浅析高清技术的发展及其应用

马伯康

浅析高清技术的发展及其应用

马伯康

经过多年的探索和积累，国内在高清图像技术领域已经掌握了一定的核心技术。高清监控在一些大型项目中的成功应用，标志着高清监控进入一个新的阶段。随着高清产品成本的逐步下降，必将会带动整个产业链的升级。

高清技术的发展和现状

在消费类领域，高清技术主要应用于广播电视。由于系统复杂，所以经历了长达16年的标准化研究，才发展到目前比较成熟的技术和标准体系。如美国的ATSC/HDTV标准，其图像规范标准包括720p@24/30/60fps、1080i@30fps、1080p@24/30fps等，主要接口标准包括YPbPr/YCbCr、DVI（-D/-I）、HDMI、HD-SDI等。

在工业类领域，高清技术主要应用于对生产过程、精密制造过程的监控。由于系统简单，导致标准化程度低，图像分辨率从1024×768到1592×1944不等，帧率也从3fps到60fps不等，主要接口类型包括USB2.0、1394、Camerlink等。

在视频监控领域，由于系统复杂程度与具体应用有关，无论是在分辨率的定义上，还是在接口类型的选择等方面，目前均未建立相关的高清标准。结合现有的技术来研制高清/标清监控系统和产品，标清方面从CIF到2CIF再到4CIF/D1，如今已得到普及；对于高清监控，720p、1080i/p、uxga，甚至是更高分辨率，目前也已得到一定的应用，特别是在交通、治安和智能建筑领域内。

目前的监控图像主要通过CVBS、光纤、以太网进行传输，因CVBS无法承载高清图像，它是否会被消费类接口标准所取代，目前尚未定论。不过光纤、以太网以及高带宽，均可承载高清图像。

高清视频监控系统结构及关键技术

高清视频监控系统结构以遵循传统监控系统结构、并结合高清技术为原则，其基本框架如图1所示。

高清图像的采集以摄像机技术为基础，包括CCD、CMOS。以CMOS目前的技术而言，因其感光灵明度低（比CCD低10倍），故在低照度下易产生较多噪声，但CMOS的成本优势非常明显。

图1 高清视频监控系统框架示意图

在高清采集方面，另外一个关键技术是信号处理技术（Camera Image Single Processing，简称ISP），它可实现自动白平衡控制、自动曝光控制、色彩校正、Gamma等图像处理。

相对于标清产品，高清产品需考虑如下要素：

高数据量：200万像素@25fps近800Mbps；

接口：SD-SDI（1.485Gbps）、O T（o p t i c a l t r a n s c e i v e r、1.25/2.5Gbps）。

在高清视频编解码方面，H.264以其高效编码已广泛应用，并被相关监控标准所采纳。针对高清图像，H.264具备更高压缩效率：通过调整关键帧间距、帧类型及帧率，结合不同的解码输出接口，可适配不同的显示应用；通过不同的策略，可进行编解码的延时控制。

在高清视频传输方面，HD-SDI可用于中等距离传输（可做接入），光纤可用于远距离传输（可做接入和汇聚）。接入设备包括编码器或光端机，汇聚设备包括高清矩阵或IP网络设备。在高清图像的核心交换部分，视频通过IP承载网进行传输的应用案例不断增加，可见交换技术已成熟，关键是要保证图像质量与低延时两大要素。流媒体技术一如既往地承担着高清流数据的分发任务，以采用RTP/RTCP协议为主。

在高清视频存储方面，从硬盘介质到存储设备，标清数字监控的录像问题已经得到解决。那么，高清存储并发读写数据量更大，对存储设备的读写性能要求更高。因此，以下因素将影响到录像：

编码效率（空间）；

实时/非实时（空间）；

存储设备性能（完整性）；

存储管理机制（完整性/安全性）。

在高清视频的接收、切换与显示方面，由于IP交换具有伸缩性好等特点，故适合各种大小规模系统的应用，对于特定应用领域，也有采用数字交换。高清显示接口包括DVI、HDMI（近距离传输）等，根据显示频率、分辨率，可调整解码输出（通过DSP/FPGA），调整策略可调整画面的流畅性与完整性。

高清视频监控工程技术

在系统部署和实施方面，高清采集的部分尽量要“瘦”，这样系统可靠性能得到有效保证，其它还包括以下好处：

有效减少现场施工、调试工作量；对环境适应性更强；有效降低运维量；前端采集尽量采用光接入方式，这样可：

不受电磁干扰；不需接地环路；重量轻、线径小，大大减小线缆铺设占用的空间；

利用波分复用技术，用一条光纤可进行多信道传输；

双向传输也很方便（易于系统扩展）；

随着日新月异的宽带技术的发展，光传输还可以满足未来的需要。

高清技术在智能建筑中的应用

同样一个摄像头，高清视频能监控更广的范围；同样的监控范围，高清摄像头能监看到更清晰的图像。所以，在很多体育建筑、医院建筑以及其他高端建筑的视频监控中，高清已得到一定的应用。尤其是在各子系统的联动效应下，对于重点要害部位、建筑物周界等部署高清摄像头所获得的更多细节，无疑可使安防子系统发挥更大的作用。

结束语

回顾近十年，监控技术及其产品所发生的变化，是任何人在此前都无法想象的，特别是国内在高清图像技术方面已掌握了一定的核心技术，并已产品化。同时在应用方面，上海浦东高清监控项目的成功应用，标志着高清监控进入了一个新的阶段，高清已逐步应用到各个领域。随着高清产品成本的逐步下降，相信会带动整个产业链的升级。

作者单位：杭州海康威视数字技术股份有限公司