視頻監(jiān)控在經(jīng)歷模擬時代、數(shù)字時代、網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展后，現(xiàn)在已經(jīng)逐步走入了高清與智能時代。與傳統(tǒng)標清視頻相比，高清在視頻質(zhì)量上有了質(zhì)的飛躍，但就目前而言，要實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)高清呈現(xiàn)，也并非一蹴而就之易事。從視頻監(jiān)控系統(tǒng)中模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)化中，從CIF到D1是一個重要的階躍，從效果來看數(shù)字化視頻影像也可與模擬視頻影像相當，即使達到標準清晰度(即“標清”)，其存儲和傳輸?shù)脑黾訋缀跏欠瓋煞?/p>
若要達到高級清晰度(即“高清”)，其分辨率從720P到1080P@30fps或1080P@60fps，則需要付出很大的投入和代價，因此需要特別關(guān)注數(shù)字視頻編解碼芯片技術(shù)的演變和實際應用。但是，即使前進道路再坎坷，卻阻擋不了芯片廠商在高清編解碼征程上的捷步邁進。當前，除了海思的Hi3520可實現(xiàn)1080P高清編解碼外，TI的TMS320DM6467、富瀚微的FH8735和FH8736以及升邁的GM8180等芯片都已殺進了高清“名人堂”。
目前，市場上主流產(chǎn)品仍然是標清，標清和高清將來仍會長時間共存。Techwell著手從兩方面進行了標清芯片升級：一方面清晰度升級，即將清晰度從D1升級到支持960H格式，如TW2809成功地從D1升級到支持960H，如以前端TV解碼芯片TW2960+TW2809系統(tǒng)方案為例，即給用戶帶來了模擬高清的享受；另一方面是集成前端TV解碼器，即將前端的TV解碼器嵌入到現(xiàn)有的編解碼芯片中，如在推出的TW5866在TW5864的基礎(chǔ)上，包含了8路TV解碼器，既增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性又降低了產(chǎn)品的價格。
而另外一些芯片廠商在平臺的繼承性上給予深入重視，并注重全面挖掘原有芯片的潛力。以TI為例，在IP網(wǎng)絡(luò)攝像機的應用中，其DM365雖說目前已經(jīng)廣泛普及，但仍改芯片為ARM9集成視頻協(xié)處理器并集成有ISP的單片系統(tǒng)，可以支持從D1到720P分辨率，只是主頻不同，而管腳和軟件完全兼容。這樣的兼容性，還延續(xù)到DM368，它可以支持1080P@30fps。
在此全兼容的平臺中，還有DMVA1和DMVA2兩個智能攝像機平臺，前者支持標清而后者支持高清。未來高清1080P@60fps的平臺將延續(xù)同樣的體系結(jié)構(gòu)，只是ARM提高到A8，視頻協(xié)處理器升級，ISP性能增強。同時，還有支持1080P分辨率的DMVA3智能攝像機平臺推出，并沿用原有的應用軟件。特別需要強調(diào)的是，TI的IP網(wǎng)絡(luò)攝像機解決方案也都支持ONVIF和PSIA協(xié)議。
各種技術(shù)在高清攝像機的發(fā)展中爭奇斗艷，各顯神通，其中基于數(shù)字非壓縮信號的HD-SDI技術(shù)，延續(xù)了模擬攝像機的特色，且可以有機地同IP高清進行結(jié)合，也是高清發(fā)展的一個方向。在HD-CCTV良好發(fā)展前景下，富瀚微率先提供了HD-SDI的板卡方案。高清的圖像質(zhì)量至少3倍于D1的圖像分辨率，而富瀚FH8735的優(yōu)良編碼性能為HD-SDI的原始圖像壓縮以及存儲，提供了強有力的保證。
并且，PCI/PCI-E總線可以根據(jù)實際應用來選擇，對于對預覽要求較高的應用，PCI-E的帶寬足以保證高清原始碼流傳輸至HOST端進行后處理。顯然，高清不僅能使監(jiān)控場景中的目標看得清，取證準確，重要的是提供了高質(zhì)量原始圖像的保障，使智能視頻內(nèi)容分析識別更加方便而準確。本文介紹視頻監(jiān)控中SoC芯片的發(fā)展，HD-SDI芯片方案及選擇，HD-SDI在視頻監(jiān)控中的應用，HD-SDI高清攝像機與高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的比較，HD-SDI芯片的問題及發(fā)展方向。
SoC芯片在視頻監(jiān)控中的發(fā)展
在安防市場中，作為產(chǎn)業(yè)上游產(chǎn)品的音視頻編解碼芯片素有DSP、ASIC與SoC之爭。而近兩年來，隨著微電子技術(shù)以及SoC芯片處理技術(shù)的不斷發(fā)展，借助低成本、低功耗、高集成度可以提供更高的處理能力和運算速度等顯著優(yōu)勢，SoC迅速崛起，大有獨霸編解碼芯片市場之勢。因為SoC芯片的出現(xiàn)兼顧了DSP與ASIC兩家之長，彌補了兩者之短，因此被行業(yè)賦予了更大的期待。如SoC具備了ASIC的性能專用特點，具有高性能、低成本、低功耗等特征，同時也保持了DSP的靈活性，并且解決了DSP芯片成本較高的問題。
除了解碼的兼容性和編碼的壓縮質(zhì)量的基本要求，高速的系統(tǒng)架構(gòu)、內(nèi)存頻寬、高效率的DMA控制器，甚至多核的平行處理也是檢驗SoC效能是否優(yōu)秀的關(guān)鍵指標。
SoC芯片是具有多處理器核心的單片集成系統(tǒng)，其中集成有CPU主處理器，所集成的核心既可以是ASIC類的硬核，也可以是DSP或協(xié)處理器類的軟核，甚至也包含其它的專用處理子系統(tǒng)，且集成有豐富的外設(shè)。由于SoC是面向特性應用的片上系統(tǒng)，結(jié)合硬件加速等技術(shù)可以實現(xiàn)H.264的高復雜度的算法運算，并可針對視頻編碼方面進行優(yōu)化，以實現(xiàn)最優(yōu)化效果。視頻的數(shù)字化應用在安防市場中發(fā)展非常迅猛，其中核心的視頻處理起著舉足輕重的地位，因而SoC的閃電式“上位”無疑為視頻監(jiān)控帶來新的活力。
目前，很多半導體方案提供商都在走向SoC，其中就不乏像TI、NXP、ADI以及Techwell等眾多歐美老牌實力派廠家，此外，近年來在中國大陸和臺灣地區(qū)也迅速添入一批SoC新秀，如海思、中星微、升邁、映佳。而在應用上，SoC也在視頻安防監(jiān)控、視頻會議、高清視頻游戲、遠程機房控制、遠程教育和遠程醫(yī)療等應用中得到廣泛認同。
SoC并不是簡單的一個芯片
事實上，SoC并不是簡單的一個芯片，而是一個解決方案。TI的LMH0394提供業(yè)界最長的，可達到200m高清(或400m標清)，其數(shù)據(jù)率達3Gbps，并且最低功耗為115mW典型值。SDI視頻信號的編解碼需要有強大的處理器來處理，DM81xx平臺也可實現(xiàn)這種多路的高清系統(tǒng)。同樣，針對HD-SDI的需求，Techwell也推出基于TW2809的HD-SDIPCDVR廣播級高清產(chǎn)品，它支持720P/1080i/1080P。
國內(nèi)的海思提供了從Hi3512、Hi3515到Hi3516一套完整的高清解決方案。以Hi3512為例，該方案基于ARM9處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成，可編程，支持H.264和MJPEG等多協(xié)議的優(yōu)點，其中視頻處理單元可以支持H.264MainProfile、Baseline、Profile、MJPEG、JPEG等多種協(xié)議實施編解碼；支持1.3MPixels@30fps，支持最大300萬像素的JPEG抓拍；視頻處理單元還可以支持雙碼流編碼等功能。Hi3512方案豐富的外圍接口，方便滿足設(shè)備規(guī)格需求，能有效降低整機BOM成本。
又如TI的DM8168的數(shù)字視頻H.264編碼能力，已經(jīng)飚到三通道1080P@60fps高清，且可支持MPEG4、MPEG2、VC1等視頻壓縮格式，還有能力支持SVAC中國自主知識產(chǎn)權(quán)標準的能力。DM8168還可采用單片實現(xiàn)六通道高清1080P@30fps或720P@60fps編碼、十二通道高清720P@30fps編碼、三十通道D1編碼，支持各種高清或標清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的所有編碼要求。而解碼和編碼也具有相同的能力，這就使之既可以用于開發(fā)多通道DVR和DVS，又能開發(fā)多通道NVR，且都支持高清應用。
此外，DM8168還嵌入強大的主處理器ARMCortexA8，主頻可達1GHz，可以作為產(chǎn)品的核心處理器，運行高速實時操作系統(tǒng)，支持千兆以太網(wǎng)絡(luò)、SATA硬盤接口、PCIe高速總線接口等。由于集成了性能強大的視頻處理子系統(tǒng)，可以實現(xiàn)反隔行處理和圖像增強和降噪功能，并且支持三個獨立圖形層和線性縮放及三個高清或標清的OSD等功能。又由于集成有3D圖形加速器，產(chǎn)品可支持三維菜單界面，為數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品界面帶來全新改觀。
為了滿足不同網(wǎng)絡(luò)帶寬和顯示設(shè)備的需求早先IP監(jiān)控系統(tǒng)往往采用多碼流同時編碼的方式，這無疑增加了數(shù)據(jù)吞吐量。H.264SVC(ScalableVideoCompress，可擴展視頻編碼)提供了一個有效的解決辦法。利用可擴展編碼，編碼器只需要提供一個碼流，人們可以選擇需要的層級(分辨率、幀率等)進行傳輸、存儲和解碼，節(jié)約帶寬和存儲設(shè)備，充分利用原有的非高清顯示器。
顯然，僅有高清還遠遠不夠，高清編解碼芯片需要更高級別的SoC化來增加去隔行、3D降噪、視頻增強等圖像處理和智能識別能力，用以滿足DVR和NVR所需的功能。也就是說，要重點考慮如何提升監(jiān)控效率——智能監(jiān)控。智能監(jiān)控算法提升高清監(jiān)控效率。隨著監(jiān)控攝像頭的增多、金融犯罪手法多樣化，智能監(jiān)控勢在必行。
智能要聚焦于業(yè)務可視化管理，未來智能算法進一步提升內(nèi)容分析可靠性，從監(jiān)控輔助手段升級到支撐業(yè)務流程變革。而且將推進更多數(shù)字視頻監(jiān)控中的增值應用，如智能圖像識別和實時視頻分析，以及車牌識別、人臉識別、行為異常識別等。針對數(shù)字視頻監(jiān)控的智能化需求，通用可編程的高速處理器是最為理想的平臺。TI的DSP已為眾多的開發(fā)者所應用，實現(xiàn)嵌入式智能分析系統(tǒng)。在DM8168平臺中已集成了一個C674x核心的DSP，并可以達到主頻1GHz，而全部資源都可以用作包括智能視頻分析的增值性功能。
全面系統(tǒng)整合云架構(gòu)模式電子系統(tǒng)發(fā)展宗旨之一就是最大限度地簡化電路設(shè)計，達到整體產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性、精度、穩(wěn)定等品質(zhì)指標。然而，剛登上前臺的SoC芯片距離這一目標尚有一段距離。從硬件方面看，高SoC化需要的多個CPU核的協(xié)調(diào)處理，大量的DMA操作以及海量的內(nèi)存數(shù)據(jù)管理，雖然滿足了更多路的編解碼處理性能，但也給編解碼芯片帶來了更高的復雜度和難度，同時穩(wěn)定性問題無可避免；從軟件方面看，底層驅(qū)動和SDK需要提供更多的接口來滿足上層AP的需要。實際上，一個芯片的成功與否，不但要求芯片硬件的性能穩(wěn)定，更需要功能強大的驅(qū)動和SDK的配套支持。
面向安防市場的發(fā)展，系統(tǒng)全面整合集成仍然是未來的發(fā)展方向。對芯片而言，所有系統(tǒng)的單片化解決方案將是必由之路，而體系結(jié)構(gòu)也必將為一致性。視頻編解碼的實現(xiàn)將采用硬件和軟件結(jié)合的方式，這樣才可以滿足各種更新格式視頻壓縮和處理技術(shù)的需要。各種顯示、傳輸和交互接口性能和功能都將繼續(xù)高度集成和提升。因此，未來的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的大量工作，將集中在軟件的系統(tǒng)開發(fā)。從編解碼芯片看，超多路高清編解碼性能的芯片是未來趨勢，且編解碼芯片中集成前后端模塊也是未來發(fā)展方向之一。
HD-SDI芯片方案及選擇
HD-SDI的含義
SDI(serialdigitalinterface)是"數(shù)字分量串行接口"，HD-SDI就是高清數(shù)字分量串行接口。HD-SDI芯片攝像機是實時無壓縮的高清廣電級攝像機，是安防監(jiān)控領(lǐng)域的又一科技進步，因為它能為監(jiān)控中心提供高清晰的圖像來源。實際上，畫面清晰、沒有延遲、方便控制和遠端儲存管理，說起來都容易，但高清化之后就變成難題。不論高清影像是否經(jīng)過壓縮，非網(wǎng)絡(luò)化的圖像信號能傳得多快多即時，能跑到多遠距離，對安全監(jiān)控而言是非常嚴酷的考驗。因此，我們說高清的考驗是傳輸，傳輸越遠就越兇險。正如我們熟悉的SDI，其規(guī)格概念不來自影像領(lǐng)域，而是指一種傳輸方式，是信號發(fā)射與接收端(Tx和Rx)的技術(shù)。
HD-SDI芯片的發(fā)送與接收端方案SDI的功能由不同單元組成，在安防R&D圈中看到的SDI芯片方案，甚至包括FPGA，早在2007年就多已成型。在當時美國的傳播媒體展(NAB2007)中，芯片廠針對3G-SDI(第三代序列數(shù)位介面)各自推出不少解決方案。這些公司包括Gennum(現(xiàn)已并入Semtech)，NationalSemiconductor(NS，現(xiàn)并入德州儀器)、Altera與Xilinx等。其中，Gennum日后發(fā)展出GV7600/GV7601芯片在安防之所以有名，除了是HDcctv的推動主力，另一方面也是率先將Tx和Rx等離散型的芯片架構(gòu)整合為一的緣故。例如其發(fā)射端(Tx)的芯片就是串列器(Serializers)加上電纜驅(qū)動器(CableDrivers)，而接收端(Rx)芯片即為解串列器(Deserializers)加上電纜等化器(Equalizers)，可精簡攝像機和DVR的設(shè)計。
目前，HD-SDI在發(fā)送端主要應用于攝像機等前端采集設(shè)備，攝像機的CCD或CMOS圖像傳感器采集信號后，未經(jīng)壓縮的高清視頻信號傳輸方式有模擬和數(shù)字兩種。模擬傳輸一般采用YPbPr分量傳輸，一路高清視頻信號需要三根同軸線纜同時傳輸。數(shù)字傳輸一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，中間加中繼放大器，最遠也只有幾十米左右，不適合用于監(jiān)控圖像的遠程傳輸，通常被應用在演播控制室內(nèi)設(shè)備間的連接和信號傳輸。而HD-SDI信號可以傳輸百米左右，并可采用CVBS同軸電纜傳輸，接口為常用的BNC，所以通常被應用在現(xiàn)場采集設(shè)備與百米內(nèi)的控制設(shè)備間的信號傳輸連接。現(xiàn)在，國內(nèi)已有不少安防廠家推出了自己的SDI接口高清攝像機，可以實現(xiàn)1080P25高清顯示。
攝像機的圖像傳感器，相當于人的眼睛，主要完成光學圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號。但在實際的應用場合，使用CCD圖像傳感器遠遠不能滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS圖像傳感器則沒有CCD的“瓶頸”問題，它能夠在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清影像，也能滿足高清HDV的需求；并且，CMOS對抗CCD的優(yōu)勢在于成本低、耗電少，可以與視頻處理電路同處于一個芯片上；由于CCD成像時，需AFE模擬前端將CCD圖像信號數(shù)字化，并產(chǎn)生CCD控制時序，而CMOS型成像器件，則可直接輸出數(shù)字信號，故不需要AFE模擬前端。因此，對于HD-SDI攝像機，CMOS圖像傳感器更加適合。從目前的市場情形來看，隨著光電成像技術(shù)的發(fā)展，在專業(yè)和家用攝影、攝像器材領(lǐng)域中，CMOS圖像傳感器已可能完全替代CCD圖像傳感器。
CPU作為整個高清攝像機核心器件，相當于人的大腦與心臟，HD-SDI高清攝像機不經(jīng)編碼壓縮，以原始數(shù)字信號，經(jīng)HDMI或HD-SDI口輸出。總體來說，CPU不僅具有圖像處理和編碼功能，還要完成高清攝像機系統(tǒng)控制及計算，充當整個系統(tǒng)的中央處理器。
目前，“高清視頻、高清音頻”在安防行業(yè)的呼聲很高，針對前端攝像機，越來越多的廠家傾向于采用具備高像素密度和高動態(tài)范圍的產(chǎn)品，這就意味著數(shù)據(jù)量會越來越大，需要CPU的處理能力更強，尤其是針對并行數(shù)據(jù)處理，采用DSP/ASIC/ASSP的視頻攝像機則顯得“心有余，而力不足”。而FPGA產(chǎn)品固有的并行性和可編程性，恰好能夠為廠商提供各種性能，以滿足市場的需要。目前，在所有的低成本FPGA系列中，CyloneIII器件具有最大的存儲邏輯比和DSP邏輯比，最適合HD-SDI攝像機等視頻處理應用。
信號輸出接口包括串行器(Seralizer)、電纜驅(qū)動器CD(CableDriver)等電路，其中串行器也稱之為發(fā)送器(Transmitter)，主要實現(xiàn)將CPU輸出的10BIT/20BIT視頻數(shù)據(jù)按SMPTE規(guī)定的編碼標準調(diào)制成標準SDI信號發(fā)送出去。為了增加傳送距離，通常會帶一個電纜驅(qū)動器，無需增加傳送距離，也可以不用。
由于部分半導體廠家如NS、GENNUM等，不同廠家的三個不同速率的均衡器(EQ)管腳封裝都是一樣的，各芯片都是向下兼容的，如支持3G速率、HD-SDI，只需更換相應的均衡器EQ型號，硬件設(shè)計與PCB都不需要做改動，從而可大大降低研發(fā)成本。
HD-SDI芯片的類型
在安防運用上，要實現(xiàn)這種傳輸架構(gòu)，除了同軸纜線(包括接收端設(shè)備內(nèi))和BNC接頭，它主要是靠幾個芯片共同組成。以TI(NS)推出的芯片種類表示，包括電纜等化器(Equalizers)、電纜驅(qū)動器(CableDrivers)、時脈重整器(Reclocker)、串列器(Serializers)、解串列器(Deserializers)、影像時序控制器(VideoTiming)和其他特殊控制功能的IC等。這就表示在HD安防的SDI芯片陣營中，就可粗分為如Semtech(Gennum)的整合型和TI(NS)的離散式等兩種典型。其余還有EqcoLogic和Mindspeed等公司推出的分離型元件。
至于SDI芯片的另一種區(qū)分法，尤其在安防中會比較明顯的，就是單路和多路的差別，主要是指高速解串列器(Deserializers)方面，是否有4路整合的情況。目前，所知能夠有4路的方案，如Lattice、Altera和Xilinx，大多由FPGA擔綱；即使有如韓國SiliconGear公司開出整合HD等級MUX與4路解串列器單顆芯片，其實里面仍為FPGA本質(zhì)。至于真正能有ASIC是4路合1，或許等市場更穩(wěn)定成熟，就會有些安防老牌芯片廠推出產(chǎn)品。特別值得指出的是，等化器(Equalizers)則不適宜作多路整合，因為它牽涉到過于密集的電路布線與干擾等問題。
此外，SDI包括CableDriver和Equalizer等元件，都含有混合信號技術(shù)，在并入德州儀器(TI)以前，NS就是知名的類比芯片供應廠。而眾所周知，原本TI在數(shù)位方案，包括DSP/SoC等許多方面，對于安防IP攝像機和DVR/NVR設(shè)備主控芯片端，就已具備強大的支持力道，在安防業(yè)界起指標性作用。合并NS除了讓TI的整體類比芯片實力壯大，事實上對HD安防的設(shè)計方案更別具意義。
細究SDI技術(shù)領(lǐng)域，各種透過IC半導體來實現(xiàn)HD傳輸?shù)姆绞剑@然已呈現(xiàn)多元的樣貌；當然也有很多人討論到這樣的高畫質(zhì)信號，或許可采用HDMI或是DVI的通道，如單以HD-SDI來定義這種不壓縮的高畫質(zhì)方案不恰當。基于信號格式傳輸及方便施工與替代性，以BNC這樣的SDI連接器，對監(jiān)控應用最有利，相對也就被大量采用，并成為HDcctv聯(lián)盟極力推動的一種標準格式。
HD-SDI芯片方案及選擇
HD-SDI芯片更好的畫質(zhì)，更低甚至可以忽略不計的延時，與原有模擬系統(tǒng)良好的兼容性等，引起了多家芯片廠商的注意，安霸、TI、海思等廠家都加入了HD-SDI芯片市場的角逐，Gennum不再是一枝獨秀，從而促使HD-SDI芯片方案在結(jié)構(gòu)及成本上出現(xiàn)差異化競爭。
ISP方案的推出，也讓SDI攝影機廠商在組件上的選擇更多，從而更好地體現(xiàn)了差異化。在此強調(diào)的是，我們對芯片的觀察也不能停留在單一芯片上，而是整體的芯片方案，需要觀察組件的搭配，以SDI攝像機來看，芯片、傳感器及ISP(DSP)共同影響著其產(chǎn)品形式和成本。目前，市場上主要有以下4種HD-SDI芯片方案。
CMOS圖像傳感器+ISP+Encoder方案
第一種方案采用專用的ISP處理芯片和編碼處理，該方案較靈活，采用專用的ISP芯片穩(wěn)定性好，能夠保證圖像的質(zhì)量，但非VLDS真實高清@60fps；
CMOS圖像傳感器+(ISP+CODEC)方案
第二種方案采用集成ISP的編碼芯片，該方案靈活性次于第一種方案，且集成的ISP處理芯片穩(wěn)定性雖高，但圖像質(zhì)量一般、成本較高；
CMOS圖像傳感器+FPGA方案
第三種方案采用FPGA等芯片實現(xiàn)信號處理及編碼功能，該方案靈活性最強，但是穩(wěn)定性差、成本最高、圖像質(zhì)量難于保證；
CMOS圖像傳感器+ISP+SDITx方案
第四種方案采用專用的ISP處理芯片和SDI發(fā)射芯片，該方案較靈活，采用專用的ISP芯片穩(wěn)定性好，能夠保證圖像的質(zhì)量，可提供高清@60fps。
由此可見，各種搭配都有優(yōu)劣，更為優(yōu)秀的畫質(zhì)是HD-SDI的重要亮點，從其芯片方案上也可以看到，HD-SDI中的ISP多由獨立的芯片進行處理，而非集成到編解碼器CODEC上。
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