淺析高清技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

馬伯康

淺析高清技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

馬伯康

經(jīng)過多年的探索和積累，國內(nèi)在高清圖像技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)掌握了一定的核心技術(shù)。高清監(jiān)控在一些大型項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，標(biāo)志著高清監(jiān)控進(jìn)入一個(gè)新的階段。隨著高清產(chǎn)品成本的逐步下降，必將會(huì)帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)。

高清技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

在消費(fèi)類領(lǐng)域，高清技術(shù)主要應(yīng)用于廣播電視。由于系統(tǒng)復(fù)雜，所以經(jīng)歷了長達(dá)16年的標(biāo)準(zhǔn)化研究，才發(fā)展到目前比較成熟的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系。如美國的ATSC/HDTV標(biāo)準(zhǔn)，其圖像規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)包括720p@24/30/60fps、1080i@30fps、1080p@24/30fps等，主要接口標(biāo)準(zhǔn)包括YPbPr/YCbCr、DVI（-D/-I）、HDMI、HD-SDI等。

在工業(yè)類領(lǐng)域，高清技術(shù)主要應(yīng)用于對生產(chǎn)過程、精密制造過程的監(jiān)控。由于系統(tǒng)簡單，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化程度低，圖像分辨率從1024×768到1592×1944不等，幀率也從3fps到60fps不等，主要接口類型包括USB2.0、1394、Camerlink等。

在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，由于系統(tǒng)復(fù)雜程度與具體應(yīng)用有關(guān)，無論是在分辨率的定義上，還是在接口類型的選擇等方面，目前均未建立相關(guān)的高清標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)來研制高清/標(biāo)清監(jiān)控系統(tǒng)和產(chǎn)品，標(biāo)清方面從CIF到2CIF再到4CIF/D1，如今已得到普及；對于高清監(jiān)控，720p、1080i/p、uxga，甚至是更高分辨率，目前也已得到一定的應(yīng)用，特別是在交通、治安和智能建筑領(lǐng)域內(nèi)。

目前的監(jiān)控圖像主要通過CVBS、光纖、以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，因CVBS無法承載高清圖像，它是否會(huì)被消費(fèi)類接口標(biāo)準(zhǔn)所取代，目前尚未定論。不過光纖、以太網(wǎng)以及高帶寬，均可承載高清圖像。

高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以遵循傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并結(jié)合高清技術(shù)為原則，其基本框架如圖1所示。

高清圖像的采集以攝像機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，包括CCD、CMOS。以CMOS目前的技術(shù)而言，因其感光靈明度低（比CCD低10倍），故在低照度下易產(chǎn)生較多噪聲，但CMOS的成本優(yōu)勢非常明顯。

圖1 高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架示意圖

在高清采集方面，另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是信號(hào)處理技術(shù)（Camera Image Single Processing，簡稱ISP），它可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)白平衡控制、自動(dòng)曝光控制、色彩校正、Gamma等圖像處理。

相對于標(biāo)清產(chǎn)品，高清產(chǎn)品需考慮如下要素：

高數(shù)據(jù)量：200萬像素@25fps近800Mbps；

接口：SD-SDI（1.485Gbps）、O T（o p t i c a l t r a n s c e i v e r、1.25/2.5Gbps）。

在高清視頻編解碼方面，H.264以其高效編碼已廣泛應(yīng)用，并被相關(guān)監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)所采納。針對高清圖像，H.264具備更高壓縮效率：通過調(diào)整關(guān)鍵幀間距、幀類型及幀率，結(jié)合不同的解碼輸出接口，可適配不同的顯示應(yīng)用；通過不同的策略，可進(jìn)行編解碼的延時(shí)控制。

在高清視頻傳輸方面，HD-SDI可用于中等距離傳輸（可做接入），光纖可用于遠(yuǎn)距離傳輸（可做接入和匯聚）。接入設(shè)備包括編碼器或光端機(jī)，匯聚設(shè)備包括高清矩陣或IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在高清圖像的核心交換部分，視頻通過IP承載網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)膽?yīng)用案例不斷增加，可見交換技術(shù)已成熟，關(guān)鍵是要保證圖像質(zhì)量與低延時(shí)兩大要素。流媒體技術(shù)一如既往地承擔(dān)著高清流數(shù)據(jù)的分發(fā)任務(wù)，以采用RTP/RTCP協(xié)議為主。

在高清視頻存儲(chǔ)方面，從硬盤介質(zhì)到存儲(chǔ)設(shè)備，標(biāo)清數(shù)字監(jiān)控的錄像問題已經(jīng)得到解決。那么，高清存儲(chǔ)并發(fā)讀寫數(shù)據(jù)量更大，對存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫性能要求更高。因此，以下因素將影響到錄像：

編碼效率（空間）；

實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)（空間）；

存儲(chǔ)設(shè)備性能（完整性）；

存儲(chǔ)管理機(jī)制（完整性/安全性）。

在高清視頻的接收、切換與顯示方面，由于IP交換具有伸縮性好等特點(diǎn)，故適合各種大小規(guī)模系統(tǒng)的應(yīng)用，對于特定應(yīng)用領(lǐng)域，也有采用數(shù)字交換。高清顯示接口包括DVI、HDMI（近距離傳輸）等，根據(jù)顯示頻率、分辨率，可調(diào)整解碼輸出（通過DSP/FPGA），調(diào)整策略可調(diào)整畫面的流暢性與完整性。

高清視頻監(jiān)控工程技術(shù)

在系統(tǒng)部署和實(shí)施方面，高清采集的部分盡量要“瘦”，這樣系統(tǒng)可靠性能得到有效保證，其它還包括以下好處：

有效減少現(xiàn)場施工、調(diào)試工作量；對環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)；有效降低運(yùn)維量；前端采集盡量采用光接入方式，這樣可：

不受電磁干擾；不需接地環(huán)路；重量輕、線徑小，大大減小線纜鋪設(shè)占用的空間；

利用波分復(fù)用技術(shù)，用一條光纖可進(jìn)行多信道傳輸；

雙向傳輸也很方便（易于系統(tǒng)擴(kuò)展）；

隨著日新月異的寬帶技術(shù)的發(fā)展，光傳輸還可以滿足未來的需要。

高清技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用

同樣一個(gè)攝像頭，高清視頻能監(jiān)控更廣的范圍；同樣的監(jiān)控范圍，高清攝像頭能監(jiān)看到更清晰的圖像。所以，在很多體育建筑、醫(yī)院建筑以及其他高端建筑的視頻監(jiān)控中，高清已得到一定的應(yīng)用。尤其是在各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)下，對于重點(diǎn)要害部位、建筑物周界等部署高清攝像頭所獲得的更多細(xì)節(jié)，無疑可使安防子系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用。

結(jié)束語

回顧近十年，監(jiān)控技術(shù)及其產(chǎn)品所發(fā)生的變化，是任何人在此前都無法想象的，特別是國內(nèi)在高清圖像技術(shù)方面已掌握了一定的核心技術(shù)，并已產(chǎn)品化。同時(shí)在應(yīng)用方面，上海浦東高清監(jiān)控項(xiàng)目的成功應(yīng)用，標(biāo)志著高清監(jiān)控進(jìn)入了一個(gè)新的階段，高清已逐步應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。隨著高清產(chǎn)品成本的逐步下降，相信會(huì)帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)。

作者單位：杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司