高清晰度安防監(jiān)控技術(shù)熱點(diǎn)探討

文｜中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 陳 龍

高清晰度安防監(jiān)控技術(shù)熱點(diǎn)探討

文｜中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 陳 龍

本文論述了高清標(biāo)準(zhǔn)及高清攝像機(jī)的分類(lèi)，并就HD-SDI高清攝像機(jī)和IPC網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的異同進(jìn)行了探討，對(duì)高清視頻監(jiān)控發(fā)展前景也作了相應(yīng)的闡述。

SLOC混合視頻監(jiān)控方案 HD-SDI 高清攝像機(jī) IPC網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

高清化是視頻監(jiān)控發(fā)展趨勢(shì)的主流，監(jiān)控高清化的趨勢(shì)目前已非常明顯，并且已在道路交通監(jiān)控等不少領(lǐng)域開(kāi)始得到應(yīng)用。未來(lái)的高清標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)視頻監(jiān)控領(lǐng)域產(chǎn)生深刻影響。伴隨著HDTV標(biāo)準(zhǔn)及智能功能前置應(yīng)用的結(jié)合，高清攝像機(jī)的發(fā)展會(huì)更加迅猛，具有智能分析功能的高清攝像機(jī)將會(huì)成為新的亮點(diǎn)。

作為安防技術(shù)的核心，視頻監(jiān)控未來(lái)發(fā)展的主要方向一定是追求圖像的高清晰度，尤以提高攝像機(jī)的性能指標(biāo)為最重要和關(guān)鍵的目標(biāo)。攝像機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、低照度性能。分辨率是決定視頻圖像能否被看得清楚的關(guān)鍵所在，而動(dòng)態(tài)范圍和低照度性能則是決定攝像機(jī)適用場(chǎng)合的關(guān)鍵指標(biāo)，它們都對(duì)視頻圖像是否能夠看得更加清楚與真切有著至關(guān)重要的影響。

1 高清的標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際上公認(rèn)的電視高清標(biāo)準(zhǔn)——HD（High Definition）有兩條內(nèi)容，即視頻垂直分辨率超過(guò)720p或1080i、視頻寬縱比為16:9。物理分辨率達(dá)到720p以上即被稱(chēng)為高清，高清視頻格式目前一般分為標(biāo)準(zhǔn)高清720p（1280×720分辨率、60Hz逐行掃描）和全高清1080p（1920×1080分辨率、逐行掃描）兩種。

監(jiān)控的高清標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有正式推出；目前HDcctv聯(lián)盟提出的高清晰視頻監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)內(nèi)有較廣的影響，該標(biāo)準(zhǔn)支持高清電視（HDTV）信號(hào)數(shù)字流不經(jīng)打包地傳輸。當(dāng)前高清視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)一般以像素標(biāo)識(shí)值來(lái)作為指標(biāo)（可從百萬(wàn)像素到1600萬(wàn)像素，如表1所示），但高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)的幀速率可以比電視“25幀實(shí)時(shí)”的要求低，達(dá)到3~15幀即可。

表1 高清和標(biāo)清視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)性能比較表

除HDcctv標(biāo)準(zhǔn)外，“開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)視頻接口論壇（ONVIF）”和“實(shí)體安全互操作性聯(lián)盟（PSIA）”也具有較大的影響力。三者在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控市場(chǎng)中三足鼎立，壁壘分明。它們各自關(guān)注的重點(diǎn)不同，ONVIF希望通過(guò)全球性的開(kāi)放接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)視頻在安防市場(chǎng)的應(yīng)用，這一接口標(biāo)準(zhǔn)確保了不同廠商生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)視頻產(chǎn)品具有互通性；PSIA意在為實(shí)體安防系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)提供一種標(biāo)準(zhǔn)化的接口，使基于IP網(wǎng)絡(luò)的不同安防系統(tǒng)具有兼容性；而作為閉路高清領(lǐng)域的倡導(dǎo)者，HDcctv兼顧了模擬監(jiān)控的方便性與網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控的圖像畫(huà)質(zhì)，以讓使用者在最熟悉的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)全高清視頻監(jiān)控為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)推廣HD-SDI技術(shù)。

高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)產(chǎn)品可依其影像傳感芯片劃分為兩類(lèi)：一是以CCD作為成像器件的攝像機(jī)，二是以CMOS作為成像器件的攝像機(jī)。由于CMOS在高像素方面有著一定的優(yōu)勢(shì)，因此市場(chǎng)上用于監(jiān)控的高清攝像機(jī)大多是以CMOS傳感器直接輸出數(shù)字化視頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。未來(lái)，CMOS傳感器提高的方向是改善低照度和黑暗環(huán)境下降低噪聲的能力，為此Sony公司推出了創(chuàng)新的Exmor CMOS芯片，美國(guó)Aptina公司推出了全新的1/3in低照度130萬(wàn)像素和200萬(wàn)像素的CMOS感光芯片。

2 HD-SDI高清攝像機(jī)和SLOC混合高清解決方案

2.1 高清攝像機(jī)分類(lèi)——IPC網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和HD-SDI高清攝像機(jī)的異同

（1）當(dāng)前最熱門(mén)的兩種高清監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方案是采用IPC網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和采用HD-SDI高清攝像機(jī)。這兩種攝像機(jī)都是先通過(guò)圖像傳感器獲得圖像數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)ISP芯片進(jìn)行圖像處理；在此之后，IPC網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采取經(jīng)壓縮芯片對(duì)圖像作壓縮處理和打包后通過(guò)以太網(wǎng)的網(wǎng)口傳輸?shù)哪Ｊ?；而HD-SDI高清攝像機(jī)則是將圖像轉(zhuǎn)換成HD-SDI（數(shù)字高清串行接口）非壓縮串行數(shù)據(jù)，然后交由SDI芯片加以轉(zhuǎn)換后通過(guò)BNC接口輸出，之后再通過(guò)同軸電纜高速傳輸，由于省去了圖像的壓縮環(huán)節(jié)，故圖像的失真度小，保障了監(jiān)控事件的真實(shí)性和實(shí)時(shí)非壓縮性，這是HD-SDI高清攝像機(jī)與IPC網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的本質(zhì)區(qū)別。但是，由于SDI芯片最初是為廣電系統(tǒng)定義的短距離、高保真數(shù)字視頻傳輸方式所運(yùn)用的，因此價(jià)格較高。表2給出了IPC網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和HD-SDI高清攝像機(jī)的詳細(xì)對(duì)比。

表2 HD-SDI和IPC高清攝像機(jī)簡(jiǎn)要對(duì)比表

（2）IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅存在帶寬和延時(shí)性問(wèn)題，還存在IP地址外泄的安全隱患，因此HD-SDI高清監(jiān)控系統(tǒng)將有可能憑借其無(wú)壓縮、無(wú)延時(shí)的優(yōu)勢(shì)成為最佳的高清監(jiān)控解決方案之一。

HD-SDI高清攝像機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)有三：首先，HD-SDI高清攝像機(jī)提供的高清等級(jí)的實(shí)時(shí)圖像，在視頻線上傳輸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)拖尾或掉幀，可靠度較高；其次，HD-SDI數(shù)字信號(hào)未經(jīng)壓縮，在傳輸過(guò)程中未經(jīng)壓縮與封包化處理，故不會(huì)產(chǎn)生圖像延遲問(wèn)題，就傳輸延遲性而言可以支撐起更好的實(shí)時(shí)監(jiān)控解決方案；再則，對(duì)于用戶而言，HD-SDI高清攝像機(jī)的安裝設(shè)定和操作與傳統(tǒng)CCTV無(wú)異，無(wú)需學(xué)習(xí)即能上手。

然而，HD-SDI高清攝像機(jī)也有不足之處：首先，HD-SDI數(shù)字信號(hào)傳輸距離短；其次，HD-SDI高清攝像機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，而這是與目前主流的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)相悖的。孤島式監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)各類(lèi)深層次的監(jiān)控應(yīng)用，特別是在發(fā)掘安防系統(tǒng)的附加價(jià)值時(shí)；因此，HD-SDI高清攝像機(jī)要成為市場(chǎng)的寵兒，還要解決許多問(wèn)題。

2.2 創(chuàng)新的模擬數(shù)字混合高清監(jiān)控方案SLOC

Intersil公司于2010年10月推出了SLOC（Security Link Over Coax）混合視頻監(jiān)控方案。該方案堪稱(chēng)是橫空出世的創(chuàng)新，它能夠支持通過(guò)一條同軸電纜同時(shí)傳輸模擬CVBS視頻和高清數(shù)字IP視頻（簡(jiǎn)單地說(shuō)，SLOC即“模擬視頻+IP碼流”），這就使得百萬(wàn)像素IP攝像機(jī)能在現(xiàn)有的CCTV同軸基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行，其信號(hào)傳輸最遠(yuǎn)距離可達(dá)300m或更遠(yuǎn)，同時(shí)支持無(wú)延遲模擬CCTV和網(wǎng)絡(luò)IP監(jiān)控功能。SLOC技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)從模擬CCTV到網(wǎng)絡(luò)IP監(jiān)控的無(wú)縫過(guò)度帶來(lái)了佳音。

SLOC方案由一個(gè)基于SLOC技術(shù)的攝像機(jī)調(diào)制解調(diào)器PHY芯片TW3801和一個(gè)基于SLOC技術(shù)的接收機(jī)調(diào)制解調(diào)器PHY芯片TW3811組成。TW3801和TW3811是高度集成的調(diào)制解調(diào)器PHY子系統(tǒng)——其中包括一個(gè)模擬前端（AFE）、一個(gè)數(shù)字調(diào)制解調(diào)器和兩個(gè)以太網(wǎng)介質(zhì)無(wú)關(guān)接口（MII）。TW3801將其收到的CVBS信號(hào)和以太網(wǎng)MII信號(hào)一對(duì)一地組合成通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)膶?zhuān)有輸出信號(hào)，TW3811則對(duì)其從基于SLOC技術(shù)的攝像機(jī)調(diào)制解調(diào)器PHY IC收到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)等解碼。

Sony公司已于2012年3月在全球范圍內(nèi)首家正式推出了基于SLOC技術(shù)的混合型高清攝像機(jī)IPELAHYBRID。它是一種從原有模擬系統(tǒng)升級(jí)到高清系統(tǒng)的快捷便利的方案，在成本控制、施工安裝、操作管理、現(xiàn)有設(shè)備投資保護(hù)等諸多方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

3 實(shí)現(xiàn)高清監(jiān)控需要從高清攝像機(jī)到高清顯示過(guò)程的一條龍配套

要實(shí)現(xiàn)真正的高清監(jiān)控，不能僅在攝像機(jī)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)高清化；只有從前端的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、中端的傳輸設(shè)備，到后端的存儲(chǔ)、顯示設(shè)備等各個(gè)環(huán)節(jié)都高清化，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的高清監(jiān)控。

高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：高清圖像采集技術(shù)，高清視頻編碼技術(shù)，高清視頻傳輸技術(shù)，高清視頻存儲(chǔ)技術(shù)，高清視頻接收、切換與顯示技術(shù)，高清視頻監(jiān)控工程技術(shù)。

高清監(jiān)控在當(dāng)前面臨著傳輸、壓縮、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、性價(jià)比、照度要求、可靠性、應(yīng)用環(huán)境條件、與標(biāo)清的可融合性等多方面的壓力與挑戰(zhàn)。但與此相對(duì)的，建設(shè)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)也將會(huì)帶動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶寬、視頻存儲(chǔ)空間、圖像解碼能力等諸多方面的進(jìn)步。前端網(wǎng)絡(luò)化是高清化應(yīng)用的基礎(chǔ)條件，只有網(wǎng)絡(luò)化才能推動(dòng)高清化。

3.1 高清攝像機(jī)輸出圖像的存儲(chǔ)方案

以720p標(biāo)準(zhǔn)高清監(jiān)控為例，正常的監(jiān)控錄像所需硬盤(pán)容量大約為每路4~8G/h；出于經(jīng)濟(jì)性考慮將視頻錄像頻率稍加降低，可壓縮到3GB左右。如此按一個(gè)月保存時(shí)間計(jì)算，8路監(jiān)控大約需要17T左右的容量——這是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字。此外，高清監(jiān)控系統(tǒng)不只要求存儲(chǔ)設(shè)備容量大，對(duì)讀寫(xiě)性能、可靠性也提出了更高的要求。

HD-SDI高清攝像機(jī)輸出的SDI非壓縮信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常大，將其直接存儲(chǔ)的成本將是相當(dāng)大的。所以，從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，HD-SDI視頻圖像的存儲(chǔ)還是需要進(jìn)行壓縮的——可以采用新問(wèn)世的支持HD-SDI視頻的SDI-DVR存儲(chǔ)裝置（目前此類(lèi)產(chǎn)品的存儲(chǔ)路數(shù)都還比較少，多為4路）來(lái)解決，當(dāng)然也可以用SDI編碼器配合NVR來(lái)解決。

未來(lái)，在云計(jì)算概念上延伸和發(fā)展起來(lái)的云存儲(chǔ)，將突破傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式的性能和容量瓶頸。它可以通過(guò)集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，通過(guò)應(yīng)用軟件將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類(lèi)型的存儲(chǔ)設(shè)備集合起來(lái)、令之協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)性能與容量的線性擴(kuò)展，讓海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)成為可能，并使之共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問(wèn)功能。云存儲(chǔ)可能會(huì)是解決高清監(jiān)控存儲(chǔ)問(wèn)題的一劑良方。

3.2 HD-SDI的同軸電纜傳輸與光網(wǎng)傳輸

HD-SDI信號(hào)由于傳輸速率很高，因此對(duì)同軸電纜的要求也較高，故HD-SDI專(zhuān)用的線纜（RG-58/59）的成本比較高。HDSDI專(zhuān)用線纜的傳輸距離比較短，但其傳輸?shù)男Ч染W(wǎng)絡(luò)傳輸好很多。若要進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的傳輸，則采用光纖傳輸更為有利。

3.3 高清監(jiān)控接口

對(duì)高清監(jiān)控系統(tǒng)而言，傳輸是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而傳輸接口更是必需加以關(guān)注的。由于非壓縮高清視頻的碼流非常大（傳輸一路30FPS的1080p高清視頻所需的數(shù)據(jù)速率高達(dá)1.485Gbps），因此無(wú)法在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸。1080p高清視頻只有經(jīng)過(guò)壓縮編碼，碼流大大降低后才能在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸（采用RJ45接口）。

非壓縮高清視頻可以通過(guò)四種高清接口傳輸。

（1）HD-SDI接口是一種廣播級(jí)的高清數(shù)字輸入和輸出端口，其中HD表示高清信 號(hào)，SDI（Serial digital Interface） 表 示數(shù)字分量串行接口。HD-SDI接口是基于SMPTE（攝影與電視工程師協(xié)會(huì)） 202M，在1.485Gbps或者1.485Gbps/1.001Gbps的信號(hào)速率條件下傳輸?shù)慕涌谝?guī)格，規(guī)定了數(shù)據(jù)格式、信道編碼方式、同軸電纜接口的信號(hào)規(guī)格、連接器及電纜類(lèi)型與光纖接口等。其最大的優(yōu)勢(shì)是采用75Ω同軸電纜傳輸視頻和音頻信號(hào)，采用BNC接口，有效距離為100m。

（2）HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒體接口）是一種全數(shù)字化影像和聲音傳送接口，可以傳送無(wú)壓縮的視頻和音頻信號(hào)。最新的HDMI1.3規(guī)范的最高帶寬可以達(dá)到4.95Gbps，實(shí)際視頻信號(hào)傳輸帶寬接近4Gbps，而1080p高清視頻格式信號(hào)傳輸所需的帶寬僅為2.2Gbps。HDMI的最遠(yuǎn)傳輸距離只有15m。

（3）DVI（Digital Visual Interface）， 即數(shù)字視頻接口，最遠(yuǎn)傳輸距離僅5m。

（4）YPbPr色差分量接口，是逐行輸入/輸出的高清晰數(shù)字電視專(zhuān)業(yè)接口。YPbPr接口不是數(shù)字接口，仍然定義為模擬接口。它可以使用同軸電纜，也可以用BNC頭，還可以使用普通蓮花頭。

表3給出了四種高清監(jiān)控接口的詳細(xì)對(duì)比。

表3 四種高清監(jiān)控接口比較表

4 高清監(jiān)控市場(chǎng)前景分析

（1）在當(dāng)前的中國(guó)監(jiān)控市場(chǎng)中，模擬攝像機(jī)仍占據(jù)攝像機(jī)應(yīng)用總量的50%，但是其市場(chǎng)份額的逐年下降將是不可扭轉(zhuǎn)的潮流，高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)將異軍突起，搶奪其市場(chǎng)。高清監(jiān)控一定要走IP化的道路，否則是沒(méi)有太大前途的。當(dāng)前在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的普及率已達(dá)50%；而在中國(guó)，這一數(shù)字還只有10%左右，因此IP監(jiān)控的增長(zhǎng)空間非常巨大。但另一方面，由于受到網(wǎng)絡(luò)帶寬、建設(shè)成本、應(yīng)用平臺(tái)、使用習(xí)慣等因素的制約，高清監(jiān)控的全面實(shí)現(xiàn)和普及還會(huì)有一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。

總體而言，如果說(shuō)IP高清已經(jīng)給安防監(jiān)控市場(chǎng)帶來(lái)了新的變革，那么HD-SDI高清即因具有無(wú)壓縮、無(wú)延遲、高清晰等亮點(diǎn)而將會(huì)在高清行業(yè)掀起新的波讕。

（2）預(yù)估2012年中國(guó)高清監(jiān)控市場(chǎng)的占有率，IPC攝像機(jī)應(yīng)用還是主流，大致將占到85%；而對(duì)于HD-SDI攝像機(jī)，由于2011年是其在中國(guó)的應(yīng)用元年，而且其在構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)還會(huì)受到使用上及與周邊設(shè)備搭配上的兼容性限制，以及配套產(chǎn)品還不夠完善等因素的制約，因此即使最樂(lè)觀地估計(jì)，其在2012年高清監(jiān)控市場(chǎng)的占有率也只能發(fā)展到15%左右。

（3）伴隨著HD-SDI高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)同時(shí)出現(xiàn)的還有HD-SDI矩陣。與廣電領(lǐng)域主要完成視音頻簡(jiǎn)單切換功能的HD-SDI矩陣不同，安防監(jiān)控用的HD-SDI矩陣還需具有傳統(tǒng)模擬切換矩陣的交叉切換、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、字符疊加、權(quán)限設(shè)置、視頻環(huán)通、遠(yuǎn)程控制等安防特有的功能。此外，為了與應(yīng)用規(guī)模需求的增加相適應(yīng)，還需要研發(fā)出路數(shù)較多的HD-SDI矩陣。

另一方面，未來(lái)的安防監(jiān)控市場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)兼容模擬、數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的，混合型格式的需求，因此可能將出現(xiàn)多格式混合型的矩陣。

（4）在中國(guó)，模擬攝像機(jī)及以其為主構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)還占有半壁河山，模擬監(jiān)控系統(tǒng)也在進(jìn)行著高清化的革新——既出現(xiàn)了以模擬高線為代表的分辨率可達(dá)650線或更高的攝像機(jī)，也出現(xiàn)了由Techwell和Sony公司共同定義與開(kāi)發(fā)的960H模擬高清解決方案。

960H模擬高清解決方案中的模擬攝像機(jī)采用Sony公司新一代的960H CCD Sensor，DVR 采 用 Techwell公司最新發(fā)布的模擬高清TW9960 A/D解決方案。其攝像機(jī)采用Sony公司的960H CCD和Effio DSP，水平解析度能夠達(dá)到650TV line以上（黑白可達(dá)700TV line）；DVR采用支持960H編碼的DSP。