在百萬像素網絡攝像機的“高清風暴”席卷這個視頻監控市場的時候，做為視頻監控市場占有優勢地位的模擬攝像機也開始畫質的提升，采用非壓縮方案的高清模擬攝像機在監控系統進行畫質升級改造時也成為了選擇的目標。與此同時，在前端百萬像素網絡攝像機供應商將產品線不斷向后端發展的同時，由后端進入前端的供應商也引起了安防行業的關注。

實現高清需要更高的技術

目前，高清的定義只出現在廣電行業，按照有關的標準，一般顯示比例為16∶9，至少能解析1080i（分辨率1920×1080）的數字信號，或掃描線數垂直和水平方向都必須達到720P的數字信號，只有滿足或超過以上標準的產品才能被歸類為高清產品。

就單個高清攝像機而言，其高分辨率和高清解析度要取決于該攝像機是否滿足SMPTE（美國電影電視工程師協會）標準，即達到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，否則即使是號稱百萬像素攝像機，也不一定是高清的。

百萬高清監控系統，不會再像過去標清、模擬系統那樣單單買套方案就夠了。由于百萬高清的特殊性，以及后端IT廠商的大舉進入，使得目前百萬高清比傳統監控門檻高出許多，需要在高清數字圖像采集和處理技術、圖像編解碼、后端傳輸管理以及軟件平臺建設上掌握著一定的核心技術，需要更強大的綜合實力尤其是大量的研發力量。

高清攝像機方案綜述

現今市面上流行的高清攝像機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，經過預處理和后處理，從而低延遲、實時地提高畫面質量，然后使用各種編碼和解碼標準（如H.264和MPEG4）傳輸到網絡中。由于流量很大且速率也非常快，所以數據必須經過壓縮。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據速率達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，編碼后不經壓縮直接傳輸出去，中間省去了視頻壓縮的步驟，實時性很高，號稱零延時。

究竟采用哪種方案也是目前高清視頻前端設備中爭議最大的地方。實質上這兩種方案各有優點，不存在誰取代誰的問題，各種方案都有其應用的場合。

非壓縮方案的傳輸技術

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

HD-SDI接口

SDI標準由SMPTE進行定義，廣泛應用在廣播和視頻產品中。SDI標準描述了怎樣通過視頻同軸電纜在剪輯設備之間傳送未壓縮的串行數字視頻數據。有兩種SDI標準：SD-SDI和HD-SDI，它們基于不同的數據速率。這兩種標準的基本電氣規范相同，主要不同點是，HD-SDI有較高的數據速率，1.485 Gbps，而SD-SDI數據速率在143 Mbps到540 Mbps之間，270 Mbps是目前應用比較廣泛的速率。

YPbPr接口

YPbPr：YPbPr也叫色差分量接口，采用的是美國電子工業協會EIA-770.2a標準，還有一種接口被稱為YCbCr接口，他們兩者的區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傳輸的色度信號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程，也保持了色度通道的最大帶寬。而Y即是亮度信號。而YPbPr接口不是數字接口，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準。

HDMI接口

HDMI的英文全稱是“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5Gbps的數據傳輸帶寬，可以傳送無壓縮的音頻信號及高分辨率視頻信號。同時無需在信號傳送前進行數/模或者模/數轉換，可以保證最高質量的影音信號傳送。

DVI接口

DVI全稱為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，數字顯示工作組）推出的接口標準。DVI-D接口，只能接收數字信號，接口上只有3排8列共24個針腳，其中右上角的一個針腳為空，不兼容模擬信號。

在這4種接口中，我們應該如何選擇？通過表1是對以上4種接口進行一個簡單比較和分析，我們發現HD-SDI接口是目前比較好的高清接口，同時HD-SDI接口也是目前廣電行業標準的高清接口。

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

· 在傳輸距離不是很遠，例如控制中心機房，對傳輸速率要求很高的場合，使用HDMI和DVI即能滿足需求。像支持HDMI/DVI的矩陣到監視器/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，但因其傳輸線的價格比較便宜，傳輸的距離較長，在某些對傳輸速率要求不高的場合也還是有一定的應用。

HD-SDI的優點

HD-SDI 是一個廣播級的高清數字輸入與輸出標準，該標準在廣播電視領域已經有了很多成功的應用。HD-SDI標準規定采用同軸電纜，以BNC接頭作為接口標準，有效距離為100米，其最大的好處在于：

· 接口技術的成熟，HD-SDI是非常成熟的接口技術，支持視頻信號高速率、幾乎零延時的傳輸，而普通的IP攝像機，由于需要對數據封裝、編碼等原因，導致延時較大；

· HD-SDI傳輸協議的物理形態是BNC接口，這對于監控項目來說是一個非常重要的特性，也就是說我們在將已有的傳統模擬框架系統轉為高清監控系統的過程中，無需重新布線，而只需更換成像部分，這將為工程節省巨大的時間成本和人力成本；

· 單路 HD-SDI 可以傳輸最高 1485Mbps 的無損 1080p 高清數字視頻信號；

· 它支持多路并列傳輸，最高可以支持到六路并列。這時候 HD-SDI的傳輸帶寬將達到8.9Gbps的數據傳輸流量。

非壓縮方案架構

電荷耦合器件（CCD）攝像機使用FPGA實現信號綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅動器。CCD驅動器反過來驅使CCD、機械快門控制并觸發控制。模數轉換器將輸入視頻信號轉換成數字格式，然后將其存儲到片外存儲器。當整幀數據的傳輸完成后，FPGA將存儲器中的數據綜合，并使用HD-SDI標準將其發送到網絡中。從觸發到HD-SDI輸出所需的處理時間為1秒或更少。FPGA還可控制存儲器和ADC（模數轉換器）。

非壓縮方案的技術難點

非壓縮方案系統的核心是FPGA，它主要負責兩方面的內容：CCD驅動算法實現和協議轉換。整個方案技術上的難點也集中在這兩點上。

CCD驅動算法的實現就是我們常見的2A算法（自動曝光和自動白平衡），如果前端接的是鏡頭模組則實現的是3A算法（比2A算法多了一個自動聚焦）。目前壓縮方案架構的核心是DSP，因為有許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，一般都會在方案中集成了2A/3A算法，也有專門提供2A/3A算法的公司，如臺灣的歐普羅。所以在實現高清的壓縮方案時，開發工程師可以繞開復雜的2A/3A算法，直接在高清方案上做應用，降低了研發上投入以及減少了項目實施的時間。

相對于壓縮方案，除了傳統幾家有這方面技術積累的企業以外，市面上基于FPGA的2A/3A算法應用還不是很廣，可供選擇的方案也不多。企業如果自己投入研發2A/3A算法，成本和時間上都是一個比較大的投入。因此非壓縮方案應用上的最大難點就在于CCD驅動算法的實現，協議轉換比CCD驅動算法的實現難度要低一些。市場上新推出的基于HD-SDI的光端機、矩陣等傳輸、轉換以及控制設備不在少數，而基于HD-SDI的攝像機就寥寥無幾，這跟HD-SDI協議實現門檻比較低，而CCD驅動算法門檻較高有很大的關系。Altera和Xilinx都推出了基于HD-SDI的解決方案，在這兩個廠家的技術協助下，可以在較低的成本很較短的時間內實現HD-SDI。

結語

基于HD-SDI標準接口的高清攝像機，能夠真正實現1080p的高清視頻數據輸出，同時達到25幀/秒的實時圖像采集。新興的數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技術委員會正在制訂435M系列標準：一種時鐘頻率為10.692 Gb/s的串行數據接口，其物理介質為符合IEC 60793-2標準的光纜與符合IEC 61754-20標準的光連接器。這種10 Gb/s級別的接口可將多至8個HD-SDI數據流復用在一起，也可以將現有的1.5 Gb/s與3 Gb/s數據結構映射至10 Gb/s接口上。因此基于HD-SDI標準接口的高清攝像機將有著廣闊的應用前景。

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