SDI與HD-SDI

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

　　SDI的實質

　　早在1982年，為了統(tǒng)一全世界數(shù)字電視制式，前國際無線電咨詢委員會(CCIR)提出了全數(shù)字演播室標準——CCIR 601建議書(因CCIR后來被合并為國際電信聯(lián)盟ITU下屬的無線電通信委員會，簡稱ITU-R，因此該建議書相應改為ITU-R BT.601)，它規(guī)定了演播室分量視頻信號的編碼參數(shù)，也即對亮度信號采用13.5MHz取樣，而對兩個色差信號分別采用6.75MHz取樣，由此形成4:2:2的樣點結構，并規(guī)定了取樣點位與模擬視頻信號的同步定位關系。然而，為了保證演播室視頻設備間的有效對接，ITU-R又根據(jù)美國電影電視工程師協(xié)會(SMPTE)和歐洲廣播聯(lián)盟(EBU)基于ITU-R BT.601制訂的相關傳輸標準(SMPTE 125M和EBU Tech 3267)進一步制訂了用于規(guī)范演播室數(shù)字視頻傳輸?shù)膰H標準ITU-R BT.656。

　　ITU-R BT.656標準要求視頻數(shù)據(jù)流結構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，進而明確規(guī)定了在對這兩大掃描體系的視頻信號進行數(shù)字化時其行、場消隱的時間基準;規(guī)定了視頻數(shù)據(jù)流可有并行及串行兩種形式，進而分別給出了8比特視頻數(shù)據(jù)在并行傳輸及串行傳輸時的具體格式、串行傳輸時的比特順序(先傳低位，后傳高位);還給出了同步脈沖信號的頻率及方波寬度、脈沖沿抖動等具體參數(shù)。ITU-R BT.656的最新接口標準支持10比特精度的數(shù)字視頻信號，當用于傳送8比特數(shù)據(jù)時，需在最低位加兩個零。

　　Rec.656標準規(guī)定演播室數(shù)字視頻設備的物理接口使用11對雙絞線的25針“D”型接插座(其中10對線用于傳輸10比特的并行數(shù)據(jù)，第11對線用于傳輸27MHz的時鐘;另有1對線用于系統(tǒng)地，1根線用于電纜屏蔽地)。在傳輸時以數(shù)字視頻信號的樣值為單位，按Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，??的順序將各比特并行傳輸，位速率為27Mbps。在每一電視有效行的開始前和結束時，分別有4比特的有效視頻起始標志SAV(Start of Active Video)和有效視頻結束標志EAV(End of Active Video)。整個數(shù)字有效行包括720個亮度字和720個色度字(Cb，Cr各360個)。由于數(shù)字分量信號的EAV和SAV已含同步信息，因而無需再傳送同步信號，在行、場消隱期間可傳送數(shù)字音頻信號和其它輔助數(shù)據(jù)。圖1給出了ITU-R BT.656規(guī)定的視頻數(shù)據(jù)流的構成，圖中AB為控制字節(jié)(Control Byte)，由值1、F、V、H和4個誤碼檢測及校正位組成。

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

　　有效視頻(Active Video)部分由720個Y、360個Cb和360個Cr(共計1440個樣點)組成，而整個視頻幀結構除了這1440個有效視頻樣點值外，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對應的空間)。

　　SDI實際上就是把ITU-R BT.656規(guī)定的10比特數(shù)據(jù)字的各個比特以及相應的數(shù)據(jù)通過單一通道順序傳送(串行傳送)，因此并串轉換后形成的串行數(shù)字信號的數(shù)據(jù)率很高，達到270Mbps(相對于4:2:2取樣的D1格式分量視頻)。

　　在傳送前，需對原始視頻數(shù)據(jù)流進行擾頻，即將輸入數(shù)字信號除以多項式X9+X4+1，然后再進行倒置，用多項式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原始數(shù)據(jù)。這個過程從性質上說可理解為一種基帶信號調制，其標準為SMPTE 259M和EBU Tech 3267，除了對上述基于ITU-R BT.601標準的4∶2∶2結構的數(shù)字分量視頻外，還包括了含數(shù)字音頻在內(nèi)的數(shù)字復合視頻，其中對PAL制數(shù)字復合視頻的最高傳輸碼率為177.3Mbps(D2格式復合視頻)，對NTSC制數(shù)字復合視頻的最高傳輸碼率為143.2Mbps(D2格式復合視頻)。圖2為SDI采用加擾的不歸零倒置碼進行傳輸?shù)氖疽?。SDI信號用單根同軸電纜傳送，最長傳輸距離約為300米。

圖2  SDI采用加擾的不歸零倒置碼進行傳輸

　　HD-SDI的高碼率

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

　　由表1可知，當傳輸HD-SDI信號時，信號的有效傳輸距離還不足傳輸普通SDI信號時的三分之一，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)升級為高清監(jiān)控系統(tǒng)時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，電纜長度在許用范圍內(nèi)。這就意味著，當根據(jù)HDcctv規(guī)范去設計高清監(jiān)控系統(tǒng)時，一定要考慮HD-SDI信號的傳輸距離，一般應考慮光纖傳輸。

表1  Belden公司數(shù)字視頻電纜的推薦使用長度（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Y和經(jīng)過時分復用的色差信號Cb、Cr被處理為20比特字。每個20比特字對應一個色差取樣和一個亮度取樣，復用組合方式為：(Cb1Y1)，(Cr1Y2)，(Cb3Y3)，(Cr3,Y4)。

　　事實上，1485Mbps的高碼率僅僅是針對隔行掃描的1080i視頻格式(每秒25幀/30幀，或50場/60場)，對于質量更高的逐行掃描1080p視頻格式(每秒50幀/60幀)，SMPTE還進一步制訂了雙鏈路HD-SDI(Dual Link HD-SDI)標準以及3G-SDI標準，見表2。這種Dual Link HD-SDI或3G-SDI標準不僅適合于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及其對應的碼率

　　HD-SDI在安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

　　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，將高清攝像機輸出的非壓縮視頻信號通過HD-SDI接口直接向中心設備傳輸顯然也是優(yōu)先考慮的傳輸方案之一，因為公認的圖像質量最優(yōu)的廣播電視演播室用高清攝像機即采用了HD-SDI傳輸。2008年北京奧運會期間，所有場館的高清電視轉播也都采用了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)中的攝像機數(shù)量太多太多了，遠遠多于演播室中的廣播電視攝像機。

　　一般來說，大型電視臺的大型電視演播室在進行綜藝節(jié)目的制作時，至多也就用到十幾臺電視攝像機，然而一個社區(qū)甚至一個小超市的安防監(jiān)控系統(tǒng)所用的監(jiān)控攝像機就很可能超過十幾臺，更不用說攝像機數(shù)以十萬計的龐大的平安城市監(jiān)控系統(tǒng)了。因此，將眾多的監(jiān)控視頻信號向中心傳輸時，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，可相對較好地解決高數(shù)據(jù)率HD-SDI信號的長距離傳輸問題)，因為HD-SDI傳輸屬于點到點的傳輸，這使得人們很容易想起傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在中心控制室機柜下面那些連接前端模擬攝像機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)對存儲系統(tǒng)的要求也將是無比巨大的。如此說來，HD-SDI在當今安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用不會是大范圍的，相對現(xiàn)有系統(tǒng)來說，更不可能是顛覆性的，而應是對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)在某一特定需求方面的補充。例如上海世博園電視監(jiān)控系統(tǒng)即是將前端攝像機的SDI輸出信號就近傳輸?shù)綌z像機附件的數(shù)字視頻編碼器，再以壓縮視頻的方式通過網(wǎng)絡來傳輸。

　　由上可見，點對點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技術在安防監(jiān)控系統(tǒng)中的實際應用，至少現(xiàn)階段是這樣的。

　　當然，相對于目前已成氣候的基于網(wǎng)絡的IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，HD-SDI的優(yōu)點也是明顯的，那就是其高質量的實時傳輸與顯示特性，因為HD-SDI信號為非壓縮、無損、低延遲，可以在顯示時充分地還原高清圖像細節(jié)，這對于車牌識別、人臉識別等智能視頻分析應用來說無疑是很有意義的。也正是因為如此，在部分對圖像質量及實時性要求較高的監(jiān)控項目中采用了HD-SDI傳輸技術。

　　結論:按需選配HD-SDI設備

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