文｜中國科學院自動化研究所 陳 龍

高清晰度安防監(jiān)控技術熱點探討

文｜中國科學院自動化研究所 陳 龍

本文論述了高清標準及高清攝像機的分類，并就HD-SDI高清攝像機和IPC網絡攝像機的異同進行了探討，對高清視頻監(jiān)控發(fā)展前景也作了相應的闡述。

SLOC混合視頻監(jiān)控方案 HD-SDI 高清攝像機 IPC網絡攝像機

高清化是視頻監(jiān)控發(fā)展趨勢的主流，監(jiān)控高清化的趨勢目前已非常明顯，并且已在道路交通監(jiān)控等不少領域開始得到應用。未來的高清標準勢必會對整個視頻監(jiān)控領域產生深刻影響。伴隨著HDTV標準及智能功能前置應用的結合，高清攝像機的發(fā)展會更加迅猛，具有智能分析功能的高清攝像機將會成為新的亮點。

作為安防技術的核心，視頻監(jiān)控未來發(fā)展的主要方向一定是追求圖像的高清晰度，尤以提高攝像機的性能指標為最重要和關鍵的目標。攝像機的主要技術指標有分辨率、動態(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鍵所在，而動態(tài)范圍和低照度性能則是決定攝像機適用場合的關鍵指標，它們都對視頻圖像是否能夠看得更加清楚與真切有著至關重要的影響。

1 高清的標準

國際上公認的電視高清標準——HD（High Definition）有兩條內容，即視頻垂直分辨率超過720p或1080i、視頻寬縱比為16:9。物理分辨率達到720p以上即被稱為高清，高清視頻格式目前一般分為標準高清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)控的高清標準還沒有正式推出；目前HDcctv聯(lián)盟提出的高清晰視頻監(jiān)控系統(tǒng)標準在業(yè)內有較廣的影響，該標準支持高清電視（HDTV）信號數字流不經打包地傳輸。當前高清視頻監(jiān)控攝像機一般以像素標識值來作為指標（可從百萬像素到1600萬像素，如表1所示），但高清監(jiān)控攝像機的幀速率可以比電視“25幀實時”的要求低，達到3~15幀即可。

表1 高清和標清視頻監(jiān)控攝像機性能比較表

除HDcctv標準外，“開放網絡視頻接口論壇（ONVIF）”和“實體安全互操作性聯(lián)盟（PSIA）”也具有較大的影響力。三者在網絡視頻監(jiān)控市場中三足鼎立，壁壘分明。它們各自關注的重點不同，ONVIF希望通過全球性的開放接口標準來推進網絡視頻在安防市場的應用，這一接口標準確保了不同廠商生產的網絡視頻產品具有互通性；PSIA意在為實體安防系統(tǒng)的硬件和軟件平臺提供一種標準化的接口，使基于IP網絡的不同安防系統(tǒng)具有兼容性；而作為閉路高清領域的倡導者，HDcctv兼顧了模擬監(jiān)控的方便性與網絡高清監(jiān)控的圖像畫質，以讓使用者在最熟悉的環(huán)境下實現(xiàn)全高清視頻監(jiān)控為出發(fā)點，重點推廣HD-SDI技術。

高清監(jiān)控攝像機產品可依其影像傳感芯片劃分為兩類：一是以CCD作為成像器件的攝像機，二是以CMOS作為成像器件的攝像機。由于CMOS在高像素方面有著一定的優(yōu)勢，因此市場上用于監(jiān)控的高清攝像機大多是以CMOS傳感器直接輸出數字化視頻信號的網絡攝像機。未來，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Aptina公司推出了全新的1/3in低照度130萬像素和200萬像素的CMOS感光芯片。

2 HD-SDI高清攝像機和SLOC混合高清解決方案

2.1 高清攝像機分類——IPC網絡攝像機和HD-SDI高清攝像機的異同

（1）當前最熱門的兩種高清監(jiān)控實現(xiàn)方案是采用IPC網絡攝像機和采用HD-SDI高清攝像機。這兩種攝像機都是先通過圖像傳感器獲得圖像數字信號，再通過ISP芯片進行圖像處理；在此之后，IPC網絡攝像機采取經壓縮芯片對圖像作壓縮處理和打包后通過以太網的網口傳輸的模式；而HD-SDI高清攝像機則是將圖像轉換成HD-SDI（數字高清串行接口）非壓縮串行數據，然后交由SDI芯片加以轉換后通過BNC接口輸出，之后再通過同軸電纜高速傳輸，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)控事件的真實性和實時非壓縮性，這是HD-SDI高清攝像機與IPC網絡攝像機的本質區(qū)別。但是，由于SDI芯片最初是為廣電系統(tǒng)定義的短距離、高保真數字視頻傳輸方式所運用的，因此價格較高。表2給出了IPC網絡攝像機和HD-SDI高清攝像機的詳細對比。

表2 HD-SDI和IPC高清攝像機簡要對比表

（2）IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅存在帶寬和延時性問題，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)將有可能憑借其無壓縮、無延時的優(yōu)勢成為最佳的高清監(jiān)控解決方案之一。

HD-SDI高清攝像機的主要優(yōu)點有三：首先，HD-SDI高清攝像機提供的高清等級的實時圖像，在視頻線上傳輸時不會出現(xiàn)拖尾或掉幀，可靠度較高；其次，HD-SDI數字信號未經壓縮，在傳輸過程中未經壓縮與封包化處理，故不會產生圖像延遲問題，就傳輸延遲性而言可以支撐起更好的實時監(jiān)控解決方案；再則，對于用戶而言，HD-SDI高清攝像機的安裝設定和操作與傳統(tǒng)CCTV無異，無需學習即能上手。

然而，HD-SDI高清攝像機也有不足之處：首先，HD-SDI數字信號傳輸距離短；其次，HD-SDI高清攝像機無法實現(xiàn)聯(lián)網監(jiān)控，而這是與目前主流的視頻監(jiān)控網絡化趨勢相悖的。孤島式監(jiān)控系統(tǒng)會越來越無法適應各類深層次的監(jiān)控應用，特別是在發(fā)掘安防系統(tǒng)的附加價值時；因此，HD-SDI高清攝像機要成為市場的寵兒，還要解決許多問題。

2.2 創(chuàng)新的模擬數字混合高清監(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。該方案堪稱是橫空出世的創(chuàng)新，它能夠支持通過一條同軸電纜同時傳輸模擬CVBS視頻和高清數字IP視頻（簡單地說，SLOC即“模擬視頻+IP碼流”），這就使得百萬像素IP攝像機能在現(xiàn)有的CCTV同軸基礎設施上運行，其信號傳輸最遠距離可達300m或更遠，同時支持無延遲模擬CCTV和網絡IP監(jiān)控功能。SLOC技術的出現(xiàn)為實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)從模擬CCTV到網絡IP監(jiān)控的無縫過度帶來了佳音。

SLOC方案由一個基于SLOC技術的攝像機調制解調器PHY芯片TW3801和一個基于SLOC技術的接收機調制解調器PHY芯片TW3811組成。TW3801和TW3811是高度集成的調制解調器PHY子系統(tǒng)——其中包括一個模擬前端（AFE）、一個數字調制解調器和兩個以太網介質無關接口（MII）。TW3801將其收到的CVBS信號和以太網MII信號一對一地組合成通過同軸電纜傳輸的專有輸出信號，TW3811則對其從基于SLOC技術的攝像機調制解調器PHY IC收到的信號進行對等解碼。

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

3 實現(xiàn)高清監(jiān)控需要從高清攝像機到高清顯示過程的一條龍配套

要實現(xiàn)真正的高清監(jiān)控，不能僅在攝像機環(huán)節(jié)實現(xiàn)高清化；只有從前端的監(jiān)控攝像機、中端的傳輸設備，到后端的存儲、顯示設備等各個環(huán)節(jié)都高清化，才能實現(xiàn)真正意義上的高清監(jiān)控。

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

高清監(jiān)控在當前面臨著傳輸、壓縮、存儲、網絡、性價比、照度要求、可靠性、應用環(huán)境條件、與標清的可融合性等多方面的壓力與挑戰(zhàn)。但與此相對的，建設高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)也將會帶動網絡帶寬、視頻存儲空間、圖像解碼能力等諸多方面的進步。前端網絡化是高清化應用的基礎條件，只有網絡化才能推動高清化。

3.1 高清攝像機輸出圖像的存儲方案

以720p標準高清監(jiān)控為例，正常的監(jiān)控錄像所需硬盤容量大約為每路4~8G/h；出于經濟性考慮將視頻錄像頻率稍加降低，可壓縮到3GB左右。如此按一個月保存時間計算，8路監(jiān)控大約需要17T左右的容量——這是一個相當可觀的數字。此外，高清監(jiān)控系統(tǒng)不只要求存儲設備容量大，對讀寫性能、可靠性也提出了更高的要求。

HD-SDI高清攝像機輸出的SDI非壓縮信號的數據量非常大，將其直接存儲的成本將是相當大的。所以，從實際應用的角度考慮，HD-SDI視頻圖像的存儲還是需要進行壓縮的——可以采用新問世的支持HD-SDI視頻的SDI-DVR存儲裝置（目前此類產品的存儲路數都還比較少，多為4路）來解決，當然也可以用SDI編碼器配合NVR來解決。

未來，在云計算概念上延伸和發(fā)展起來的云存儲，將突破傳統(tǒng)存儲方式的性能和容量瓶頸。它可以通過集群應用、網格技術或分布式文件系統(tǒng)等功能，通過應用軟件將網絡中大量各種不同類型的存儲設備集合起來、令之協(xié)同工作，實現(xiàn)存儲性能與容量的線性擴展，讓海量數據的存儲成為可能，并使之共同對外提供數據存儲和業(yè)務訪問功能。云存儲可能會是解決高清監(jiān)控存儲問題的一劑良方。

3.2 HD-SDI的同軸電纜傳輸與光網傳輸

HD-SDI信號由于傳輸速率很高，因此對同軸電纜的要求也較高，故HD-SDI專用的線纜（RG-58/59）的成本比較高。HDSDI專用線纜的傳輸距離比較短，但其傳輸的效果比網絡傳輸好很多。若要進行較遠距離的傳輸，則采用光纖傳輸更為有利。

3.3 高清監(jiān)控接口

對高清監(jiān)控系統(tǒng)而言，傳輸是一項關鍵技術，而傳輸接口更是必需加以關注的。由于非壓縮高清視頻的碼流非常大（傳輸一路30FPS的1080p高清視頻所需的數據速率高達1.485Gbps），因此無法在TCP/IP網絡中傳輸。1080p高清視頻只有經過壓縮編碼，碼流大大降低后才能在TCP/IP網絡中傳輸（采用RJ45接口）。

非壓縮高清視頻可以通過四種高清接口傳輸。

（1）HD-SDI接口是一種廣播級的高清數字輸入和輸出端口，其中HD表示高清信 號，SDI（Serial digital Interface） 表 示數字分量串行接口。HD-SDI接口是基于SMPTE（攝影與電視工程師協(xié)會） 202M，在1.485Gbps或者1.485Gbps/1.001Gbps的信號速率條件下傳輸的接口規(guī)格，規(guī)定了數據格式、信道編碼方式、同軸電纜接口的信號規(guī)格、連接器及電纜類型與光纖接口等。其最大的優(yōu)勢是采用75Ω同軸電纜傳輸視頻和音頻信號，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）是一種全數字化影像和聲音傳送接口，可以傳送無壓縮的視頻和音頻信號。最新的HDMI1.3規(guī)范的最高帶寬可以達到4.95Gbps，實際視頻信號傳輸帶寬接近4Gbps，而1080p高清視頻格式信號傳輸所需的帶寬僅為2.2Gbps。HDMI的最遠傳輸距離只有15m。

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

（4）YPbPr色差分量接口，是逐行輸入/輸出的高清晰數字電視專業(yè)接口。YPbPr接口不是數字接口，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)控接口的詳細對比。

表3 四種高清監(jiān)控接口比較表

4 高清監(jiān)控市場前景分析

（1）在當前的中國監(jiān)控市場中，模擬攝像機仍占據攝像機應用總量的50%，但是其市場份額的逐年下降將是不可扭轉的潮流，高清監(jiān)控攝像機將異軍突起，搶奪其市場。高清監(jiān)控一定要走IP化的道路，否則是沒有太大前途的。當前在歐美等發(fā)達國家，網絡攝像機的普及率已達50%；而在中國，這一數字還只有10%左右，因此IP監(jiān)控的增長空間非常巨大。但另一方面，由于受到網絡帶寬、建設成本、應用平臺、使用習慣等因素的制約，高清監(jiān)控的全面實現(xiàn)和普及還會有一個較長的過程。

總體而言，如果說IP高清已經給安防監(jiān)控市場帶來了新的變革，那么HD-SDI高清即因具有無壓縮、無延遲、高清晰等亮點而將會在高清行業(yè)掀起新的波讕。

（2）預估2012年中國高清監(jiān)控市場的占有率，IPC攝像機應用還是主流，大致將占到85%；而對于HD-SDI攝像機，由于2011年是其在中國的應用元年，而且其在構成監(jiān)控系統(tǒng)時還會受到使用上及與周邊設備搭配上的兼容性限制，以及配套產品還不夠完善等因素的制約，因此即使最樂觀地估計，其在2012年高清監(jiān)控市場的占有率也只能發(fā)展到15%左右。

（3）伴隨著HD-SDI高清監(jiān)控攝像機同時出現(xiàn)的還有HD-SDI矩陣。與廣電領域主要完成視音頻簡單切換功能的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、報警聯(lián)動、字符疊加、權限設置、視頻環(huán)通、遠程控制等安防特有的功能。此外，為了與應用規(guī)模需求的增加相適應，還需要研發(fā)出路數較多的HD-SDI矩陣。

另一方面，未來的安防監(jiān)控市場可能會出現(xiàn)對在一個設備中同時兼容模擬、數字、網絡信號的，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，模擬攝像機及以其為主構成的監(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650線或更高的攝像機，也出現(xiàn)了由Techwell和Sony公司共同定義與開發(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。其攝像機采用Sony公司的960H CCD和Effio DSP，水平解析度能夠達到650TV line以上（黑白可達700TV line）；DVR采用支持960H編碼的DSP。