浅谈HD-SDI技术的创新

　　近两年，源于广电的SDI技术在视频监控领域获得重视，并得到初步的应用。

　　SDI即serial digital interface，通俗而言即是数字非压缩技术。视频经过模数转换后，有两条路可走——压缩或者非压缩，IP监控走的是压缩的路子，其好处是大量的压缩带宽，使视频在IP网络上传输成为可能，同时视频资料的存储容量不至于海量，但是代价是带来了视频质量的下降，操控存在延迟性以及开放性所带来的隐患。如果走非压缩的路子(即数字非压缩技术)，其技术标准也有多种，比如常见的HDMI、DVI和SDI。顾名思义，数字非压缩视频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)。非压缩带来的好处是视频质量最大限度的保真，同时几乎没有延迟，而其带来的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分为3个标准：1SD-SDI即标清SDI,主要针对标清分辨率，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为2.97Gbps。由此可见，视频模数转换后不经过压缩的原始数据量是很大的，如果不经过压缩，如此大的数据量是IP网络根本无法承载的，同时如果直接存储这些数据，存储容量将十分惊人。

　　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也不大可能广泛应用。就目前而言，真正可能在监控领域中打开局面的是HD-SDI，这种标准在提供分辨率为1080P的高清视频的同时，最大限度地保留了视频的所有细节，同时操控的延迟性几乎等同于传统模拟系统。

　　在众多的数字视频非压缩标准中，SDI是最有前途的或者说是最有可能运用于监控领域的，其原因主要是：HD-SDI使用高等级同轴电缆无中继传输的距离达到100米左右，在众多视频非压缩标准中是最远的，为现场使用带来了便利。具体基于HD-SDI的监控系统，其优势主要在于：

　　· 线缆使用高品质同轴电缆，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类设备，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传统模拟系统，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高清图像的延迟，在讲究实时监控的场合特别合适，如赌场、道路交通;

　　· 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，同时SDI标准还支持在同轴电缆上传输控制信号，未来PTZ的控制信号也可以通过同轴电缆传输，无需敷设控制线缆，电源也极有可能通过同轴电缆传输。如此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;

　　HD-SDI系统目前存在的问题

　　· 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。

　　HD-SDI系统目前存在的最大问题有以下几点：

　　1、前端防雷不好解决

　　SDI来自广电领域，主要用于室内环境，并没有大规模用于外场的先例，相关标准的制定也没有考虑工业环境下的应用，相关的防雷技术之前并无储备。SDI电缆传输的是高频数字信号，防雷器的原理和设计与模拟视频完全不同，目前应该说还没有很好的解决方案。针对此问题，可以考虑用光纤解决，安装在外场的摄像机可以就近接入SDI光端机，还可以更进一步，SDI前端直接用光纤端口输出视频信号，一旦使用光纤传输，干扰和防雷就基本解决。即使不用于室外项目，HD-SDI系统也可以用于例如地铁之类的室内项目。

　　2、线缆的等级

　　HD-SDI高清视频信号最好能在专门的SDI线缆上传输以保证视频信号的最好效果，但专门的SDI线缆包括接头都很贵，在实际项目中，如果全部采用专用的SDI线缆将增大建设成本，而经过实际测试，选用高级别的同轴电缆和BNC头也能基本保证视频效果。况且，只要SDI使用逐渐广泛，相关辅材的价格一定会大幅下降。

　　3、存储的解决

　　如上所述，高清非压缩视频信号数据量非常大，用这样的数据量直接去存储的代价是相当大的，所以从实际考虑，视频的存储还是需要进行压缩的，具体来说，可以采用SDI-DVR解决也可以用SDI编码器配合NVR解决。可根据项目实际灵活选择。即使如此，HD-SDI系统相比HD-IP系统的优势也是明显的：在保持存储容量质量一致的前提下，HD-SDI系统在实时操控方面全面胜出，同时，HD-SDI系统由于操控完全无延迟，所以可以做到所见即所存，不会丢失重要的视频。

　　4、矩阵规模

　　目前SDI矩阵的系统规模受制于上游芯片厂商，同时产品的设计和制造技术和模拟矩阵也有很大不同，所以目前大容量的模块化可扩容的SDI矩阵很少，市面上基本都是小规模(64×16等)的产品。不过，这点也不是问题，如果SDI系统能获得广泛的应用，芯片和设计技术都会很快得到突破，大规模的SDI矩阵也很快就会出现。

　　在实际项目中，HD-SDI系统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。

　　上述系统是在IP系统里内嵌了一套HD-SDI系统，满足了用户对系统内部分高清视频画质和操控实时性的需求。

　　对于刚刚兴起的HD-SDI技术，国内众多相关生产厂家，只是在此芯片基础上开发出相应的外部配套硬件和软件平台，并结合国内外技术，自主研发而生产的新一代产品。如何在此基础上提升产品的技术能力，就成为了现实的难题。

　　产品雷同且缺乏精巧和精细是参与众多厂家测评的体会，不是我们的研发能力差多少，而是没有做到精细、精致，就是说细节决定了成功。也就是这最后的一点，成就了高清的最终清晰呈现，就具体产品而言细节部分如下：

　　高清摄像机

　　镜头容易被忽略，而恰恰是镜头与摄像机的匹配决定了高清像素的显示效果，尤其是边缘清晰度更是如此。对于高速球机，内置的变焦镜头也是影响效果的主要原因，尤其是在自动跟踪时候的自动聚焦，和微距聚焦的设置等，很多厂家没有在软件上设置有此功能。变焦镜头的匹配不好也造成清晰度下降。

　　低照度和日夜转换的设计对于日夜转换功能属于扩展性能，主要是存在转换阀值高低不同，转换效果不好，大部分摄像机在8-10Lux左右就开始进行日夜转换，但都没有设计有调节阀值的功能，尤其是球机更是如此，应该针对四季设置自动阀值设置功能可以很好的提升清晰度。此功能尤其是对于大系统更会有突出的效果。

　　ISP处理芯片在清晰度提升过程中与噪声抑制的平衡考虑问题：很多厂家在提升清晰度，也相应抬高了噪声。对于图像画质来说，锐度也是要考虑的重要部分，同时图像的边缘清晰度和层次感也是衡量图像质量好坏的的主要感官指标，因此厂家要综合考虑。在实际测试中经常会遇到对清晰度的提升却忽略了其它，实际观感效果并不见好。

　　后焦调节及安装方式考虑：如后焦调节的结构设计及微调的精准度，座装和吊装的便捷性均在设计中易被忽视。

　　此外，还包括前端防雷问题。

　　最后，产品研发经理位置的关键性。产品开发前期的研发经理，对产品的主要功能，操作，便捷性，实际工程的需要等要给电气工程师，结构工程师，软件工程师提出相应的建议。来避免研发人员出现闭门造车的问题。

　　SDI矩阵

　　SDI矩阵在实际应用中都是用于大系统，一般的SDI摄像机传输距离在100米左右，而大型监控系统的SDI摄像机的传输距离都远远超出100米，因此矩阵输入的补偿就显得尤为重要，借助网络实现远程管理和多级级联控制是很重要的部分，混合式接入模式也是SDI矩阵重要的技术问题。目前对于不同的场合使用的摄像机有多种模式，如传统的模拟摄像机、IP摄像机、HD-SDI摄像机等，每大类摄像机又含有多种格式，因此兼容多类型摄像机也是SDI矩阵的技术难点，尤其是旧系统升级和“平安城市”建设都存在类似问题。软件管理平台的架构和数据存储的管理也是SDI矩阵技术的难点，对于“平安城市”一级的系统，SDI矩阵的软件管理平台和存储管理及光纤接入等就成为必要的技术。

　　随着“平安城市”这样大型建设项目需求的出现，矩阵网络级联系统由中心矩阵和多台节点矩阵组成，每台矩阵均具备独立的IP地址，通过以太网端口进行数据交换。节点矩阵将本地视频输出上传到中心矩阵，并且中心矩阵可以对所有节点矩阵的摄像机进行图像切换和控制。通过增加中心矩阵对节点矩阵的视频下传通道，各节点矩阵可以实现互联互控、跨区域调度。矩阵高清化之后不论是联网还是单机操作，保留了原有的便捷切换控制、图像巡检定位等功能，如报警联动、成组切换等。因此SDI矩阵的技术发展必然是向着城域化、网络化、集成化、光纤化、数字化和广泛兼容化发展。对于旧有的各个系统都可以接入联通。并可以在基于SDI矩阵的软件管理平台下将存储、控制、通信、图像、预警等统一管理，实现数字城管的全方位功能。

　　但是很多厂家在研发时，又重走回模拟矩阵的开发时期的思路，没有继承已有的模拟矩阵中很多强大功能和各种软硬件的优点，浪费了人力物力。

　　HD-SDI DVR

　　高清数据存储及管理设备HD-SDI DVR是伴随着高清HD-SDI摄像机的广泛使用应运而生的。其将DVR和NVR二种不同性质的存储设备的优点集成到一起化身。HD-SDI摄像机适合于大型设备之间的较长距离高清信号传输。因此，HD-SDI DVR设备的存储未压缩、低延迟、易安装等特点就显得尤为突出，正好结合了模拟的无压缩和实时的优点，又结合了网络产品的数字高清管理应用的便捷性。但其仍然采用的是H.264压缩模式进行数据存储和管理。由此引起的回放效果依然会以牺牲清晰度为代价。

　　针对HD-SDI DVR产品来说，在实时显示的时候应尽量保证显示在HD-SDI模式下为好，如何针对SDI模式下多画面分割合成，而不必再采用H.264压缩(此方式会影响高清实际效果)几个数字视频并处理成多画面分割合成后再实时显示成单个画面(包括单一画面显示)将成为今后研究的方向。而对于采用多路环通HD-SDI图像输出形式的DVR也很少见到。对于回放时仍沿用以往的H.264模式进行压缩和存储处理，解压缩后的图像清晰度也是以降低清晰度为代价。众所周知，HD-SDI摄像机传输数据可以达到最高1485Mbps无损1080P的高清数字视频信号，一般传输格式亦采用1920×1080(1080P)，因此如何做到尽量不降低高清数据信号质量，达到存储和显示的高清效果，已成为今后HD-SDI DVR厂家研发的主要课题。否则，HD-SDI摄像机的高清只带来实时显示效果，而对于HD-SDI DVR回放和通过网络浏览画面也就降低了SDI图像的清晰度。为了解决网络瓶颈的问题，目前大多通过网络浏览时采取的是4-8M带宽的存储模式和流媒体技术传输到客户端。不过无论怎样都是以牺牲清晰度为代价的，因此即使前端使用的是HD-SDI摄像机，但到了最终客户端目前也难做到高清的效果，所以对于如何解决最后显示的高清问题，也是今后厂家研发的主要方向。

　　SDI光端机

　　数字信号光纤传输在光纤中只有“有光”和“无光”两种状态，因而对光源的线性要求不高，从而避免了信号在处理过程中的损失。另外，数字SDI光端机比较容易实现多通道、多种信号的混合传输，借助TDM技术就能很容易地实现多通道多种信号的传输。

　　SDI光端机的主要电信号技术参数的特征性能有：传送的信号：800mV的电压摆幅，上升和下降时间小于135ps，允许一些过冲的存在，但不可以超过10%，即80mV。时钟抖动和调整抖动的标准参数分别是定时抖动小于1UI和校时抖动小于0.2UI。但目前某些产品都存在着一定的参数偏离，对远端的接收机输出的图像有些微的影响，因此要求补偿电路的设计做得十分精细和精准。SDI信号经过长距离传输后信号质量会变差，为了补偿长距离传输的损耗并重建视频信号的幅度，需要加入一个额外的电缆均衡器，过冲的调试与设计，调整抖动的设计精准等。

　　前端高清摄像机只表明了信号源的质量，但是在传输到末端的设备后，最终的处理能力和效果也决定了其是否可以显示高清的画面。那么这最后的100米就是我们需要博取的天下!