淺析高清技術的發展及其應用

馬伯康

淺析高清技術的發展及其應用

馬伯康

經過多年的探索和積累，國內在高清圖像技術領域已經掌握了一定的核心技術。高清監控在一些大型項目中的成功應用，標志著高清監控進入一個新的階段。隨著高清產品成本的逐步下降，必將會帶動整個產業鏈的升級。

高清技術的發展和現狀

在消費類領域，高清技術主要應用于廣播電視。由于系統復雜，所以經歷了長達16年的標準化研究，才發展到目前比較成熟的技術和標準體系。如美國的ATSC/HDTV標準，其圖像規范標準包括720p@24/30/60fps、1080i@30fps、1080p@24/30fps等，主要接口標準包括YPbPr/YCbCr、DVI（-D/-I）、HDMI、HD-SDI等。

在工業類領域，高清技術主要應用于對生產過程、精密制造過程的監控。由于系統簡單，導致標準化程度低，圖像分辨率從1024×768到1592×1944不等，幀率也從3fps到60fps不等，主要接口類型包括USB2.0、1394、Camerlink等。

在視頻監控領域，由于系統復雜程度與具體應用有關，無論是在分辨率的定義上，還是在接口類型的選擇等方面，目前均未建立相關的高清標準。結合現有的技術來研制高清/標清監控系統和產品，標清方面從CIF到2CIF再到4CIF/D1，如今已得到普及；對于高清監控，720p、1080i/p、uxga，甚至是更高分辨率，目前也已得到一定的應用，特別是在交通、治安和智能建筑領域內。

目前的監控圖像主要通過CVBS、光纖、以太網進行傳輸，因CVBS無法承載高清圖像，它是否會被消費類接口標準所取代，目前尚未定論。不過光纖、以太網以及高帶寬，均可承載高清圖像。

高清視頻監控系統結構及關鍵技術

高清視頻監控系統結構以遵循傳統監控系統結構、并結合高清技術為原則，其基本框架如圖1所示。

高清圖像的采集以攝像機技術為基礎，包括CCD、CMOS。以CMOS目前的技術而言，因其感光靈明度低（比CCD低10倍），故在低照度下易產生較多噪聲，但CMOS的成本優勢非常明顯。

圖1 高清視頻監控系統框架示意圖

在高清采集方面，另外一個關鍵技術是信號處理技術（Camera Image Single Processing，簡稱ISP），它可實現自動白平衡控制、自動曝光控制、色彩校正、Gamma等圖像處理。

相對于標清產品，高清產品需考慮如下要素：

高數據量：200萬像素@25fps近800Mbps；

接口：SD-SDI（1.485Gbps）、O T（o p t i c a l t r a n s c e i v e r、1.25/2.5Gbps）。

在高清視頻編解碼方面，H.264以其高效編碼已廣泛應用，并被相關監控標準所采納。針對高清圖像，H.264具備更高壓縮效率：通過調整關鍵幀間距、幀類型及幀率，結合不同的解碼輸出接口，可適配不同的顯示應用；通過不同的策略，可進行編解碼的延時控制。

在高清視頻傳輸方面，HD-SDI可用于中等距離傳輸（可做接入），光纖可用于遠距離傳輸（可做接入和匯聚）。接入設備包括編碼器或光端機，匯聚設備包括高清矩陣或IP網絡設備。在高清圖像的核心交換部分，視頻通過IP承載網進行傳輸的應用案例不斷增加，可見交換技術已成熟，關鍵是要保證圖像質量與低延時兩大要素。流媒體技術一如既往地承擔著高清流數據的分發任務，以采用RTP/RTCP協議為主。

在高清視頻存儲方面，從硬盤介質到存儲設備，標清數字監控的錄像問題已經得到解決。那么，高清存儲并發讀寫數據量更大，對存儲設備的讀寫性能要求更高。因此，以下因素將影響到錄像：

編碼效率（空間）；

實時/非實時（空間）；

存儲設備性能（完整性）；

存儲管理機制（完整性/安全性）。

在高清視頻的接收、切換與顯示方面，由于IP交換具有伸縮性好等特點，故適合各種大小規模系統的應用，對于特定應用領域，也有采用數字交換。高清顯示接口包括DVI、HDMI（近距離傳輸）等，根據顯示頻率、分辨率，可調整解碼輸出（通過DSP/FPGA），調整策略可調整畫面的流暢性與完整性。

高清視頻監控工程技術

在系統部署和實施方面，高清采集的部分盡量要“瘦”，這樣系統可靠性能得到有效保證，其它還包括以下好處：

有效減少現場施工、調試工作量；對環境適應性更強；有效降低運維量；前端采集盡量采用光接入方式，這樣可：

不受電磁干擾；不需接地環路；重量輕、線徑小，大大減小線纜鋪設占用的空間；

利用波分復用技術，用一條光纖可進行多信道傳輸；

雙向傳輸也很方便（易于系統擴展）；

隨著日新月異的寬帶技術的發展，光傳輸還可以滿足未來的需要。

高清技術在智能建筑中的應用

同樣一個攝像頭，高清視頻能監控更廣的范圍；同樣的監控范圍，高清攝像頭能監看到更清晰的圖像。所以，在很多體育建筑、醫院建筑以及其他高端建筑的視頻監控中，高清已得到一定的應用。尤其是在各子系統的聯動效應下，對于重點要害部位、建筑物周界等部署高清攝像頭所獲得的更多細節，無疑可使安防子系統發揮更大的作用。

結束語

回顧近十年，監控技術及其產品所發生的變化，是任何人在此前都無法想象的，特別是國內在高清圖像技術方面已掌握了一定的核心技術，并已產品化。同時在應用方面，上海浦東高清監控項目的成功應用，標志著高清監控進入了一個新的階段，高清已逐步應用到各個領域。隨著高清產品成本的逐步下降，相信會帶動整個產業鏈的升級。

作者單位：杭州海康威視數字技術股份有限公司