SDI與HD-SDI

　　HD-SDI即高清SDI，是對(duì)廣播電視技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)字演播室串行數(shù)字接口(SDI，Serial Digital Interface)的擴(kuò)展，而SDI的提出則起源于演播室視頻的數(shù)字化傳輸需求。

　　SDI的實(shí)質(zhì)

　　早在1982年，為了統(tǒng)一全世界數(shù)字電視制式，前國(guó)際無線電咨詢委員會(huì)(CCIR)提出了全數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)——CCIR 601建議書(因CCIR后來被合并為國(guó)際電信聯(lián)盟ITU下屬的無線電通信委員會(huì)，簡(jiǎn)稱ITU-R，因此該建議書相應(yīng)改為ITU-R BT.601)，它規(guī)定了演播室分量視頻信號(hào)的編碼參數(shù)，也即對(duì)亮度信號(hào)采用13.5MHz取樣，而對(duì)兩個(gè)色差信號(hào)分別采用6.75MHz取樣，由此形成4:2:2的樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并規(guī)定了取樣點(diǎn)位與模擬視頻信號(hào)的同步定位關(guān)系。然而，為了保證演播室視頻設(shè)備間的有效對(duì)接，ITU-R又根據(jù)美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)和歐洲廣播聯(lián)盟(EBU)基于ITU-R BT.601制訂的相關(guān)傳輸標(biāo)準(zhǔn)(SMPTE 125M和EBU Tech 3267)進(jìn)一步制訂了用于規(guī)范演播室數(shù)字視頻傳輸?shù)膰?guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-R BT.656。

　　ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)要求視頻數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)要最大限度地滿足全世界“525行/59.94Hz”和“625行/50Hz”兩大掃描體系，進(jìn)而明確規(guī)定了在對(duì)這兩大掃描體系的視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)其行、場(chǎng)消隱的時(shí)間基準(zhǔn);規(guī)定了視頻數(shù)據(jù)流可有并行及串行兩種形式，進(jìn)而分別給出了8比特視頻數(shù)據(jù)在并行傳輸及串行傳輸時(shí)的具體格式、串行傳輸時(shí)的比特順序(先傳低位，后傳高位);還給出了同步脈沖信號(hào)的頻率及方波寬度、脈沖沿抖動(dòng)等具體參數(shù)。ITU-R BT.656的最新接口標(biāo)準(zhǔn)支持10比特精度的數(shù)字視頻信號(hào)，當(dāng)用于傳送8比特?cái)?shù)據(jù)時(shí)，需在最低位加兩個(gè)零。

　　Rec.656標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定演播室數(shù)字視頻設(shè)備的物理接口使用11對(duì)雙絞線的25針“D”型接插座(其中10對(duì)線用于傳輸10比特的并行數(shù)據(jù)，第11對(duì)線用于傳輸27MHz的時(shí)鐘;另有1對(duì)線用于系統(tǒng)地，1根線用于電纜屏蔽地)。在傳輸時(shí)以數(shù)字視頻信號(hào)的樣值為單位，按Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，??的順序?qū)⒏鞅忍夭⑿袀鬏?，位速率?7Mbps。在每一電視有效行的開始前和結(jié)束時(shí)，分別有4比特的有效視頻起始標(biāo)志SAV(Start of Active Video)和有效視頻結(jié)束標(biāo)志EAV(End of Active Video)。整個(gè)數(shù)字有效行包括720個(gè)亮度字和720個(gè)色度字(Cb，Cr各360個(gè))。由于數(shù)字分量信號(hào)的EAV和SAV已含同步信息，因而無需再傳送同步信號(hào)，在行、場(chǎng)消隱期間可傳送數(shù)字音頻信號(hào)和其它輔助數(shù)據(jù)。圖1給出了ITU-R BT.656規(guī)定的視頻數(shù)據(jù)流的構(gòu)成，圖中AB為控制字節(jié)(Control Byte)，由值1、F、V、H和4個(gè)誤碼檢測(cè)及校正位組成。

圖1  ITU-R BT.656規(guī)定的視頻數(shù)據(jù)流的構(gòu)成

　　有效視頻(Active Video)部分由720個(gè)Y、360個(gè)Cb和360個(gè)Cr(共計(jì)1440個(gè)樣點(diǎn))組成，而整個(gè)視頻幀結(jié)構(gòu)除了這1440個(gè)有效視頻樣點(diǎn)值外，還包括NTCS制258字節(jié)或PAL制280字節(jié)的水平消隱(EAV和SAV代碼之間的空間)以及垂直消隱(V=1對(duì)應(yīng)的空間)。

　　SDI實(shí)際上就是把ITU-R BT.656規(guī)定的10比特?cái)?shù)據(jù)字的各個(gè)比特以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過單一通道順序傳送(串行傳送)，因此并串轉(zhuǎn)換后形成的串行數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)率很高，達(dá)到270Mbps(相對(duì)于4:2:2取樣的D1格式分量視頻)。

　　在傳送前，需對(duì)原始視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行擾頻，即將輸入數(shù)字信號(hào)除以多項(xiàng)式X9+X4+1，然后再進(jìn)行倒置，用多項(xiàng)式X+1除擾頻后的數(shù)字流，形成NRZI碼，以確保在接收端可靠地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這個(gè)過程從性質(zhì)上說可理解為一種基帶信號(hào)調(diào)制，其標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE 259M和EBU Tech 3267，除了對(duì)上述基于ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn)的4∶2∶2結(jié)構(gòu)的數(shù)字分量視頻外，還包括了含數(shù)字音頻在內(nèi)的數(shù)字復(fù)合視頻，其中對(duì)PAL制數(shù)字復(fù)合視頻的最高傳輸碼率為177.3Mbps(D2格式復(fù)合視頻)，對(duì)NTSC制數(shù)字復(fù)合視頻的最高傳輸碼率為143.2Mbps(D2格式復(fù)合視頻)。圖2為SDI采用加擾的不歸零倒置碼進(jìn)行傳輸?shù)氖疽狻DI信號(hào)用單根同軸電纜傳送，最長(zhǎng)傳輸距離約為300米。

圖2  SDI采用加擾的不歸零倒置碼進(jìn)行傳輸

　　HD-SDI的高碼率

　　HD-SDI與SDI的基本電氣規(guī)范相同，但其傳輸碼率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SDI。由于在ITU-R BT.1120-2建議書中規(guī)定了高清視頻信號(hào)的亮度取樣頻率為74.25MHz，兩個(gè)色差信號(hào)的取樣頻率分別為37.125MHz，因此HD-SDI的基本碼率達(dá)到了1485Mbps?？紤]到在高頻傳輸情況下傳輸電纜分布參數(shù)的影響，在高清視頻信號(hào)傳輸時(shí)，用電纜的長(zhǎng)度將大大縮短。表1給出了Belden公司數(shù)字視頻電纜的推薦使用長(zhǎng)度。[nextpage]

　　由表1可知，當(dāng)傳輸HD-SDI信號(hào)時(shí)，信號(hào)的有效傳輸距離還不足傳輸普通SDI信號(hào)時(shí)的三分之一，因此，某些廠家宣傳的所謂將傳統(tǒng)安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)為高清監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)不需重置電纜的說法是不成立的，除非原系統(tǒng)的覆蓋范圍很小，電纜長(zhǎng)度在許用范圍內(nèi)。這就意味著，當(dāng)根據(jù)HDcctv規(guī)范去設(shè)計(jì)高清監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，一定要考慮HD-SDI信號(hào)的傳輸距離，一般應(yīng)考慮光纖傳輸。

表1  Belden公司數(shù)字視頻電纜的推薦使用長(zhǎng)度（米）

　　HD-SDI的數(shù)據(jù)傳輸格式與SDI的傳輸格式基本一樣，其亮度信號(hào)Y和經(jīng)過時(shí)分復(fù)用的色差信號(hào)Cb、Cr被處理為20比特字。每個(gè)20比特字對(duì)應(yīng)一個(gè)色差取樣和一個(gè)亮度取樣，復(fù)用組合方式為：(Cb1Y1)，(Cr1Y2)，(Cb3Y3)，(Cr3,Y4)。

　　事實(shí)上，1485Mbps的高碼率僅僅是針對(duì)隔行掃描的1080i視頻格式(每秒25幀/30幀，或50場(chǎng)/60場(chǎng))，對(duì)于質(zhì)量更高的逐行掃描1080p視頻格式(每秒50幀/60幀)，SMPTE還進(jìn)一步制訂了雙鏈路HD-SDI(Dual Link HD-SDI)標(biāo)準(zhǔn)以及3G-SDI標(biāo)準(zhǔn)，見表2。這種Dual Link HD-SDI或3G-SDI標(biāo)準(zhǔn)不僅適合于1080p格式的數(shù)字視頻，也適合于傳送3D立體視頻。

表2 不同的SDI及其對(duì)應(yīng)的碼率

　　HD-SDI在安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)向高清監(jiān)控發(fā)展已是必然趨勢(shì)，將高清攝像機(jī)輸出的非壓縮視頻信號(hào)通過HD-SDI接口直接向中心設(shè)備傳輸顯然也是優(yōu)先考慮的傳輸方案之一，因?yàn)楣J(rèn)的圖像質(zhì)量最優(yōu)的廣播電視演播室用高清攝像機(jī)即采用了HD-SDI傳輸。2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間，所有場(chǎng)館的高清電視轉(zhuǎn)播也都采用了HD-SDI高清視頻傳輸方式。

　　然而，安防監(jiān)控系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)畢竟不一樣，其中最主要的不同就是安防監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像機(jī)數(shù)量太多太多了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于演播室中的廣播電視攝像機(jī)。

　　一般來說，大型電視臺(tái)的大型電視演播室在進(jìn)行綜藝節(jié)目的制作時(shí)，至多也就用到十幾臺(tái)電視攝像機(jī)，然而一個(gè)社區(qū)甚至一個(gè)小超市的安防監(jiān)控系統(tǒng)所用的監(jiān)控?cái)z像機(jī)就很可能超過十幾臺(tái)，更不用說攝像機(jī)數(shù)以十萬計(jì)的龐大的平安城市監(jiān)控系統(tǒng)了。因此，將眾多的監(jiān)控視頻信號(hào)向中心傳輸時(shí)，如果采用HD-SDI傳輸，則每一路視頻就需要一根同軸電纜(借助HD-SDI光纖收發(fā)器，通過光纜傳輸HD-SDI信號(hào)，可相對(duì)較好地解決高數(shù)據(jù)率HD-SDI信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸問題)，因?yàn)镠D-SDI傳輸屬于點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，這使得人們很容易想起傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在中心控制室機(jī)柜下面那些連接前端模擬攝像機(jī)的成束成捆的同軸電纜了。另外顯而易見的是，每一路HD-SDI高清視頻數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求也將是無比巨大的。如此說來，HD-SDI在當(dāng)今安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用不會(huì)是大范圍的，相對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)來說，更不可能是顛覆性的，而應(yīng)是對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)在某一特定需求方面的補(bǔ)充。例如上海世博園電視監(jiān)控系統(tǒng)即是將前端攝像機(jī)的SDI輸出信號(hào)就近傳輸?shù)綌z像機(jī)附件的數(shù)字視頻編碼器，再以壓縮視頻的方式通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸。

　　由上可見，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式以及超大、超寬的視頻數(shù)據(jù)率在一定程度上限制了HD-SDI技術(shù)在安防監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，至少現(xiàn)階段是這樣的。

　　當(dāng)然，相對(duì)于目前已成氣候的基于網(wǎng)絡(luò)的IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，HD-SDI的優(yōu)點(diǎn)也是明顯的，那就是其高質(zhì)量的實(shí)時(shí)傳輸與顯示特性，因?yàn)镠D-SDI信號(hào)為非壓縮、無損、低延遲，可以在顯示時(shí)充分地還原高清圖像細(xì)節(jié)，這對(duì)于車牌識(shí)別、人臉識(shí)別等智能視頻分析應(yīng)用來說無疑是很有意義的。也正是因?yàn)槿绱?，在部分?duì)圖像質(zhì)量及實(shí)時(shí)性要求較高的監(jiān)控項(xiàng)目中采用了HD-SDI傳輸技術(shù)。

　　結(jié)論:按需選配HD-SDI設(shè)備

　　在安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中引入廣播電視領(lǐng)域的HD-SDI技術(shù)，對(duì)提高監(jiān)控圖像的質(zhì)量是極有幫助的，但因其采用的是無損的非壓縮視頻傳輸技術(shù)，帶來了寬帶傳輸及大容量存儲(chǔ)的問題。因此，在實(shí)際的安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求來合理地選配HD-SDI設(shè)備，并與常規(guī)的或IP方式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，比如上述上海世博園的應(yīng)用模式或其他，而不要考慮誰“取代”誰的問題。這樣，既可保證關(guān)鍵視頻的高清晰采集、傳輸與存儲(chǔ)，又不至于使整個(gè)系統(tǒng)耗費(fèi)過多的系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)“把鋼使在刀刃上”的效果。