浅析HD-SDI及在视频监控的应用 - 安防知识网

HD-SDI即高清SDI，是对广播电视技术领域的数字演播室串行数字接口(SDI，Serial Digital Interface)的扩展，而SDI的提出则起源于演播室视频的数字化传输需求...

　　SDI与HD-SDI

　　HD-SDI即高清SDI，是对广播电视技术领域的数字演播室串行数字接口(SDI，Serial Digital Interface)的扩展，而SDI的提出则起源于演播室视频的数字化传输需求。

　　SDI的实质

　　早在1982年，为了统一全世界数字电视制式，前国际无线电咨询委员会(CCIR)提出了全数字演播室标准——CCIR 601建议书(因CCIR后来被合并为国际电信联盟ITU下属的无线电通信委员会，简称ITU-R，因此该建议书相应改为ITU-R BT.601)，它规定了演播室分量视频信号的编码参数，也即对亮度信号采用13.5MHz取样，而对两个色差信号分别采用6.75MHz取样，由此形成4:2:2的样点结构，并规定了取样点位与模拟视频信号的同步定位关系。然而，为了保证演播室视频设备间的有效对接，ITU-R又根据美国电影电视工程师协会(SMPTE)和欧洲广播联盟(EBU)基于ITU-R BT.601制订的相关传输标准(SMPTE 125M和EBU Tech 3267)进一步制订了用于规范演播室数字视频传输的国际标准ITU-R BT.656。

　　ITU-R BT.656标准要求视频数据流结构要最大限度地满足全世界“525行/59.94Hz”和“625行/50Hz”两大扫描体系，进而明确规定了在对这两大扫描体系的视频信号进行数字化时其行、场消隐的时间基准;规定了视频数据流可有并行及串行两种形式，进而分别给出了8比特视频数据在并行传输及串行传输时的具体格式、串行传输时的比特顺序(先传低位，后传高位);还给出了同步脉冲信号的频率及方波宽度、脉冲沿抖动等具体参数。ITU-R BT.656的最新接口标准支持10比特精度的数字视频信号，当用于传送8比特数据时，需在最低位加两个零。

　　Rec.656标准规定演播室数字视频设备的物理接口使用11对双绞线的25针“D”型接插座(其中10对线用于传输10比特的并行数据，第11对线用于传输27MHz的时钟;另有1对线用于系统地，1根线用于电缆屏蔽地)。在传输时以数字视频信号的样值为单位，按Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，⋯⋯的顺序将各比特并行传输，位速率为27Mbps。在每一电视有效行的开始前和结束时，分别有4比特的有效视频起始标志SAV(Start of Active Video)和有效视频结束标志EAV(End of Active Video)。整个数字有效行包括720个亮度字和720个色度字(Cb，Cr各360个)。由于数字分量信号的EAV和SAV已含同步信息，因而无需再传送同步信号，在行、场消隐期间可传送数字音频信号和其它辅助数据。图1给出了ITU-R BT.656规定的视频数据流的构成，图中AB为控制字节(Control Byte)，由值1、F、V、H和4个误码检测及校正位组成。

图1 ITU-R BT.656规定的视频数据流的构成

　　有效视频(Active Video)部分由720个Y、360个Cb和360个Cr(共计1440个样点)组成，而整个视频帧结构除了这1440个有效视频样点值外，还包括NTCS制258字节或PAL制280字节的水平消隐(EAV和SAV代码之间的空间)以及垂直消隐(V=1对应的空间)。

　　SDI实际上就是把ITU-R BT.656规定的10比特数据字的各个比特以及相应的数据通过单一通道顺序传送(串行传送)，因此并串转换后形成的串行数字信号的数据率很高，达到270Mbps(相对于4:2:2取样的D1格式分量视频)。

　　在传送前，需对原始视频数据流进行扰频，即将输入数字信号除以多项式X9+X4+1，然后再进行倒置，用多项式X+1除扰频后的数字流，形成NRZI码，以确保在接收端可靠地恢复原始数据。这个过程从性质上说可理解为一种基带信号调制，其标准为SMPTE 259M和EBU Tech 3267，除了对上述基于ITU-R BT.601标准的4∶2∶2结构的数字分量视频外，还包括了含数字音频在内的数字复合视频，其中对PAL制数字复合视频的最高传输码率为177.3Mbps(D2格式复合视频)，对NTSC制数字复合视频的最高传输码率为143.2Mbps(D2格式复合视频)。图2为SDI采用加扰的不归零倒置码进行传输的示意。SDI信号用单根同轴电缆传送，最长传输距离约为300米。

图2 SDI采用加扰的不归零倒置码进行传输

　　HD-SDI的高码率

　　HD-SDI与SDI的基本电气规范相同，但其传输码率却远远高于SDI。由于在ITU-R BT.1120-2建议书中规定了高清视频信号的亮度取样频率为74.25MHz，两个色差信号的取样频率分别为37.125MHz，因此HD-SDI的基本码率达到了1485Mbps。考虑到在高频传输情况下传输电缆分布参数的影响，在高清视频信号传输时，用电缆的长度将大大缩短。表1给出了Belden公司数字视频电缆的推荐使用长度。[nextpage]

　　由表1可知，当传输HD-SDI信号时，信号的有效传输距离还不足传输普通SDI信号时的三分之一，因此，某些厂家宣传的所谓将传统安防视频监控系统升级为高清监控系统时不需重置电缆的说法是不成立的，除非原系统的覆盖范围很小，电缆长度在许用范围内。这就意味着，当根据HDcctv规范去设计高清监控系统时，一定要考虑HD-SDI信号的传输距离，一般应考虑光纤传输。

表1 Belden公司数字视频电缆的推荐使用长度（米）

　　HD-SDI的数据传输格式与SDI的传输格式基本一样，其亮度信号Y和经过时分复用的色差信号Cb、Cr被处理为20比特字。每个20比特字对应一个色差取样和一个亮度取样，复用组合方式为：(Cb1Y1)，(Cr1Y2)，(Cb3Y3)，(Cr3,Y4)。

　　事实上，1485Mbps的高码率仅仅是针对隔行扫描的1080i视频格式(每秒25帧/30帧，或50场/60场)，对于质量更高的逐行扫描1080p视频格式(每秒50帧/60帧)，SMPTE还进一步制订了双链路HD-SDI(Dual Link HD-SDI)标准以及3G-SDI标准，见表2。这种Dual Link HD-SDI或3G-SDI标准不仅适合于1080p格式的数字视频，也适合于传送3D立体视频。

表2 不同的SDI及其对应的码率

　　HD-SDI在安防视频监控系统中的应用

　　安防视频监控系统向高清监控发展已是必然趋势，将高清摄像机输出的非压缩视频信号通过HD-SDI接口直接向中心设备传输显然也是优先考虑的传输方案之一，因为公认的图像质量最优的广播电视演播室用高清摄像机即采用了HD-SDI传输。2008年北京奥运会期间，所有场馆的高清电视转播也都采用了HD-SDI高清视频传输方式。

　　然而，安防监控系统与广播电视系统毕竟不一样，其中最主要的不同就是安防监控系统中的摄像机数量太多太多了，远远多于演播室中的广播电视摄像机。

　　一般来说，大型电视台的大型电视演播室在进行综艺节目的制作时，至多也就用到十几台电视摄像机，然而一个社区甚至一个小超市的安防监控系统所用的监控摄像机就很可能超过十几台，更不用说摄像机数以十万计的庞大的平安城市监控系统了。因此，将众多的监控视频信号向中心传输时，如果采用HD-SDI传输，则每一路视频就需要一根同轴电缆(借助HD-SDI光纤收发器，通过光缆传输HD-SDI信号，可相对较好地解决高数据率HD-SDI信号的长距离传输问题)，因为HD-SDI传输属于点到点的传输，这使得人们很容易想起传统监控系统在中心控制室机柜下面那些连接前端模拟摄像机的成束成捆的同轴电缆了。另外显而易见的是，每一路HD-SDI高清视频数据对存储系统的要求也将是无比巨大的。如此说来，HD-SDI在当今安防视频监控系统中的应用不会是大范围的，相对现有系统来说，更不可能是颠覆性的，而应是对现有监控系统在某一特定需求方面的补充。例如上海世博园电视监控系统即是将前端摄像机的SDI输出信号就近传输到摄像机附件的数字视频编码器，再以压缩视频的方式通过网络来传输。

　　由上可见，点对点的传输方式以及超大、超宽的视频数据率在一定程度上限制了HD-SDI技术在安防监控系统中的实际应用，至少现阶段是这样的。

　　当然，相对于目前已成气候的基于网络的IP视频监控系统来说，HD-SDI的优点也是明显的，那就是其高质量的实时传输与显示特性，因为HD-SDI信号为非压缩、无损、低延迟，可以在显示时充分地还原高清图像细节，这对于车牌识别、人脸识别等智能视频分析应用来说无疑是很有意义的。也正是因为如此，在部分对图像质量及实时性要求较高的监控项目中采用了HD-SDI传输技术。

　　结论:按需选配HD-SDI设备

　　在安防视频监控系统中引入广播电视领域的HD-SDI技术，对提高监控图像的质量是极有帮助的，但因其采用的是无损的非压缩视频传输技术，带来了宽带传输及大容量存储的问题。因此，在实际的安防视频监控系统中，应根据应用需求来合理地选配HD-SDI设备，并与常规的或IP方式的网络视频监控系统协调配合，比如上述上海世博园的应用模式或其他，而不要考虑谁“取代”谁的问题。这样，既可保证关键视频的高清晰采集、传输与存储，又不至于使整个系统耗费过多的系统资源，实现“把钢使在刀刃上”的效果。