淺談高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

文│ 北京石油化工工程有限公司 蔡 濤

淺談高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

文│ 北京石油化工工程有限公司 蔡 濤

隨著高清視頻技術(shù)相關產(chǎn)品的問世，視頻技術(shù)為各個領域的應用提供了更廣闊的平臺。此文將針對高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建方面做基本闡述。

高清視頻；監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

1 引言

高清視頻技術(shù)越來越多地應用在工業(yè)及民用中，并被大多客戶所認可，高清所帶來的超高畫質(zhì)、超寬場景給人以極大的視覺感受。高分辨率是視頻領域一直追求的目標，在保持掃描格式不變的條件下，其分辨率不斷提高。對模擬高清攝像機而言，其分辨率可達600TVL～700TVL；而數(shù)字高清攝像機的像素可達130萬、500萬，甚至更高，隨著高清攝像機技術(shù)日漸成熟，無論運用于監(jiān)控領域，還是視頻會議系統(tǒng)等領域，其圖像效果將得到較大改善。

2 系統(tǒng)組成

典型的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通常由前端、傳輸、顯示、存儲設備組成，如圖1所示。用戶根據(jù)需求加入視頻控制、視頻管理等功能，對視頻顯示的清晰度并不產(chǎn)生影響。

圖1 高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)

（1）前端設備

高清圖像效果的保證首先來源于高清信息的采集，如沒有采集前端高清信息的視頻信息，后端的高清效果則無從談起。

模擬攝像機電視線數(shù)（即TVL）是由廣播電視行業(yè)引用而來。通常，專業(yè)檢測電視線數(shù)的方法是采用燈箱式線數(shù)測試卡測試，將攝像機置于彩色狀態(tài)，將監(jiān)視器設置黑白狀態(tài)，使線數(shù)測試卡完全顯示在攝像機鏡頭中，人眼能識別出最高等寬漸變線所對應的數(shù)值，即TVL。通常，模擬高清攝像機的標準在600TVL以上。

數(shù)字攝像機的分辨率即為像素數(shù)，是用來計算數(shù)碼影像的一種單位。對IP攝像機而言，就是所輸出圖像在水平和豎直方向的像素的數(shù)量表示。通常，數(shù)字高清攝像機的標準在720p或100萬像素以上。

無論是數(shù)字型還是模擬型，其攝像機的清晰度主要取決于感光芯片。目前，感光芯片主要有CCD和CMOS兩種。

CCD是電荷耦合器件，一種可以記錄光線變化的半導體成像器件，具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優(yōu)點。CCD對監(jiān)控場景的適應性較強，在低照度條件下效果較好。CCD的規(guī)格由以前的1/4英寸到現(xiàn)在的1/3英寸、1/2英寸不等。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，通過對圖像處理芯片的二次處理，其分辨率可達到720p甚至為1080p。

CMOS是互補性氧化金屬半導體，CMOS與CCD功能相同，都可記錄光線變化的半導體器件。由于工藝水平、圖像處理技術(shù)以及成本等綜合因素的限制，CMOS傳感器最大的缺點是圖像噪點多，低照情況下表現(xiàn)弱；與CCD相比，CMOS最大的優(yōu)點在于其制造原理更加簡單，體積更小，功耗低。在市場應用中，CCD還占據(jù)一定的份額。隨著CMOS工藝的提升以及人們對高清像素需求的提高，CCD必將面臨CMOS在市場應用中的巨大挑戰(zhàn)。

（2）傳輸設備

600TVL及700TVL在實際意義上都被稱為標清攝像機，HD-SDI技術(shù)的出現(xiàn)讓模擬視頻輸出的信號在某種意義上被視為高清視頻信號。

HD-SDI高清攝像機是基于SMPTE（電影與電視工程師協(xié)會）串行鏈路標準，并通過75Ω同軸電纜傳輸末端壓縮數(shù)字視頻的一種高清實時攝像機。基于SDI數(shù)字分量串行接口的高清視頻系統(tǒng)具有圖像無延遲、無壓縮實時傳輸、圖像無損失且不失真等優(yōu)點；電纜傳輸距離達120m，加了中繼器后傳輸距離可達300m。因此，對于遠距離的傳輸信號，需采用SDI接口光端機?？傊?，HD-SDI高清攝像機無論在傳輸、處理、存儲等方面都受限于自身的大數(shù)據(jù)流及昂貴的造價。

數(shù)字高清常見的視頻編碼格式有H.264、M-JPEG、MPEG4等。在這幾種編碼格式中，H.264是目前普遍采用的一種編碼格式，相對于MPEG2、MPEG4而言，其壓縮效率是三種編碼中最高的。

H.264標準由國際電信聯(lián)盟電信標準化部（ITU-T）和國際標準化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）共同研究發(fā)布，因此H.264有兩個名稱，一個是沿用ITU-T組織的H.26x名稱，即“H.264”，另一個則是AVC（高級視頻編碼）。H.264格式的最大特點是在保證畫質(zhì)的前提下，可以把文件大小控制在MPEG2格式的二分之一甚至三分之一。因此，其更高的壓縮比、更優(yōu)秀的IP和網(wǎng)絡信道的適應性，在數(shù)字視頻通信和存儲領域中得到了廣泛的應用。但需要注意的是，H.264增加了計算復雜程度，對H.264硬件提出更高要求。

在傳輸過程中，高清意味著需要更高的帶寬。一般情況下，H.264編碼D1（720×576）畫質(zhì)的碼流在1.5M左右，以1080p計算，畫面尺寸約為D1的5倍，碼流約為5倍。因此，H.264編碼的一個1080p高清畫面所用帶寬約為8M，與D1畫質(zhì)的MPEG2相當。由此可見，高清信號的網(wǎng)絡傳輸并沒有特別的要求。從理論上推算，網(wǎng)絡信號最長距離可傳輸100m，但由于IP網(wǎng)絡普及范圍廣，可就近接入IP網(wǎng)絡實現(xiàn)信號傳輸。目前，在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)多路數(shù)的高清傳輸仍受到限制。因此，在系統(tǒng)規(guī)模較大的工程應用中，仍采用專網(wǎng)或光纖傳輸。

（3）顯示設備

顯示 器 一 般 分為CRT、LCD、LED、PDP四種。隨著前端設備技術(shù)的不斷發(fā)展，顯示設備高清化的速度同樣發(fā)展較快。CRT器件雖然亮度高、反差大、色彩還原好，但由于受到自身重量、體積、能耗等因素影響已逐步退出市場。LCD、LED、PDP器件由于采用逐點顯示方式，具有圖像細膩、無閃爍現(xiàn)象、低耗節(jié)能的特點。其中，LCD/LED顯示器具有輕薄、省電的特點，而PDP以高亮度、大尺寸為特色。

通常，在一級監(jiān)控中心多數(shù)采用大屏幕拼接顯示裝置。在拼接屏中，DLP發(fā)展時間較長，亮度雖略低，但后期維護較為麻煩；LCD/LED拼接的間隙雖比DLP略顯寬，但后期維護比較方便。上述各種顯示單元均可滿足1080p的使用要求。

高清數(shù)字視頻顯示需經(jīng)過高清解碼器或高清網(wǎng)絡矩陣處理完成，以實現(xiàn)其高清輸出。目前，高清輸出接口包括VGA、HDMI等，其中VGA較為常見，應用范圍比較廣，造價也相對便宜，但傳輸距離較近；而HDMI接口的特點預示著高清顯示接口的發(fā)展趨勢，其最大優(yōu)點是色彩還原度高，畫質(zhì)無損耗。

（4）存儲設備

高清平臺的存儲設備包括NVR和IPSAN兩種，存儲方式包括分布式存儲和集中存儲兩種。其中NVR作為未來的主流產(chǎn)品，在高清網(wǎng)絡攝像機的普及中扮演著重要角色，NVR的主要功能是對數(shù)字視頻流進行錄像、存儲，并提供實時顯示和代理轉(zhuǎn)發(fā)等功能；多采用嵌入式架構(gòu)，硬解碼支持多路網(wǎng)絡標清或高清攝像機接入。

隨著高清視頻系統(tǒng)的普及與存儲要求的加大，IP-SAN作為高清存儲的另一個重要設備，在采用集中存儲的系統(tǒng)中得到廣泛應用。IP-SAN通過采用IP構(gòu)架的以太網(wǎng)進行傳輸，具有良好的擴展性、共享性和較低的成本，是目前多路高清監(jiān)控存儲系統(tǒng)采用的主要技術(shù)之一。當以常見的硬盤作為存儲介質(zhì)，其容量最小為TB級別，隨著2TB硬盤甚至更高容量的產(chǎn)品相繼推出，高清監(jiān)控系統(tǒng)PB級海量存儲應用也越來越廣泛。

3 結(jié)束語

隨著高清視頻技術(shù)的不斷進步，其中所需要解決的問題（如帶寬、顯示和存儲等）仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。就終端用戶而言，除了追求高清視頻技術(shù)的高清晰度、存儲量大等目標外，同時，對利用高清視頻技術(shù)構(gòu)建的高清監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和價格的合理性仍有更高的期待。

10.13655/j.cnki.ibci.2014.03.009