的关键不只在图像,反而在于传输。高阶感光元件与影像处理元件近乎唾手可得,但如何用对元件,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。所以我们说高清的考验是传输,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。
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领域迅速燃烧。
从Gennum和Stretch主导的HDcctv联盟于2010年点火开始,HD-SDI成为安防制造重镇的显学。
一时之间,观念更新、研发的艰辛、杀出红海的期盼,在安防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。包括设备相容性、影像信号的纯度、传送的距离、低延迟性要求、后端压缩效率、影像分析的效能、电力供应、控制信号、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。到底目前市面上有几种实现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?即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。
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,将我们发表于安防应用的GV7600和GV7601运用在其他相关领域如电视墙、医疗内视镜及MachineVision等。"
事实上,例如将HDMI信号延伸至100公尺以上的转接器和Extender设备,确实都可以有不错的发挥。这相当程度注解了SemtechCanada(Gennum)芯片的品质能力。未来SemtechCanada也将陆续发表植基于现有安防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,向摄像机端传输控制信号、声音等资料的解决方案。
从技术面拆解来看,SDI全名是串列数位介面,是一系列由SMPTE(TheSocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers)电影动画和电视工程师协会所定义的格式。这种SDI标准串列介面都用于传输未压缩且无延时的数码视频信号,同时能嵌入Audio音讯和Data控制码。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位视讯介面,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SMPTE424M标准规范的高解析晰电视定义格式,可提供2.970Gbit/s为1080P的高速影像资料传输介面。
在安防运用上,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,它主要是靠几个元件共同组成。以TI(NS)推出各别芯片种类表示,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。其余推出分离型元件,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,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路解串列器单颗芯片,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,就会有些安防老牌芯片厂推出产品。特别说明,等化器(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。
于今年四月CompoSec(第四届全球安防电子技术论坛),德州仪器负责SDI产品的讲员,资深应用工程师曾祥华,就已经发表前后端类比和数位芯片的整合设计,TI已能针对无压缩HD摄像机和HD-DVR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元件配合精简FPGA,与Semtech(原Gennum)的SDI芯片在延长传输距离,简化系统设计方面,于安防应用面正延续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。