基于HD-SDI标准接口的高清摄像机的特点及应用

当百万像素网络摄像机的“高清风暴”席卷文章监控市场时，在文章监控市场占主导地位的模拟摄像机开始提升画质，采用未压缩方案的高清模拟摄像机也成为监控系统画质升级时的首选目标。与此同时，在前端百万像素网络摄像机供应商不断向后端发展产品线的同时，从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。根据相关标准，一般显示比例为169，至少可以分析1080i(分辨率为19201080)的数字信号或者扫描线数必须达到纵横720P的数字信号。只有达到或超过上述标准的产品才能被归类为高清产品。

就单个高清摄像头而言，其高分辨率和高清分辨率取决于摄像头是否符合SMPTE(美国电影电视工程师协会)标准，即达到720P(1280720，逐行扫描)、1080i(19201080，隔行扫描)和1080P(19201080，逐行扫描)。

几百万的高清监控系统将不再足以像过去的标清和模拟系统那样购买一套解决方案。由于百万高清的特殊性以及后端IT厂商的大规模进入，目前的百万高清远高于传统的监控门槛。需要在高清数字图像采集处理技术、图像编解码、后端传输管理、软件平台建设等方面掌握一定的核心技术，需要更强的综合实力，尤其是大量的R&D力量。

高清摄像机方案概述

现在市面上流行的高清摄像方案大致可以分为两种：压缩方案和非压缩方案。

压缩方案是指对传感器(CCD/CMOS)采集的文章信号进行预处理和后处理，以低延迟实时提高画面质量，然后使用各种编解码标准(如H.264和MPEG4-4)传输到网络。由于流量大，速度非常快，所以必须对数据进行压缩。比如以30fps传输19201080像素时，要求的数据速率是1.5Gbps，没有压缩。增加更多的通道，要求的速度会更高。

无压缩方案是指镜头、CCD等原始信号，编码后不经压缩直接传输，省去了中间文章压缩的步骤，实时性高，所以被称为零延迟。

采用哪种方案也是目前高清文章前端设备争议最大的地方。本质上，这两种方案各有优势，不存在谁取代谁的问题，每种方案都有其适用场合。

未压缩方案的传输技术

未压缩方案的传输主要通过HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI四种高清接口，如何在这四种接口中进行选择成为目前的热门话题。

HD-SDI接口

SDI标准由SMPTE定义，广泛应用于广播和文章产品。SDI标准描述了如何通过文章同轴电缆在编辑设备之间传输未压缩的串行数字文章数据。有两种SDI标准：SD-SDI和HD-SDI，它们基于不同的数据速率。这两个标准的基本电气规格是相同的。主要区别在于HD-SDI具有1.485 Gbps的高数据速率，而SD-SDI的数据速率在143 Mbps到540 Mbps之间，270 Mbps是目前广泛使用的速率。

YPbPr接口

YPbPr:YPbPr也叫色差分量接口，采用美国电子工业协会的EIA-770.2a标准，另一种接口叫YCbCr接口。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。色差输出将S-Video传输的颜色信号C分解为色差Cr和Cb，避免了两个色差混合解码和重新分离的过程，也保持了颜色通道的最大带宽。y是亮度信号。YPbPr接口不是数字接口，但仍被定义为模拟接口。YPbPr的接口可以使用同轴电缆、BNC连接器或普通lotus连接器作为接口标准。

HDMI接口

HDMI的英文全称是“高清多媒体”，中文意思是高清多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，可以传输未压缩的音频信号和高分辨率的文章信号。同时，信号传输前不需要进行线/模或模/数转换，可以保证最高质量的视听信号传输。

数字显示工作组

DVI的全称是数字视觉接口。它是由DDWG(Digital Display Working Group)于1999年推出的一种接口标准，由Silicon、Image、Intel、Compaq、IBM、HP、NEC、Fujitsu等公司组成。DVI-D接口只能接收数字信号。接口上只有3行8列24个管脚，右上角有一个管脚是空的，不兼容模拟信号。

在这四个接口中，我们应该如何选择？表1是对以上四种接口的简单对比分析，我们发现HD-SDI接口是目前比较好的高清接口，HD-SDI接口也是目前广电行业的标准高清接口。

HD-SDI传输距离远，传输速率高，更多的是从前端设备到传输设备，或者从前端设备到中央/控制设备。比如HD-SDI摄像头与HD-SDI光端机/矩阵的连接；

传输距离不是很远的时候，比如要求传输速率很高的控制中心机房，HDMI和DVI就能满足需求。像支持HDMI/DVI的矩阵和显示器/大屏拼接墙的连接；

显示终端一般都配有YPbPr接口。YPbPr虽然传输速率低，但是其传输线相对便宜，传输距离长，所以在一些传输速率不高的场合还是有一定的应用。

HD-SDI的优势

HD-SDI是广播级高清数字输入输出标准，已成功应用于广播电视领域。HD-SDI标准规定使用同轴电缆，接口标准使用BNC连接器，有效距离100米。它的最大优点如下：

成熟的接口技术，HD-SDI是非常成熟的接口技术，支持文章信号的高速传输，几乎零延迟，而普通IP摄像机需要对数据进行封装编码，导致延迟较大；

HD-SDI传输协议的物理形式是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，在将现有的传统模拟帧系统转换为高清监控系统的过程中，我们只需要更换成像部分，无需重新布线，这将为项目节省巨大的时间和人力成本；

单通道HD-SDI可传输高达1485Mbps的无损1080p高清数字文章信号；

支持多路并行传输，最多可支持六路并行传输。此时HD-SDI的传输带宽将达到8.9Gbps的数据传输流量。

未压缩方案架构

电荷耦合器件(CCD)相机采用FPGA实现信号综合处理和色彩处理，并连接到CCD驱动器。CCD驱动器又驱动CCD和机械快门来控制和触发控制。模数转换器将输入文章信号转换成数字格式，然后将其存储在片外存储器中。当整个帧数据的传输完成后，FPGA在存储器中合成数据，并使用HD-SDI标准将其发送到网络。从触发到HD-SDI输出的处理时间为1秒或更短。FPGA还可以控制存储器和ADC(模数转换器)。

未压缩方案的技术难点

无压缩方案系统的核心是FPGA，主要负责两个方面：CCD驱动算法实现和协议转换。整个方案的技术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)。如果前端连接镜头模块，则实现3A算法(比2A算法多一个自动对焦)。目前压缩方案架构的核心是DSP，因为有很多高清方案可以选择，比如TI，海思，Maxim，Atmel，FreeScale等。这些厂商在推广自己的方案时，通常会将2A/3A算法集成到自己的方案中，也有公司专门提供2A/3A算法，比如台湾省的Opro。因此，开发工程师在实现高清的压缩方案时，可以绕过复杂的2A/3A算法，直接应用于高清方案，减少了研发投入和项目实施的时间。

相对于压缩方案，除了几家传统企业有这方面的技术积累外，基于FPGA的2A/3A算法在市场上的应用并不是很广，可供选择的并不多。如果企业投资研发2A/3A算法，成本和时间都比较大。因此，非压缩方案应用的最大难点在于CCD驱动算法的实现，协议转换的难度小于CCD驱动算法的实现。基于HD-SDI的光端机、矩阵等传输、转换和控制设备很多，而基于HD-SDI的相机却很少，这与HD-SDI协议的低阈值和CCD驱动算法的高阈值有很大关系。Altera和Xilinx都推出了基于HD-SDI的解决方案。在这两家厂商的技术协助下，可以在短时间内低成本实现HD-SDI。

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基于HD-SDI标准接口的高清摄像机可以真正实现1080p高清文章数据的输出，同时实现每秒25帧的实时图像采集。新兴的数字电影比高清图像分辨率更高，色彩更丰富(例如SMPTE 428-1kPYQR 40962160 4:4/x ' y ' z '/12位@ 24p)。SMPTE N26技术委员会正在制定435M系列标准：时钟频率为10.692 GB/s的串行数据接口。这种10 Gb/s接口可以将多达8个HD-SDI数据流复用在一起，还可以将现有的1.5 Gb/s和3 Gb/s数据结构映射到10 Gb/s接口上。因此，基于HD-SDI标准接口的高清摄像机将具有广阔的应用前景。