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关于HD-SDI芯片分析

时间:2018-11-14 10:52 作者:春源丽影

 视频监控在经历模拟时代、数字时代、网络时代的发展后,现在已经逐步走入了高清与智能时代。与传统标清视频相比,高清在视频质量上有了质的飞跃,但就目前而言,要实现监控系统高清呈现,也并非一蹴而就之易事。从视频监控系统中模拟到数字的转化中,从CIF到D1是一个重要的阶跃,从效果来看数字化视频影像也可与模拟视频影像相当,即使达到标准清晰度(即“标清”),其存储和传输的增加几乎是翻两番。

  若要达到高级清晰度(即“高清”),其分辨率从720P到1080P@30fps或1080P@60fps,则需要付出很大的投入和代价,因此需要特别关注数字视频编解码芯片技术的演变和实际应用。但是,即使前进道路再坎坷,却阻挡不了芯片厂商在高清编解码征程上的捷步迈进。当前,除了海思的Hi3520可实现1080P高清编解码外,TI的TMS320DM6467、富瀚微的FH8735和FH8736以及升迈的GM8180等芯片都已杀进了高清“名人堂”。

  目前,市场上主流产品仍然是标清,标清和高清将来仍会长时间共存。Techwell着手从两方面进行了标清芯片升级:一方面清晰度升级,即将清晰度从D1升级到支持960H格式,如TW2809成功地从D1升级到支持960H,如以前端TV解码芯片TW2960+TW2809系统方案为例,即给用户带来了模拟高清的享受;另一方面是集成前端TV解码器,即将前端的TV解码器嵌入到现有的编解码芯片中,如在推出的TW5866在TW5864的基础上,包含了8路TV解码器,既增加了系统的稳定性又降低了产品的价格。

  而另外一些芯片厂商在平台的继承性上给予深入重视,并注重全面挖掘原有芯片的潜力。以TI为例,在IP网络摄像机的应用中,其DM365虽说目前已经广泛普及,但仍改芯片为ARM9集成视频协处理器并集成有ISP的单片系统,可以支持从D1到720P分辨率,只是主频不同,而管脚和软件完全兼容。这样的兼容性,还延续到DM368,它可以支持1080P@30fps。

  在此全兼容的平台中,还有DMVA1和DMVA2两个智能摄像机平台,前者支持标清而后者支持高清。未来高清1080P@60fps的平台将延续同样的体系结构,只是ARM提高到A8,视频协处理器升级,ISP性能增强。同时,还有支持1080P分辨率的DMVA3智能摄像机平台推出,并沿用原有的应用软件。特别需要强调的是,TI的IP网络摄像机解决方案也都支持ONVIF和PSIA协议。

  各种技术在高清摄像机的发展中争奇斗艳,各显神通,其中基于数字非压缩信号的HD-SDI技术,延续了模拟摄像机的特色,且可以有机地同IP高清进行结合,也是高清发展的一个方向。在HD-CCTV良好发展前景下,富瀚微率先提供了HD-SDI的板卡方案。高清的图像质量至少3倍于D1的图像分辨率,而富瀚FH8735的优良编码性能为HD-SDI的原始图像压缩以及存储,提供了强有力的保证。

  并且,PCI/PCI-E总线可以根据实际应用来选择,对于对预览要求较高的应用,PCI-E的带宽足以保证高清原始码流传输至HOST端进行后处理。显然,高清不仅能使监控场景中的目标看得清,取证准确,重要的是提供了高质量原始图像的保障,使智能视频内容分析识别更加方便而准确。本文介绍视频监控中SoC芯片的发展,HD-SDI芯片方案及选择,HD-SDI在视频监控中的应用,HD-SDI高清摄像机与高清网络摄像机的比较,HD-SDI芯片的问题及发展方向。

  SoC芯片在视频监控中的发展

  在安防市场中,作为产业上游产品的音视频编解码芯片素有DSP、ASIC与SoC之争。而近两年来,随着微电子技术以及SoC芯片处理技术的不断发展,借助低成本、低功耗、高集成度可以提供更高的处理能力和运算速度等显著优势,SoC迅速崛起,大有独霸编解码芯片市场之势。因为SoC芯片的出现兼顾了DSP与ASIC两家之长,弥补了两者之短,因此被行业赋予了更大的期待。如SoC具备了ASIC的性能专用特点,具有高性能、低成本、低功耗等特征,同时也保持了DSP的灵活性,并且解决了DSP芯片成本较高的问题。

  除了解码的兼容性和编码的压缩质量的基本要求,高速的系统架构、内存频宽、高效率的DMA控制器,甚至多核的平行处理也是检验SoC效能是否优秀的关键指标。

  SoC芯片是具有多处理器核心的单片集成系统,其中集成有CPU主处理器,所集成的核心既可以是ASIC类的硬核,也可以是DSP或协处理器类的软核,甚至也包含其它的专用处理子系统,且集成有丰富的外设。由于SoC是面向特性应用的片上系统,结合硬件加速等技术可以实现H.264的高复杂度的算法运算,并可针对视频编码方面进行优化,以实现最优化效果。视频的数字化应用在安防市场中发展非常迅猛,其中核心的视频处理起着举足轻重的地位,因而SoC的闪电式“上位”无疑为视频监控带来新的活力。

  目前,很多半导体方案提供商都在走向SoC,其中就不乏像TI、NXP、ADI以及Techwell等众多欧美老牌实力派厂家,此外,近年来在中国大陆和台湾地区也迅速添入一批SoC新秀,如海思、中星微、升迈、映佳。而在应用上,SoC也在视频安防监控、视频会议、高清视频游戏、远程机房控制、远程教育和远程医疗等应用中得到广泛认同。

  事实上,SoC并不是简单的一个芯片,而是一个解决方案。TI的LMH0394提供业界最长的,可达到200m高清(或400m标清),其数据率达3Gbps,并且最低功耗为115mW典型值。SDI视频信号的编解码需要有强大的处理器来处理,DM81xx平台也可实现这种多路的高清系统。同样,针对HD-SDI的需求,Techwell也推出基于TW2809的HD-SDIPCDVR广播级高清产品,它支持720P/1080i/1080P。

  国内的海思提供了从Hi3512、Hi3515到Hi3516一套完整的高清解决方案。以Hi3512为例,该方案基于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等多协议的优点,其中视频处理单元可以支持H.264MainProfile、Baseline、Profile、MJPEG、JPEG等多种协议实施编解码;支持1.3MPixels@30fps,支持最大300万像素的JPEG抓拍;视频处理单元还可以支持双码流编码等功能。Hi3512方案丰富的外围接口,方便满足设备规格需求,能有效降低整机BOM成本。

  又如TI的DM8168的数字视频H.264编码能力,已经飚到三通道1080P@60fps高清,且可支持MPEG4、MPEG2、VC1等视频压缩格式,还有能力支持SVAC中国自主知识产权标准的能力。DM8168还可采用单片实现六通道高清1080P@30fps或720P@60fps编码、十二通道高清720P@30fps编码、三十通道D1编码,支持各种高清或标清数字视频监控系统的所有编码要求。而解码和编码也具有相同的能力,这就使之既可以用于开发多通道DVR和DVS,又能开发多通道NVR,且都支持高清应用。

  此外,DM8168还嵌入强大的主处理器ARMCortexA8,主频可达1GHz,可以作为产品的核心处理器,运行高速实时操作系统,支持千兆以太网络、SATA硬盘接口、PCIe高速总线接口等。由于集成了性能强大的视频处理子系统,可以实现反隔行处理和图像增强和降噪功能,并且支持三个独立图形层和线性缩放及三个高清或标清的OSD等功能。又由于集成有3D图形加速器,产品可支持三维菜单界面,为数字视频监控产品界面带来全新改观。

  为了满足不同网络带宽和显示设备的需求早先IP监控系统往往采用多码流同时编码的方式,这无疑增加了数据吞吐量。H.264SVC(ScalableVideoCompress,可扩展视频编码)提供了一个有效的解决办法。利用可扩展编码,编码器只需要提供一个码流,人们可以选择需要的层级(分辨率、帧率等)进行传输、存储和解码,节约带宽和存储设备,充分利用原有的非高清显示器。

  显然,仅有高清还远远不够,高清编解码芯片需要更高级别的SoC化来增加去隔行、3D降噪、视频增强等图像处理和智能识别能力,用以满足DVR和NVR所需的功能。也就是说,要重点考虑如何提升监控效率——智能监控。智能监控算法提升高清监控效率。随着监控摄像头的增多、金融犯罪手法多样化,智能监控势在必行。

  智能要聚焦于业务可视化管理,未来智能算法进一步提升内容分析可靠性,从监控辅助手段升级到支撑业务流程变革。而且将推进更多数字视频监控中的增值应用,如智能图像识别和实时视频分析,以及车牌识别、人脸识别、行为异常识别等。针对数字视频监控的智能化需求,通用可编程的高速处理器是最为理想的平台。TI的DSP已为众多的开发者所应用,实现嵌入式智能分析系统。在DM8168平台中已集成了一个C674x核心的DSP,并可以达到主频1GHz,而全部资源都可以用作包括智能视频分析的增值性功能。

  全面系统整合云架构模式电子系统发展宗旨之一就是最大限度地简化电路设计,达到整体产品系统的可靠性、精度、稳定等品质指标。然而,刚登上前台的SoC芯片距离这一目标尚有一段距离。从硬件方面看,高SoC化需要的多个CPU核的协调处理,大量的DMA操作以及海量的内存数据管理,虽然满足了更多路的编解码处理性能,但也给编解码芯片带来了更高的复杂度和难度,同时稳定性问题无可避免;从软件方面看,底层驱动和SDK需要提供更多的接口来满足上层AP的需要。实际上,一个芯片的成功与否,不但要求芯片硬件的性能稳定,更需要功能强大的驱动和SDK的配套支持。

  面向安防市场的发展,系统全面整合集成仍然是未来的发展方向。对芯片而言,所有系统的单片化解决方案将是必由之路,而体系结构也必将为一致性。视频编解码的实现将采用硬件和软件结合的方式,这样才可以满足各种更新格式视频压缩和处理技术的需要。各种显示、传输和交互接口性能和功能都将继续高度集成和提升。因此,未来的数字视频监控系统开发的大量工作,将集中在软件的系统开发。从编解码芯片看,超多路高清编解码性能的芯片是未来趋势,且编解码芯片中集成前后端模块也是未来发展方向之一。

  HD-SDI芯片方案及选择

  HD-SDI的含义

  SDI(serialdigitalinterface)是“数字分量串行接口”,HD-SDI就是高清数字分量串行接口。HD-SDI芯片摄像机是实时无压缩的高清广电级摄像机,是安防监控领域的又一科技进步,因为它能为监控中心提供高清晰的图像来源。实际上,画面清晰、没有延迟、方便控制和远端储存管理,说起来都容易,但高清化之后就变成难题。不论高清影像是否经过压缩,非网络化的图像信号能传得多快多即时,能跑到多远距离,对安全监控而言是非常严酷的考验。因此,我们说高清的考验是传输,传输越远就越凶险。正如我们熟悉的SDI,其规格概念不来自影像领域,而是指一种传输方式,是信号发射与接收端(Tx和Rx)的技术。

  HD-SDI芯片的发送与接收端方案SDI的功能由不同单元组成,在安防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(第三代序列数位介面)各自推出不少解决方案。这些公司包括Gennum(现已并入Semtech),NationalSemiconductor(NS,现并入德州仪器)、Altera与Xilinx等。其中,Gennum日后发展出GV7600/GV7601芯片在安防之所以有名,除了是HDcctv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)的芯片就是串列器(Serializers)加上电缆驱动器(CableDrivers),而接收端(Rx)芯片即为解串列器(Deserializers)加上电缆等化器(Equalizers),可精简摄像机和DVR的设计。

  目前,HD-SDI在发送端主要应用于摄像机等前端采集设备,摄像机的CCD或CMOS图像传感器采集信号后,未经压缩的高清视频信号传输方式有模拟和数字两种。模拟传输一般采用YPbPr分量传输,一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输,其中DVI或HDMI的传输距离只有几米,中间加中继放大器,最远也只有几十米左右,不适合用于监控图像的远程传输,通常被应用在演播控制室内设备间的连接和信号传输。而HD-SDI信号可以传输百米左右,并可采用CVBS同轴电缆传输,接口为常用的BNC,所以通常被应用在现场采集设备与百米内的控制设备间的信号传输连接。现在,国内已有不少安防厂家推出了自己的SDI接口高清摄像机,可以实现1080P25高清显示。

  摄像机的图像传感器,相当于人的眼睛,主要完成光学图像转换为电子图像信号。但在实际的应用场合,使用CCD图像传感器远远不能满足高速读取高清数据的需要。而CMOS图像传感器则没有CCD的“瓶颈”问题,它能够在短时间内处理大量数据,输出高清影像,也能满足高清HDV的需求;并且,CMOS对抗CCD的优势在于成本低、耗电少,可以与视频处理电路同处于一个芯片上;由于CCD成像时,需AFE模拟前端将CCD图像信号数字化,并产生CCD控制时序,而CMOS型成像器件,则可直接输出数字信号,故不需要AFE模拟前端。因此,对于HD-SDI摄像机,CMOS图像传感器更加适合。从目前的市场情形来看,随着光电成像技术的发展,在专业和家用摄影、摄像器材领域中,CMOS图像传感器已可能完全替代CCD图像传感器。

  CPU作为整个高清摄像机核心器件,相当于人的大脑与心脏,HD-SDI高清摄像机不经编码压缩,以原始数字信号,经HDMI或HD-SDI口输出。总体来说,CPU不仅具有图像处理和编码功能,还要完成高清摄像机系统控制及计算,充当整个系统的中央处理器。

  目前,“高清视频、高清音频”在安防行业的呼声很高,针对前端摄像机,越来越多的厂家倾向于采用具备高像素密度和高动态范围的产品,这就意味着数据量会越来越大,需要CPU的处理能力更强,尤其是针对并行数据处理,采用DSP/ASIC/ASSP的视频摄像机则显得“心有余,而力不足”。而FPGA产品固有的并行性和可编程性,恰好能够为厂商提供各种性能,以满足市场的需要。目前,在所有的低成本FPGA系列中,CyloneIII器件具有最大的存储逻辑比和DSP逻辑比,最适合HD-SDI摄像机等视频处理应用。

  信号输出接口包括串行器(Seralizer)、电缆驱动器CD(CableDriver)等电路,其中串行器也称之为发送器(Transmitter),主要实现将CPU输出的10BIT/20BIT视频数据按SMPTE规定的编码标准调制成标准SDI信号发送出去。为了增加传送距离,通常会带一个电缆驱动器,无需增加传送距离,也可以不用。

  由于部分半导体厂家如NS、GENNUM等,不同厂家的三个不同速率的均衡器(EQ)管脚封装都是一样的,各芯片都是向下兼容的,如支持3G速率、HD-SDI,只需更换相应的均衡器EQ型号,硬件设计与PCB都不需要做改动,从而可大大降低研发成本。

  HD-SDI芯片的类型

  在安防运用上,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,它主要是靠几个芯片共同组成。以TI(NS)推出的芯片种类表示,包括电缆等化器(Equalizers)、电缆驱动器(CableDrivers)、时脉重整器(Reclocker)、串列器(Serializers)、解串列器(Deserializers)、影像时序控制器(VideoTiming)和其他特殊控制功能的IC等。这就表示在HD安防的SDI芯片阵营中,就可粗分为如Semtech(Gennum)的整合型和TI(NS)的离散式等两种典型。其余还有EqcoLogic和Mindspeed等公司推出的分离型元件。

  至于SDI芯片的另一种区分法,尤其在安防中会比较明显的,就是单路和多路的差别,主要是指高速解串列器(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,如Lattice、Altera和Xilinx,大多由FPGA担纲;即使有如韩国SiliconGear公司开出整合HD等级MUX与4路解串列器单颗芯片,其实里面仍为FPGA本质。至于真正能有ASIC是4路合1,或许等市场更稳定成熟,就会有些安防老牌芯片厂推出产品。特别值得指出的是,等化器(Equalizers)则不适宜作多路整合,因为它牵涉到过于密集的电路布线与干扰等问题。

  此外,SDI包括CableDriver和Equalizer等元件,都含有混合信号技术,在并入德州仪器(TI)以前,NS就是知名的类比芯片供应厂。而众所周知,原本TI在数位方案,包括DSP/SoC等许多方面,对于安防IP摄像机和DVR/NVR设备主控芯片端,就已具备强大的支持力道,在安防业界起指标性作用。合并NS除了让TI的整体类比芯片实力壮大,事实上对HD安防的设计方案更别具意义。

  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信号,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。基于信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。

  HD-SDI芯片方案及选择

  HD-SDI芯片更好的画质,更低甚至可以忽略不计的延时,与原有模拟系统良好的兼容性等,引起了多家芯片厂商的注意,安霸、TI、海思等厂家都加入了HD-SDI芯片市场的角逐,Gennum不再是一枝独秀,从而促使HD-SDI芯片方案在结构及成本上出现差异化竞争。

  ISP方案的推出,也让SDI摄影机厂商在组件上的选择更多,从而更好地体现了差异化。在此强调的是,我们对芯片的观察也不能停留在单一芯片上,而是整体的芯片方案,需要观察组件的搭配,以SDI摄像机来看,芯片、传感器及ISP(DSP)共同影响着其产品形式和成本。目前,市场上主要有以下4种HD-SDI芯片方案。

  CMOS图像传感器+ISP+Encoder方案

  第一种方案采用专用的ISP处理芯片和编码处理,该方案较灵活,采用专用的ISP芯片稳定性好,能够保证图像的质量,但非VLDS真实高清@60fps;

  CMOS图像传感器+(ISP+CODEC)方案

  第二种方案采用集成ISP的编码芯片,该方案灵活性次于第一种方案,且集成的ISP处理芯片稳定性虽高,但图像质量一般、成本较高;

  CMOS图像传感器+FPGA方案

  第三种方案采用FPGA等芯片实现信号处理及编码功能,该方案灵活性最强,但是稳定性差、成本最高、图像质量难于保证;

  CMOS图像传感器+ISP+SDITx方案

  第四种方案采用专用的ISP处理芯片和SDI发射芯片,该方案较灵活,采用专用的ISP芯片稳定性好,能够保证图像的质量,可提供高清@60fps。

  由此可见,各种搭配都有优劣,更为优秀的画质是HD-SDI的重要亮点,从其芯片方案上也可以看到,HD-SDI中的ISP多由独立的芯片进行处理,而非集成到编解码器CODEC上。

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