程，也保持了色度通道的最大带宽。而Y即是亮度信号。而YPbPr接口不是数字接口，仍然定义为模拟接口。YPbPr的接口可以使用同轴电缆，可以用BNC头，也可以使用普通莲花头作为接口标准。

HDMI接口

HDMI的英文全称是“High Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。

DVI接口

DVI全称为Digital Visual Interface。它是1999年由Silicon 、Image、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。DVI-D接口，只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空，不兼容模拟信号。

在这4种接口中，我们应该如何选择？通过表1是对以上4种接口进行一个简单比较和分析，我们发现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。

· 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，例如控制中心机房，对传输速率要求很高的场合，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。

HD-SDI的优点

HD-SDI 是一个广播级的高清数字输入与输出标准，该标准在广播电视领域已经有了很多成功的应用。HD-SDI标准规定采用同轴电缆，以BNC接头作为接口标准，有效距离为100米，其最大的好处在于：

· 接口技术的成熟，HD-SDI是非常成熟的接口技术，支持视频信号高速率、几乎零延时的传输，而普通的IP摄像机，由于需要对数据封装、编码等原因，导致延时较大；

· HD-SDI传输协议的物理形态是BNC接口，这对于监控项目来说是一个非常重要的特性，也就是说我们在将已有的传统模拟框架系统转为高清监控系统的过程中，无需重新布线，而只需更换成像部分，这将为工程节省巨大的时间成本和人力成本；

· 单路 HD-SDI 可以传输最高 1485Mbps 的无损 1080p 高清数字视频信号；

· 它支持多路并列传输，最高可以支持到六路并列。这时候 HD-SDI的传输带宽将达到8.9Gbps的数据传输流量。

非压缩方案架构

电荷耦合器件（CCD）摄像机使用FPGA实现信号综合处理和颜色处理，并连接到CCD驱动器。CCD驱动器反过来驱使CCD、机械快门控制并触发控制。模数转换器将输入视频信号转换成数字格式，然后将其存储到片外存储器。当整帧数据的传输完成后，FPGA将存储器中的数据综合，并使用HD-SDI标准将其发送到网络中。从触发到HD-SDI输出所需的处理时间为1秒或更少。FPGA还可控制存储器和ADC（模数转换器）。

非压缩方案的技术难点

非压缩方案系统的核心是FPGA，它主要负责两方面的内容：CCD驱动算法实现和协议转换。整个方案技术上的难点也集中在这两点上。

CCD驱动算法的实现就是我们常见的2A算法（自动曝光和自动白平衡），如果前端接的是镜头模组则实现的是3A算法（比2A算法多了一个自动聚焦）。目前压缩方案架构的核心是DSP，因为有许多可供选择的高清方案，例如：TI、海思、美信、升迈、Atmel、FreeScale等等，这些厂家在推广自己的方案时，一般都会在方案中集成了2A/3A算法，也有专门提供2A/3A算法的公司，如***的欧普罗。所以在实现高清的压缩方案时，开发工程师可以绕开复杂的2A/3A算法，直接在高清方案上做应用，降低了研发上投入以及减少了项目实施的时间。

相对于压缩方案，除了传统几家有这方面技术积累的企业以外，市面上基于FPGA的2A/3A算法应用还不是很广，可供选择的方案也不多。企业如果自己投入研发2A/3A算法，成本和时间上都是一个比较大的投入。因此非压缩方案应用上的最大难点就在于CCD驱动算法的实现，协议转换比CCD驱动算法的实现难度要低一些。市场上新推出的基于HD-SDI的光端机、矩阵等传输、转换以及控制设备不在少数，而基于HD-SDI的摄像机就寥寥无几，这跟HD-SDI协议实现门槛比较低，而CCD驱动算法门槛较高有很大的关系。Altera和Xilinx都推出了基于HD-SDI的解决方案，在这两个厂家的技术协助下，可以在较低的成本很较短的时间内实现HD-SDI。

结语

基于HD-SDI标准接口的高清摄像机，能够真正实现1080p的高清视频数据输出，同时达到25帧/秒的实时图像采集。新兴的数字电影具有较高清晰度图像更高的分辨率、更丰富的色彩（例如SMPTE 428-1K PGYQR 4096×2160 4∶4∶4/X’Y’Z’/12-bit@24P），SMPTE N26技术委员会正在制订435M系列标准：一种时钟频率为10.692 Gb/s的串行数据接口，其物理介质为符合IEC 60793-2标准的光缆与符合IEC 61754-20标准的光连接器。这种10 Gb/s级别的接口可将多至8个HD-SDI数据流复用在一起，也可以将现有的1.5 Gb/s与3 Gb/s数据结构映射至10 Gb/s接口上。因此基于HD-SDI标准接口的高清摄像机将有着广阔的应用前景。

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