高清技术.docx

1、目录1 概念2 高清标准3 采集技术4 高清编码标准5 高清传输技术6 高清显示技术概念最初，“高清” 概念与标准是广播电视业提出的。上世纪 60 年代，日本国家广播公司NHK 开始研究高清；90 年代初期， NHK 和索尼完成了研究并开始试播模拟制式的高清电视。但由于多种原因，欧洲并不接受日本的研究成果，80 年代中期，飞利浦等公司也联合完成一个高清研究计划。然而在 1990 年，美国一举推出数字高清电视 HDTV，后来居上超越日本和欧洲，也是从这时起，大家承认了数字式电视是未来高清的发展方向。目前市场上的高清数字电视可以分为两大阵营，分别是欧洲的数字电视广播联盟 DVB 和美国的先进电视系

2、统联盟 ATSC。高清对于视频监控并不是件容易的事情。它涉及到监控系统的颇多环节，从前端摄像机到传输、到记录存贮和显示设备，为了到达“高清” 指标都需要做出相应调整，只要一个环节满足不了要求，就达不到“ 高清” 要求。高清标准高清视频监控近年来得以迅速发展，主要是为了解决人们在正常监控过程中“细节” 看不清的问题。“高清”即“ 高分辨率” ，关于高清的定义，最早来源于数字电视领域，高清电视，又叫“HDTV”，是由美国电影电视工程师协会确定的高清晰度电视标准格式。电视的清晰度，是以水平扫描线数作为计量的，它的集中高清划分方式如下：（1）1080i 格式，是标准数字电视显示模式，1125 条垂直扫

3、描线，1080 条可见垂直扫描线，16:9，分辨率为 19201080，隔行/60Hz，行频为 33.75KHz。（2）720p 格式，是标准数字电视显示模式，750 条垂直扫描线， 720 条可见垂直扫描线，16:9，分辨率为 1280720，逐行/60Hz ，行频为 45KHz。（3）1080p 格式， 16:9，分辨率为 19201080 逐行扫描，专业格式。高清电视，就是指支持 1080i、720p 和 1080p 的电视标准。目前，在安防行业传统监控系统最高可达标准清晰度，进行数字编码后，一般可以达到 4CIF 或 D1 的分辨率，约为 44 万像素，清晰度在 300 至 500 电

4、视线之间；采用高清网络摄像机的 IP 监控，如果要达到 800 电视线的清晰度，那么网络摄像机的分辨率至少要达到 1280x720 的标准，约 90 多万像素；若采用 200 万像素的网络摄像机，就达到了超高清图像的要求，宽高比为 16:9 的网络摄像机，对应分辨率为 1920x1080，宽高比为4：3 的网络摄像机，对应分辨率为 1600x1200。安防行业更多的是借用电视领域的高清划分标准，俗称为“高清”和“ 标清” 。安防市场中已经出现了分辨率能够达到 1080i 和 720p的网络摄像机，这是因为网络给高清视频的传输提供了一个很高的保障。当然，也有具有高清传输接口的模拟摄像机，如具有

5、Y/Pb/Pr 和 VGA 接口的枪机或一体机。所以，这里借用一下广电标准：能达到百万像素的摄像机，配套以 1080p 分辨率的显示设备及相应的传输通道，就可以形成一套可称之为高清的监控系统。安防视频监控行业目前还没有通用的高清标准。有厂家认为图像达到 D1 就是高清，也有厂家认为超过480 线就是高清，众说纷纭。这里我们可以看看 DVR 国家标准。2006 年国家质量监检总局发布的视频安防监控数字录像设备国家标准 GB 20815-2006规定，DVR 的等级划分 A 级（分辨率不小于 4CIF）和 B 级（分辨率小于 4CIF）。如果按照以上厂家的评价标准要求来看，DVR 中 A 级产品为

6、高清产品，B 级为通用产品，即 4CIF（分辨率为704576）为高清，CIF（分辨率为 352288）为普通清晰度。随着科学技术的进步，“高清 ”技术必然引入视频监控领域，视频监控行业的高清标准也会不断完善。采集技术高清的视频效果的保证首先来源于高清信息的采集，如果没有前端高清视频采集，无法谈及后端的高清效果。无论是枪机、一体机还是网络摄像机、模拟摄像机，采集的原理都是一致的，只是技术和器件上的区别。对于高清监控系统，前端采集设备一般使用网络摄像机。我们知道，摄像机的清晰度主要取决于感光芯片的性能，主要有 CCD 和 CMOS两种，在高清监控领域，也都有所应用。CCD 英文全名 Charge

7、 Coupled Device，感光耦合元件，CCD 为数位相机中可记录光线变化的半导体，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。CCD 对监控场景的适应性更佳，在低照度下效果表现更好。CCD 由以前 1/4 英寸到现在 1/3 英寸、1/2 英寸甚至 2/3 英寸等等，代表了其技术的不断发展，再经过图像处理芯片的配合，能够达到分辨率 720P 甚至 1080i 的输出。CMOS 英文全名 Compleme-ntary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS 和 CCD 一样同为在数码相机中可记录光线变

8、化的半导体，而随着 CMOS 在制造工艺和影像处理技术上的不断突破，业内对 CMOS 的前景预测也越来越乐观。高清数字影像的普及更是 CMOS 技术发展的一个难得机遇。而且，与 CCD 相比，CMOS 的制造原理更加简单，体积更小，功耗可以大大的降低，种种迹像表明：图像传感器的领域正面临着一个重大转折，尽管从目前的状况看，CMOS 与 CCD 图像传感器的应用市场仍然有一个分界，但这个界限似乎越来越模糊。有专家预言，随着 300 万像素的 CMOS 图像传感器的上市，图像传感器即将进入“CMOS 时代” 。CMOS 在高像素方面有着一定的优势。另外，镜头要能够保证进光量和角度，同时还要有一个适

9、宜调焦和光圈来配合感光元器件的成像，因为高清的视频通常依赖于一个调焦的操作。对于焦距和光圈不满足实际需求来说，高清摄像机也惘然。在一体机中通常配合较高的变倍来更好的体现高清的效果。当然，评价一个高清摄像机，除了清晰度外，还有其他许多影响图像质量的因素，如超宽动态、自动白平衡、自动测光补偿等等。高清编码标准除了采集外，高清图像编码也是重要环节，高清视频编码最常用的编码格式是MPEG2-TS、 MPEG4、H.264 和 VC-1 这四种算法。MPEG2 由 MPEG（Moving Picture Experts Group）运动图像专家组制定，这是国际标准化组织（ISO）于 1988 年成立的专

10、责制定有关运动压缩编码标准的工作组，所制定的标准是国际通用标准。DVD 即是 MPEG2 编码， 随着技术的改进，它在高清视频方面也得到了应用。MPEG2 最大的缺点就是文件体积过大，不过它也有一个优点，那就是相对于另外两种编码，它对于系统资源的消耗是最小的。但是随着硬件技术的发展，H.264和 VC-1 的解码必然会成为 DVD 那样，任何主流的配置都能流畅播放。MPEG4 主要用于低带宽应用和交互式图形应用（游戏等合成内容）、交互式多媒体（ W W W 等内容分发和访问技术）应用， MPEG 专家组成立了 MPEG4 工作组，以促进上述三个领域的集成。1999 年初，定义标准框架的 MPE

11、G4（第一版）成为国际标准（ISO/IEC 14496-1），提供多种算法和工具的第二版已于 1999 年底成为国际标准（ISO/IEC 14496-2）。H.264 也许是最有前途的一个了，相对于 MPEG2、 MPEG4 而言，其压缩效率是三种编码中最高的。H.264 标准由国际电信联盟电信标准化部（ ITU-T）和国际标准化组织/国际电工委员会（ISO/IEC）共同研究发布，因此 H.264 有两个名称，一个是沿用 ITU-T组织的 H.26x 名称，叫“H.264” ，另一个则是 A V C （ 高级视频编码）。H.264 格式的最大特点是在保证画面质量的情况下，它可以把文件大小控制在

12、 MPEG2 格式的二分之一甚至三分之一。所以其更高的压缩比、更好的 IP 和无线网络信道的适应性，在数字视频通信和存储领域得到越来越广泛的应用。但是需要注意的是，H.264 获得优越性能的代价是计算复杂度增加，因此 H.264 的硬件要求是最高的。微软公司在 2003 年 9 月提出了 VC-1 编码格式( 开发代号 Corona)，目前已经得到了 MovieBeam、 Modeo 等不少公司的采纳，同时也包含在 HD DVD 和蓝光中，包括华纳和环球等影业公司也有采用这种格式的意向。VC-1 基于微软 windows Media Video9 ( WMV9 )格式，而 WMV9 格式现在已

13、经成为 VC-1 标准的实际执行部分。VC-1 是最后被认可的高清编码格式，因为有微软的后台，所以这种编码格式不能小窥，相对于MPEG2，VC-1 的压缩比更高，但相对于 H.264 而言，编码解码的计算则要稍小一些。AVS 是基于我国自主创新技术和国际公开技术所构建的标准，主要面向高清晰度和高质量数字电视广播、网络电视、数字存储媒体和其他相关应用，具有性能高（与 H.264 相当）、复杂度低（算法复杂度比 H.264 明显低）、我国掌握主要知识产权、专利授权模式简单且费用低等特点。基于此，可以认为 AVS 标准是能够支撑国家数字音视频产业发展的重要标准，也是安防监控行业应该采纳的重要标准。J

14、PEG2000 是一种图像编码格式, 而并不是视频编码格式 , 设计之初是用于取代 JPEG , 而视频序列的每一帧画面也相当于是一幅图像,与其前辈 JPEG 相比, JPEG2000 放弃了以离散余弦变换 DCT 为主的区块编码方式 , 而改为采用以小波变换为主的多解析编码方式, 压缩率比 JPEG 高约 30% 左右, 同时 JPEG2000 支持有损和无损压缩。JPEG2000 有几个重要特性, 支持“渐进传输”及“ 感兴趣区域编码” 。在清晰度方面 , 它可以先解码一副画面的四分之一尺寸, 然后再二分之一, 最后解码出整幅画面；在图像质量方面, 它可以先传输图像的轮廓, 然后逐步传输数

15、据, 不断提高图像质量, 让图像由朦胧到清晰显示;“ 感兴趣区域”是指用户可以任意指定图像上感兴趣区域的压缩质量, 还可以选择指定的部份先解压缩 , 便于突出重点。但 JPEG2000 计算量太大，压缩率不高，目前很难在嵌入式实时系统中实现，对存储传输也提出了较高的要求，目前仅有一些高清专用系统采用了这个算法。在编码芯片上，一般有 DSP、ASIC 等可供选择。DSP 方案，如达芬奇数字媒体处理器 TMS320DM6467，是基于 DSP 的 SOC（片上系统），集成了 300MHz 的 ARM 内核和 600MHz 的 DSP 内核，并采用高清视频协处理器，在执行H264 HPL4(1080

16、p 30fps、1080i 60fps、720p 60fps)的同步多格式高清编码、解码与转码方面，表现出色。还有一款高清入门级的 TI 芯片 DM355，它内置了编解码算法实现，能够以 720p 格式与每秒 30 帧的速度提供高清 MPEG4 SP 编解码能力，是快速开发入门级高清编码产品的不错选择。ASIC 方案，如海思 3511 的处理器，一款基于 ARM9 处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，具有高集成、可编程、支持H.264 和 MJPEG（Motion JPEG 是一种视频压缩格式，其中每一帧图像都分别使用JPEG 编码）等多协议的优点，可广泛应用于实时视频通信、

17、数字图像监控、网络摄像机等领域。高清传输技术监控系统传输技术主要有视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线平衡传输和宽频共缆传输六种传输方式。每种传输技术都有其自身特点，有各自的应用层面，对于一个复杂的监控系统往往根据不同的传输距离，不同的监控要求，采用不同的传输方式。面对高清应用的超大数据量，以及实时性的要求，采用光纤传输是解决长距离视频监控高速传输系统的最佳解决方式，通过把视频及控制信号转换为光信号在光纤中传输。光纤传输具有衰减小、频带宽、不受电磁波干扰、重量轻、保密性好等一系列优点，广泛应用于国家及省市级的主干通信网络、有线电视网络及高速宽带计算机网络。而在视频监控系统中，光纤

18、传输也已成为长距离音视频及控制信号传输的首选方式。但光纤传输需专门的技术人员负责光纤熔接及设备维护方面的工作，另外对于近距离监控信号传输不够经济。举例来说，高清意味着需要更高带宽。一般认为，H.264 编码 D1(720576)画质的码流为 2M 左右，那么以 1080P 计算，画面尺寸约是 D1 的 5 倍，简单计算，码流也是 5 倍。因此，H.264 编码的一个 1080P 高清画面所用带宽约为 10M，与 D1 画质的 MPEG2 相当。由此可以看出，对于“高清”，网络传输并没有特别的要求。不过有一点必须指出，目前的互联网是不能够承载高清画质的，必须是专网甚至光纤。相比模拟传输，数字网络

19、传输高清视频具有得天独厚的优势。当然，由于高清占用了更高的网络带宽，在组建高清系统特别是大路数高清系统时对于网络带宽的使用还是应该精打细算。例如，如果使用 100M 以太网，实际上同时只能承载 5 路左右的高清图像（考虑到以太网的碰撞侦听特性），如果同一视频源有多个用户访问，占用的带宽会更大，因此对于系统设计、组播、转发等技术的使用就显得尤为重要。高清显示技术后端的显示设备一般分为 CRT、LCD、PDP 三种。受高清电视技术发展的影响，监控显示设备的高清化速度非常快。CRT 器件以其亮度高、反差大、色彩还原好、图像细腻等优势，一直保持着高指标、高质量的水平，是三种器件中观看效果最好的。但由于

20、受到自身重量、体积等因素影响，CRT 监视器一般用于技术监看，适用于对图像总体质量的最终把握。而 LCD、PDP 器件由于采用逐点显示方式，没有回扫线，具有图像细腻、无闪烁现象，不易造成视觉疲劳的优势。其中，LCD 监视器以轻薄、省电为特色，PDP 以高亮度、大尺寸闻名。但三种显示器件也都存在各自的缺点。CRT 最主要的问题是体积庞大、耗电高、容易磁化。PDP 的主要问题是小尺高清效果必须使用大尺寸显示器才能表现出来。真正达到19201080 分辨率的监视器，LCD 最小尺寸至少 20 英寸， PDP 最小 50 英寸，CRT 至少20 英寸以上。在轨道交通、平安城市等大型图像联网指挥中心，大

21、都使用了拼接大屏。目前拼接屏中 DLP 最成熟，但 LCD 的拼接系统也在逐渐抢占市场。LCD 拼接系统目前有个 2cm 左右缝技术没有解决，因此在高端使用有些受限。单从清晰角度来说，LCD 完全可以满足1080p 的使用要求。现在一些新的显示技术带来了产品的不断升级，如索尼 OLED 高清屏仅 0.3mm 厚，日本 NICT 推出裸眼可视 3D 显示产品，还有适用于柔性显示的 EPD 等技术将逐渐把各种显示技术应用到产品，适应于工作、生活的各方面。这些产品无一不把高清放在最重要的位置，未来的高清显示产品将会拥有更加地多种多样、多姿多彩的市场，也必将渗透到监控领域之中。同时，高清接口也有了 D

22、VI 或 HDMI 等数字多媒体接口。DVI 信号的传输完全采用了数字格式，保证了视频源到显示终端的传输过程中资料的完整性，可以得到更快捷的传输速度以及更清晰的影像。所以，具备 DVI 接口的显示终端都是数字显示终端。DVI 接口有三种，分别是 DVI-Digital（DVI-D）、DVI-Analog（DVI-A）和 DVI-Integrated（DVI-I ）。其不同之处在于 DVI-D 只支持数字显示的设备；而 DVI-A 类似于 VGA 接口，采用模拟信号传输；而 DVI-I 则是同时支持数字显示跟模拟显示，并且可以兼容使用 DVI-D 的设备。HDMI 避免了 DVI 有着接口面积过

23、大、不能传输音频等缺点，HDMI 其最高传输速度虽然小于 DVI（DVI 可达 8Gbps，HDMI 为 5Gbps，最高画质的 HDTV 信号传输需要2Gbps），但还支持八声道 96kHz 或单声道的 192kHz 的数码音频传输（支持 Dolby Digital/DTS 格式），无需单独使用音频连接线。同时其连接线的长度也可以达到 20 多米（DVI 线在 8 米以上就会影像画质）。HDMI 接口为 19 针，在针脚上和 DVI 兼容，只是采用了不同的封装，可以通过转换器兼容 DVI 接口。与 DVI 接口相比，HDMI 不仅拥有更高带宽和更高分辨力等特性，还能集视频传输和音频传输于一身，大大简化了线缆连接设置。HDMI 还能够向下兼容 DVI，只要增加一个转接器，就能够实现两者的互连。因此，HDMI 已于 2007 年取代了 DVI 在数字视频接口的统治地位。