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对两种非IP类高清解决方案的再思考

2013-03-15 11:10:29 作者:金泉 来源:安防知识网 浏览次数:0 网友评论 0

960H与HD-SDI均具有十分鲜明的特点,相关厂商热推重点是只需更换原有系统中少量设备,可在保留原有传输线路、系统结构甚至操作使用习惯的前提下,将原有模拟系统升级为高清或者准高清的监控系统。毫无疑问,这一优势具有很大的诱惑力。然而经过一段时间的分析和观察,笔者认为,若想彻底达到上述两种系统的预期效果,就不能只更换部分设备而保留传输线路甚至主要设备,更可能的是需要把系统中所有设备包括线缆整体升级,所花费的成本绝对不少于重新建设一个全新的监控系统。
    960H模拟高清解决方案
    根据统计,目前虽然IP高清风起云涌,但是模拟摄像机仍然占用将近八成的市场份额,众多模拟摄像机生产商不甘心这么早退出市场,作为应对策略同时也为了更好的满足高清市场的需求,960H模拟高清技术应运而生。目前市面上主流的960H摄像机是采用SONY EffioTM 系列DSP配合SONY 960H sensor 这一组合方式。其中EffioTM是 Enhanced Features and Fine Image Processor的缩写,是一款具有强大图像处理能力的DSP芯片。
    EffioTM系列DSP分为3个版本,分别是Effio-E(入门型)、Effio-S(高性能)以及Effio-P(高性能且支持宽动态)。其中入门型E搭配960H CCD 的方案以其较低的价格、优秀的性能成为目前高解析度摄像机中应用最广的方案,而支持760H和960HCCD的S型,产品功能更加丰富,价格也高出不少,一般用于中高端用户。P型方案强化了宽动态功能,其支持760H WDR/NORMAL CCD和960 H WDR/NORMAL CCD,性能与S型相当,区别是进一步优化了宽动态功能,更适合对宽动态有特殊要求的场合。
    根据相关厂商的介绍,960H高解析度摄像机的技术优势目前主要体现在以下几个方面。
    1. 清晰度更高,细节更加细腻。960H摄像机在彩色状态下的线数高达650线,黑白状态下可达700线,相比普通模拟摄像机,清晰度有较大的提升。其高线数主要通过960H的sensor实现,后台DSP内置算法也对图像有一定的锐化作用。
    2. 灵敏度更高,低照度更好。通过搭配SONY最新的SUPER HAD CCD,此类摄像机的低照度效果有了较大的提升,这点也主要是通过sensor实现,DSP内置相关算法同样对摄像机的低照度效果起到了强化的作用。
    3. 更优秀的宽动态功能,Effio-P的DSP强化了宽动态功能,配合双速CCD或者普通CCD,均可实现优异的宽动态效果。
    EffioTMDSP的图像处理能力有较大幅度提升,除能实现以上功能之外,还能实现较好的色彩还原以及数字降噪功能。
    960H模拟高清之系统分析
    960H模拟高清解决方案的主要卖点在于:原有模拟系统可通过更换前端摄像机,快速升级为准高清的监控系统,即原有的线缆和相关设备可以继续使用。对于面临升级改造但预算有限的用户,这确实是一个较好的高清升级解决方案。
    具体产品推广时,几乎所有厂商都是将摄像机通过一段短的同轴电缆连在监视器上,来展示监控效果,必须承认,其效果的确比普通模拟摄像机有较大的提升。但是,笔者认为,依据前端产品的效果来断定整个系统的优劣显然有些一叶障目,得出的结论似乎也没有说服力。既然做系统,就必须从系统的角度来审视上述情况,这也是进行以下三项分析的原因。
    1、长距离同轴电缆传输带来的高频分量损失
    模拟复合视频信号(CVBS)是由一系列频率不同的正弦波所组成的复杂波形(可根据傅里叶变换分解),这些正弦波的频率范围从0赫兹到8M赫兹,亦即复合视频信号的带宽。在这一系列不同频率的正弦波中,低频部分决定了视频中物体的形状等宏观属性,高频部分则决定了图像的清晰度、图像中物体的细节、以及图像的色彩信息。
    复合视频信号通常在同轴电缆上传递,也就是说所有频率的信号都会在同一根线缆上传输,而在同一段介质上传输时,高频信号总是衰减得更快。就好像长距离赛跑比赛中,类似高频的短跑选手因为消耗大,难以战胜代表低频的长跑选手。在模拟监控系统中,负责信号传输的同轴电缆,一般短则几十米,长则数百米,一旦距离达到某个临界值,复合视频信号中的高频分量将有明显的衰减。这也是为什么前端原始信号经过数百米的同轴电缆的传输后再用监视器看,画面的颜色通常会变淡,图像似乎也不那么清晰了。如前所述,对于复合视频信号,决定清晰度和色彩的高频分量,更容易在介质中损失,从而造成上面所描述的结果。
    从本质上来说,960H摄像机输出的信号还是复合视频模拟信号,不同的是,其输出的信号中高频信号的频率比以往普通模拟摄像机更高。过去的760H摄像机输出的最高频率约为7MHZ,按照1MHZ相当于80TVL进行换算,其画面清晰度在560线左右;而960H的最高频率在8MHZ甚至更高,也就是说,其直接输出的视频清晰度在650线到700线左右。注意,笔者在这里强调了“直接输出”,而不是说最终显示的效果。因为对于一个监控系统,没有人拿一个摄像机连一段很短的视频同轴电缆然后直接接在一个监视器上去看效果,摄像机和后端之间,还是要通过较长距离的传输介质的,而决定清晰度的高频分量将在这段介质上不可避免的损失掉一部分或者全部。简言之,即使960H高清摄像机具有更高的像素,通过一段长距离的同轴电缆传输后产生的清晰度效果可能和760H普通模拟前端的清晰度效果差不多。解决之法是在系统构建时,让960H摄像机输出的视频在尽可能短的距离就接进光端机来传输。
    2 、中间设备对高频分量的截止
    因为视频信号从前端摄像机输出后还要至少经过视频分配器、矩阵后(也可能有光端机,防雷器等设备)才能在监视器上显示,而这些设备对高频信号都可能产生截止作用。
    模拟监控时代,摄像机输出信号中最高频率约在6到7MHZ左右,因此模拟监控设备最高只能支持7MHZ左右的视频信号频率,这就意味着,即使有高于此频率的信号分量输进设备,也将被截止掉。所以输入的信号清晰,但是输出后不能保持最佳的清晰度。图1是某款著名矩阵的相关参数:

对两种非IP类高清解决方案的再思考

这款矩阵允许通过的视频带宽是5HZ到8MHZ,也就是说高于8MHZ的高频分量将被截止。用同样的方式去检查原有模拟监控系统中所有相关设备,根据木桶理论,在信号传输的路径上只要有一个设备的带宽不满足要求,即使其余设备再优秀最后呈现的结果也必然无法达到预期值。考虑到仍在使用的许多模拟监控系统年代久远,搭载的设备难免参差不齐,因此采用960H高清对老模拟监控系统升级后的效果,难以预期。
    3 、多端DVR必须同时升级
    这一点其实是第二点的延伸。众所周知,对于监控系统,视频资料的保存在某种意义上比实时监看更重要,原有的模拟监控系统如果通过更换960H高清前端来升级,那么存储部分,原来的DVR能否保证录制的视频也能达到960H?
    答案是否定的,受到编码设备的限制,普通DVR最高支持D1分辨率,所以即使前端升级为960H摄像机,也只能实现D1的录像效果。这个问题的本质是DVR的输入端口对输入信号中高频分量的截止,要想改变就必须改进DVR,使设备输入端口的带宽提升,能接纳更高频率的信号并实施压缩编码,这就是WD1的DVR,但目前这种DVR还比较少见。
    假设更换了960H的前端后,显示的效果真的得到了提升,也暂时不论单单提高显示效果是否有意义。如果既要保证显示效果又要保证存储效果,那么除了更换前端之外还要更换DVR,由此产生的成本已经失去了960H所宣传的低成本升级高清系统的初衷,这还没有考虑到为保证显示的效果可能要实施的线缆更换,中间设备更换的费用,所有的这一切加起来,说到底,要彻底保证960H模拟高清的效果,原有的系统有可能要重新彻底改造,有这个花费,大可以直接上IP高清系统。
    另一方面,960H解决方案刚提出时,市场上只有少数几家厂商推出了这种高线数的模拟前端,从而在某些商务的层面占得了先机,随着越来越多厂商采用这种方案生产相应的产品,笔者认为960H模拟高清解决方案以及产品正在失去原有的商务层面的意义,而逐渐演变为价格的竞争。
    笔者并非否定960H模拟高清本身的意义和价值,只是客观对960H应用到系统实际中后所面临的若干问题探讨,所得出的结论并不一定对,但是笔者坚持认为,这种分析和探讨绝对是有必要的。
    HD-SDI解决方案
    SDI即serial digital interface,就是数字非压缩技术,来自广电领域。视频经过模数转换后,有2条路可以走,压缩或者非压缩。IP监控需要压缩,其好处是大量节约带宽,使视频在IP网络上传输成为可能,同时约束视频资料的存储容量,代价是视频质量的下降、操控存在延时性以及开放性架构无法避免的隐患。非压缩就是所谓的数字非压缩技术,其标准有很多种,比如常见的HDMI,DVI 和SDI。此技术中视频模数转换后不再压缩,只是按特殊方式编码(此编码不同于压缩编码,不存在有损压缩的过程)。非压缩的好处是视频质量最大限度的保真,且几乎没有延时(40ms),代价则是视频信号数据量极大。
    SDI目前根据视频分辨率和帧率可分为3个标准:
    SD-SDI 即标清SDI。主要对针对标清分辨率,每秒25帧或30帧(分辨是PAL制和NTSC制,下同)。模数转化后的视频带宽大致为250Mbps左右(如果是16:9,则为360Mbps左右);
    HD-SDI 即高清SDI,这个标准主要针对分辨率为1080P,帧率为25或者30,模数转换后的数据量为1.485Gbps;
    3G-SDI,高清高帧率SDI,分辨率仍为1080P ,但是帧率增大到50或者60,模数转换后的数据量大致为2.9Gbps。
    由以上三个标准可知视频模数转换后不经过压缩的原始数据量是很大的,如此大的数据量IP网络根本无法承载,若直接存储其容量亦将十分惊人。
    由于标清视频几乎全都采用模拟方式,所以在监控领域SD-SDI 意义不大,而3G-SDI数据量太大,如此高的帧率在监控领域也无必要,故3G标准的SDI也不大可能广泛用,真正可能在监控领域中广泛运用的是HD-SDI标准,这种标准在提供分辨率为1080P帧率达到25或者30的高清视频的同时,最大限度的保留的视频的所有细节,同时操控的延时性几乎等同于模拟系统。HD-SDI的这一特点在目前来说是独树一帜甚至无可匹敌的。
    和960H模拟高清类似,HD-SDI解决方案的提倡者也认为此方案能在原模拟监控系统的基础上,花费尽量少的成本来升级为真正的全高清系统。HD-SDI系统的优势可归纳为以下几点:
    无中继传输距离可达100米,线缆使用高品质同轴电缆(RG58\59),接头使用高品质BNC接头。这些都是和以前的模拟监控系统完全兼容的,原有模拟监控系统理论上只要保留传输线路就可以升级为SDI系统,当然原模拟系统中几乎所有设备都要同步更新为相应的SDI设备,比如SDI前端、SDI光端机、SDI视频分配器、SDI矩阵、SDI-DVR等。新构建的系统结构几乎完全类似于原模拟系统,为工程商设计施工提供了很大的便利;
    不失真的可靠度,HD-SDI不像IP系统那样视频资料是压缩后以封包方式在网络上传输,HD-SDI视频以未经压缩的信号在同轴电缆上专线传输,稳定可靠,不失真;
    高清等级的实时图像,SDI在视频产生和传输过程中没经过压缩和封包化以及解码的过程,不产生IP高清图像的延时,在讲究实时监控的场合特别合适,如赌场,交通;
    可在同轴电缆上做多工传输。同轴电缆上不但可以传输视频,还可以传输音频,这样模拟系统中的视频矩阵和音频矩阵就可以合二为一了,同时SDI标准还支持在同轴电缆上传输控制信号,未来PTZ的信号也可以通过同轴电缆传输,不用再敷设控制线缆,电源也极有可能通过同轴电缆传输,这样,真正实现一根同轴电缆传输多种信号,节省布线成本;
    为智能视频分析提供所需的优质视频信号,未压缩的高清视频信号将大大提高智能视频分析的准确性;
    具备和模拟系统类似的信号安全性和系统开放性扩展潜力。
    还需注意的是,HD-SDI视频的确可以通过同轴电缆传输,但是要保证显示效果,对同轴电缆规格的要求很高(笔者最近参加了某地公安天网工程的设备选型测试,有部分厂家拿来SDI的前端参与测试,其工作人员在当地反复买了2次同轴电缆都没法实现SDI信号的传输),要求同样严格的还有相关的接插件,原有普通BNC视频接头在显示HD-SDI时将对显示效果大打折扣。
    原有的模拟监控系统基本都使用了5年以上,有些甚至更长,这些系统中的同轴电缆规格肯定不够高,同时不可避免的存在老化现象,接插件同样存在这个问题,在这样的系统中想仅仅更换SDI设备去实现HD-SDI的效果,笔者认为是不现实的,而如果要全部更换线缆和接插件,那么HD-SDI所宣称的一个很大的优势将不复存在,而新建一个高清监控系统,如果对延时性没有过分严格的要求,为什么不采用IP高清解决方案呢?
    HD-SDI解决方案同样存在视频存储效果低于显示效果的问题,非压缩视频数据量巨大,不经过压缩,基本不具有长时间存储的可能性,而通过编码器或者HD-SDI 硬盘录像机,则保存的视频的画质上已经失去了HDSDI的优势。
    HD-SDI解决方案目前最大的优势就是高清和操控无延时,这个优势只适用于少数对视频的画质和延时性有苛刻要求的用户,对于这部分用户,完全可以按照标准全新搭建一套HD-SDI系统,在已有的少数SDI案例中,确实是这么做的,而对于绝大多数用户来说,IP高清将会是更合理的选择。说到底,IP的开放性太有诱惑了,在网络可达的任何地方,理论上都可以获取希望的视频,这点优势是别的系统无法比拟的。而对于HD-SDI高清解决方案,可以单独构成一套系统使用,但是更有可能的情况是和别的系统结合使用或者作为整个大监控网络中的一个节点。随着技术的进步,IP高清的画质将更好,延时也将更小,而在此之前,HD-SDI将作为某些特种行业的高清过渡解决方案存在,而这种存在很大程度上将是小规模和暂时的。
    结语
    上文仅对两种最近比较热门的非IP高清解决方案从系统应用的角度上做了粗略的分析,分析的结果仅供读者参考。无疑,高清还将是安防监控领域未来一段时间的一个主要话题,面对市场上层出不穷的名词概念以及解决方案,笔者认为,我们还是要勤于思考,保持清醒,这样才不至于被乱花迷了眼,从而更好的指导实际工作。


来源:安防知识网

关键词:高清视频
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