高清都有哪些传输方案?

2013-01-05 16:32:34来源: 安防知识网

安全监控HD化浪潮一波未平、一波再起,产品规划面更需要找到可靠的技术方案支撑。纯IP监控阵营虽然像水中鲨鱼纷纷冒出头,产品具威胁性,分食商机、扩张领域,虽不一定能闪躲,但若因此看得更明白通透,就更有把握来应付挑战。
 
  在没有谁可压倒全胜的今日,明白彼此强项弱点,便能更快切入适合生存位置。HD作为传统CCTV一种转型出路,我们这回强化来谈HD的传输。
 
  IP摄影的考验往往不在传输,因为IT网通本身即是成熟领域,但画质却最容易让人诟病。至于HD安控系统的关键不只在影像,反而在于传输。 高阶感光组件与图像处理组件近乎唾手可得,但如何用对组件,维持高画质传递,确保长途不失真,就是一门学问。
 
  距离一拖长就感到吃力
 
  画面清楚、没有耽误、方便控制和远程储存管理,说起来都容易,但HD化之后就变难题。不论HD影像是否经过压缩,非IP网络化的影像讯号能传得多快多实时,能跑到多远距离,对安全监控而言是非常严酷的考验。所以我们说HD的考验是传输,传越远就越凶险。正如我们熟悉的SDI,其规格概念就不来自影像领域,而是指一种传输方式,是讯号发射与接收端(Tx和Rx)的技术。
 
  与近几年流行的IP监控Datacom概念迥异,不透过IP网络架构,直接传输HD影像的方式,在CCTV领域迅速延烧。
 
  从Gennum和Stretch主导的HDcctv联盟于2010年点火开始,HD-SDI成为台、中、韩等安控制造重镇的显学。一时之间,观念更新、研发的艰辛、杀出红海的期盼,在安控HD化的过程中交织而纠结。对CCTV族群而言,HD究竟是比较容易,或者其实比较难,是不易回答的论题。包括设备兼容性、影像讯号的纯度、传送的距离、低延时性要求、后端压缩效率、影像分析的效能、电力供应、控制讯号、与IP网络的介接,显示播放的格式,甚至是电子物料成本本身,都已是极大考验。到底目前台面上有几种实现SDI的方案?该具备哪些相关技术?除了SDI还有哪些HD替代架构?实时影像是不是唯一要求?光纤或其他线材有没有机会?
 
  种种HD系统开发上的疑惑,我们透过Tx和Rx的探讨来跨越。
 
  SDI功能由不同单元组成
 
  现今我们在安控R&D圈中看到的SDI芯片方案,甚至包括FPGA,早在2007年就多已成型。在当时美国的传播媒体展(NAB2007)中,芯片厂针对3G-SDI(第三代序列数字接口)各自推出不少解决方案。这些公司包括Gennum(现已并入Semtech),National Semiconductor(NS,现并入德州仪器)、Altera与Xilinx等。其中Gennum日后发展出GV7600/GV7601芯片在安控之所以有名,除了是HDc c t v的推动主力,另一方面也是率先将Tx和Rx等离散型的芯片架构整合为一的缘故。例如其发射端(Tx)的芯片就是串行器(Serializers)加上电缆驱动器(Cable Drivers),而接收端(Rx)芯片即为解串行器(Deserializers)加上电缆均衡器(Equalizers),可精简摄影机和DVR的设计。现任Semtech亚太区业务经理许文隆就表示:「因为我们芯片的成功来自广播电视领域的肯定,因此会有许多客户的研发单位,将我们发表于安控应用的GV7600和GV7601运用在其他相关领域如电视墙、医疗内视镜及Machine Vision等。事实上,例如将HDMI讯号延伸至100米以上的转接器和Extender设备,确实都可以有不错的发挥。」这相当程度批注了Semtech Canada(Gennum)芯片的质量能力。未来
 
  Semtech Canada也将陆续发表植基于现有安控应用芯片的附加功能新芯片,如由监控端透过同一条同轴电缆,向摄影机端传输控制讯号、声音等数据的解决方案。
 
  从技术面拆解来看,SDI全名是串行数字接口,是一系列由 SMPTE(The Society of Motion Picture andTelevision Engineers)电影动画和电视工程师协会所定义的格式。这种SDI标准串行接口都用于传输未压缩且无延时的数码视频讯号,同时能嵌入Audio音讯和Data句柄。SDI标准目前有五种,其中SMPTE-292M标准的 HD-SDI,主要用于广播级视频的数字视频接口,它以1.485Gbit/sec传送720P及1080i的画面格式。
 
  此外,还有俗称为3G-SDI 采用SMPTE 424 M标准规范的高解析晰电视定义格式,可提供 2.970 Gbit/s 为1080P的高速影像数据传输接口。在安控运用上,是采用HD-SDI与3G-SDI居多。而要实现这种传输架构,除了同轴缆线(包括接收端设备内) 和BNC接头, 它主要是靠几个组件共同组成。以T I(NS)推出各别芯片种类表示,包括电缆均衡器(Equalizers)、电缆驱动器(Cabl e Dr i ve r s)、频率重整器( R e c l o c k e r ) 、串行器(S e r i a l i z e r s )、解串行器(Deserializers)、影像时序控制器(Video Timing)和其他特殊控制功能的IC等。这就表示在HD安控的SDI芯片阵营中,就粗分为整合型如Semtech(Gennum)和TI(NS)的离散式等两种典型。其余推出分离型组件,还有EqcoLogic和Mindspeed等公司。


SDI芯片整合程度影响设计
 
  至于SDI芯片的另一种区分法,尤其在安控中会比较明显的,就是单路和多路的差别,主要是指高速解串行器(Deserializers)方面,是否有4路整合的情况。目前所知能够有4路的方案,大多由FPGA担纲,如Lattice、 Altera和Xilinx;即使有如韩国SiliconGear公司开出整合HD等级MUX与4路解串行器单颗芯片,其实里面仍为FPGA本质。至于何时真正能有ASIC是4路合1,或许等市场更稳定成熟,就会有些安控老牌
 
  芯片厂推出产品。特别说明,均衡器(Equalizers)则不适宜作多路整合,这牵涉过于密集的电路布线与干扰等问题。
 
  此外,SDI包括Cabl e Dr i ve r和Equalizer等组件,都含有混合讯号技术,在并入德州仪器(TI)以前,NS就是知名的模拟芯片供应厂。而众所周知,原本TI在数字方案,包括DSP/SoC等许多方面,对于安控IP摄影机和DVR/NVR设备主控芯片端,就已具备强大的支持力道,在安控业界起指标性作用。合并NS除了让TI的整体模拟芯片实力壮大,事实上对HD安控的设计方案更别具意义。于今年四月C omp o S e c( 第四届全球安控电子技术论坛),德州仪器负责S D I 产品的讲员, 资深应用工程师曾祥华,就已经发表前后端模拟和数字芯片的整合
 
  设计,T I已能针对无压缩HD摄影机和H D-D V R 提出更整体的解决方案,让新架构导入更为顺畅。
 
  TI(原NS)各类SDI组件配合精简FPGA,与Semtech(原Gennum)的SDI芯片在延长传输距离,简化系统设计方面,于安控应用面正延续2007年以来的竞争。光是细究SDI技术领域,各种透过IC半导体来实现HD传输的方式,显然已呈现多元的样貌;当然也有很多人讨论到这样的高画质讯号,或许可采用HDMI或是DVI的通道,如单以HD-SDI来定义这种不压缩的高画质方案不恰当。《安全&自动化杂志》资深顾问张淂福表示,基于讯号格式传输及方便施工与替代性,以BNC这样的SDI连接器,对监控应用最有利,相对也就被大量采用,并成为HDcctv联盟极力推动的一种标准格式。
 
  HDcctv与长距离的考验
 
  一般印象中,「HDc c t v传输距离较短」是许多安控工程商常提出的问题之一, 就算用同轴电缆也只能逼近1 5 0 米, 这使得系统设备商仍须提供延长和中继设备(R epe a t e r),其中都必须要内建T x 和R x , 也就是S D I芯片, 如果再加上电力供应和控制讯号, 就容易垫高成本。许文隆表示: 「因应安控行业的需求,特别有针对R x改版为GV7601A,较先前的版本可多提供增加60米传送距离,总共可达200米远。」
 
  针对SDI传输配套方案,有些工程端已灵活运用光纤来转接,延长传输距离。这样的考虑方向,直接形成光纤材料和模块在安控的新机会点,从今年的CompoSec安控电子展上,也能观察风象。张淂福则表示,目前有些系统制造商已经开始重视这个问题,除了积极开发新的3G-SDI产品,以传输速率来增加SDI的传输距离外,同时也会选择FPGA设计架构去设计HD-SDI 的Tx芯片。例如可采用D i r a c 影像压缩技术, 以达到无压损失( l o s s l e s scompression)的无中继传输,最远距离能达到300米的效能。
 
  同样能将不压缩原始影像讯号传递达150米(或说同在150米限制内),还包括最近以色列的IC设计公司Valens Semiconductor所推动的HDbaseT方案。
 
  比较特别之处,是不透过HDMI传输,不像SDI一样走同轴电缆,也不是透过LVDS接口电路,而是经由一般最常见的cat5e/ cat6a网络线(LANCable)进行传输,也就是我们很熟悉的RJ45网络接头。目前首波推出一对Tx和Rx芯片,并声明是针对安控应用开发,可传递无压缩和高音质1080p@60fps影像,150米最大延迟仅10微秒。
 
  HDbaseT将网络线当影音频号线
 
  用网络线来跑高画质影音讯号当然是新鲜的,就像是我们的DVD或BD蓝光机,甚至手持装置的周边接到电视屏幕,都用网络线来当讯号线的情况。网通相关技术势力的渗透力自是不容小觑,但是发挥在这个面向上确实少见。
 
  HDbaseT联盟早在2010年便已挟着电力、控制讯号、网络信息流、音频、高画质的五合一功能,向HDMI接口下战帖,所以也可以方便将其看为走网络线的HDMI。除了ValensSemiconductor,包括LG、Samsung和Sony都是核心成员,不难感受其企图心。
 
  有了SDI方案的前车之鉴,如今HDbaseT对于将方案推广到安控市场更具信心。Valens的亚太区总监林浩原表示:「我们最大的竞争对手就是自己!当其他方案为了HD影像的传递效能,已全力而为之,VS020刚刚起步,在规格面却已产生先天的优势。」
 
  回归安控设计的本质
 
  除了要选择方案,有几种关于安控的备选技术,可优先排除,避免徒增研发和应用障碍。
 
  首先是摄影机和储存设备间,关于TCP/IP的繁琐设定。高画质一定透过网络设备来实现吗?前端就进行
 
  影像压缩工作的影响为何?影像分析于何处用哪一种数据格式进行?
 
  上述的HD传输芯片供应端,已用无压缩影像的高速链接方案提出示范。然而,如果我们关心安控工程端,势必能察觉上述理想化方案,有一道新门坎:实时无压缩(RAWDa t a)传输!要完全落实这项诉求,绝不是只更换优质线材的成本就可轻易实现。
 
  HD影像确实是安全监控的产品趋势,而且不可逆转;然而什么是HD影像呢?「不压缩」必定不是在定义内,否则我们看过的DVD、蓝光片,网络影片,甚至HD层次的网络摄影机都没资格说自己是高画质,因为这些讯源,都是经过压缩处理。
 
  ccHDtv用数字电视技术传安控影像
 
  松翰科技产品经理涂宗宪就对此表示,他相信一定有个新的设计动能,来自于HD的影像需求,并且兼顾传输和管理方便性,在布在线不用费力更改,就像目前模拟摄影机和DVR之间让业界累积的直觉和信赖感;不用耗费额外中继传输的成本,适度的压缩处理也能够容许,并且对于IP网通的架构整合也带有方便性。
 
  也许,我们可以期待这样的安控摄影解决方案,会是新一波投入安控的IC设计产品发表重点。说到台厂的IC,切入HD安控提供Tx和R x最亮眼的代表,从2012年看过来,应该就是I T E联阳半导体,以及他们推动的ccHDtv架构。他们不但完全实现上述HD和非IP架构的描述,而且藉用他们在数字电视领域累积的经验,所提出技术本质为DVB-T的方案,即可实现用同轴电缆「串接」和「并接」等方式拉回储存端管理,确实节省了布线成本耗损。透过「多对一」和「一对多」灵活的分流管理,为HD安控领域注入鲜活的研发方向。
 
  也许有人发现,这样的架构在安控或许是新鲜的,然而在第四台业者、数字电视(尤其是欧洲地区)早已行之多年。而车内收看的电视频道,就是透过DVB-T无线传输。这意味HD无线化的可能性,也是ccHDtv的架构优势。联阳半导体的资深营销经理赖胜中说:「无线化或许在台湾有频道管理上的考虑,但若是在闭路系统中,完全就没有这层法规和安全性顾虑。」这说法蛮务实贴近安控的系统工程实况。他补充:「建置在摄影机尾端的Tx芯片,是参考各方看法和需求性,为安控开发的全新IC,盼望使台湾产业拥有坚实而创新的方案。」
 
  当我们再次聚焦HDcctv的HD-SDI各种芯片架构,包括FPGA、分离型、整合型芯片;参考了走上网络线的HDbaseT,并且有多任务能整合优势;再回看台湾推动的ccHDtv架构,藉DVB-T的成熟技术运用于安控;很显然,安控对HD影像的需求是不言可喻,并且一直将非IP化列为其中一种必要的设计考虑。
 
  不论我们是走在哪一种设计路线,盼望都伴随一条能开创应用形态,同时也有源源不绝技术支撑的源泉。
 


 

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