14 января 2015

Аналоговое видеонаблюдение стандарт HDCVI

(High Definition Composite Video Interface – высокое разрешение с помощью композитного видеоинтерфейса)

Алексей Михайлов
Начальник сектора ФКУ НИЦ «Охрана» МВД России
подполковник полиции

Революционный скачок в области развития аналогового видеонаблюдения назревал уже давно. Действительно, рано или поздно мегапиксельные матрицы должны были прийти в аналоговое видеонаблюдение.

Первые попытки использования таких матриц в рамках аналогового стандарта PAL можно проследить на примере использования матриц ICX673AKA и IMX138LQJ (см. табл.1).

Таблица 1. Характеристики по разрешению матриц типа ICX673AKA и IMX 138LQJ

Тип матрицы	ICX673AKA	IMX138LQJ
Технология	Exview HADII	Exmor
Число пикселей	976x582	1280х960

Революционный скачок отважилась совершить китайская фирма «Dahua», разработавшая стандарт HDCVI (запатентован фирмой «Dahua»). Впервые об этом стандарте было заявлено в 2012 году.

Для улучшения качества изображения стандарт HD-CVI осуществляет разделение и независимую передачу сигнала яркости и цветосодержащих сигналов.

Количество кадров в секунду можно выбрать из ряда 25/30/50/60 для разрешения 1280х720 пикселей (720р) и 25/30 для разрешения 1920x1080 пикселей (1080р). В качестве линии связи используется традиционный коаксиальный кабель, что позволяет легко провести модернизацию уже развернутых аналоговых систем видеонаблюдения. Заявленная дальность передачи составляет 600 м при раз решении 720р и 400 м – при разрешении 1080р при использовании коаксиального кабеля типа SYV 75-5.

Примечание: Автоматическая коррекция видеосигнала позволяет минимизировать искажения на относительно длинных участках кабельной трассы.

Кроме того, по одному коаксиальному кабелю можно передавать звуковой сигнал с частотой до 32кГц (стандарт I2S) и сигналы телеметрии со скоростью от 100 до 400 Кбит/с (стандарт I2С). Каналы для передачи данных в прямом и обратном направлении объединены в зоне затухания импульсов кадровой частоты.

С целью осуществления независимой передачи сигнала яркости и цветосодержащих сигналов фирма «Dahua» использовала квадратурную амплитудную модуляцию QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Данная модуляция предусматривает разделение несущей волны на несколько одинаковых частот, сдвинутых относительно друг друга на определенную фазу, каждая из которых промодулирована по амплитуде.

Обычно QAM используют при передаче цифровых сигналов, поэтому в зависимость от величины фазового сдвига и дискрета по амплитуде у нас существует 8, 16, 64, 256 QAM (см. рис. 1).

Рис.1. Осциллографическая диаграмма 8 QAM (обратите внимание, что у сигнала частота одинакова, меняется только амплитуда и фаза)

Надо сказать, что фирма «Dahua» выбрала не самый передовой вид модуляции для передачи видеосигнала. Известен он достаточно давно. В настоящее время для передачи информации в xDSL модемах уже используются такие виды модуляции как CAP, OFDM, DMT и т.д. Если выстраивать данные алгоритмы по степени совершенства, то список возглавит DMT, за ним OFDM, затем CAP и только потом QAM. Очевидно, это сделано для упрощения и удешевления чипов, используемых в стандарте HDCVI.

Примечание: CAP (carrier less amplitude modulation/phase modulation) – алгоритм амплитудно-фазовой модуляции с подавлением несущей частоты. DMT (discrete multi tone) – многочастотный алгоритм. OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) – ортогональная частотная модуляция.

Однако, вернемся к стандарту HDCVI. Если сравнивать его с традиционным аналоговым телевидением стандарта PAL, то прогресс в технической области неоспорим.

Если сравнивать с IP-видеонаблюдением, то он выгодно отличается простотой инсталляции и ценой на изделия. Другой больной точкой в IP-видеонаблюдении является необходимость установки повторителя (хаб, свитчер, роутер или иное IP-устройство) через каждые 100 м «витой пары». Дело в том, что если мы хотим в цифровом виде передать спектр сигнала с верхней частотой Fверх., то количество отсчетов по теореме Котельникова должно быть не менее 2 Fверх., а разрядность АЦП должна быть 9-10 разрядов (для получения соотношения сигнал/ шум – хотя бы в 48 дБ). По этой причине резко растет скорость передачи данных, а значит и затухание в линии связи. Кроме того, «витая пара» является далеко не идеальной средой передачи с точки зрения «завала» высоких частот. С точки зрения «завала» высоких частот коаксиальный кабель обладает гораздо лучшими характеристиками.

Кроме того, надо учесть, что протокол TCP/IP никогда не создавался и не оптимизировался под передачу видеоданных.

В протоколе HDCVI отсутствуют временные задержки при передаче видеосигнала, чем часто грешат любые IP-системы.

Часто стремление снизить нагрузку на сеть при передаче видеоданных заставляет выставлять высокий уровень компрессии, что полностью нивелирует достоинство мегапиксельного IP-видеонаблюдения.

Именно для решения этих проблем (в основном для исключения влияния компрессии на качество сигнала) и был создан стандарт HDSDI. В нем передача информации осуществляется в цифровом виде по коаксиальному кабелю (как и в HDCVI) без использования компрессии видеосигнала. При передаче используется канальное кодирование с модифицированным кодом без возвращения к нулю (БВНМ) (см. рис.2) в сочетании со скремблированием.

Таблица 2. Значение кодовой группы, символа и напряжения БВНМ

Кодовая группа	Кодовый символ	Кодовое напряжение
00	-3	-2,5В
01	-1	-0,833В
10	+3	2,5В
11	+1	0,833В

Рис.2. Канальное кодирование с модифицированным кодом без возвращения к нулю (на графике по оси X – время, по оси У – вольты)

Такой возможности нет в HDCVI, поскольку в нем используется аналоговый видеосигнал. Нет возможности в HDCVI использовать помехозащищенное кодирование, которое обычно дает выигрыш в соотношении сигнал/шум на 3-6 дБ.

Достоинством HDSDI, как, впрочем, и любого другого цифрового протокола, является возможность многократного повторения сигнала при передаче без ухудшения качества изображения. Таким образом, в формате HDSDI мы наблюдаем качественную картинку и не замечаем искажений с ростом расстояния, но потом происходит срыв видеоизображения (при этом приемник полностью не может декодировать и отобразить изображение).

У аналогового видеосигнала с ростом длины линии связи пропорционально уменьшается соотношение сигнал/шум в видеосигнале.

С другой стороны, HDCVI выгодно отличается от HDSDI своей ценой (примерно в два раза дешевле) и дальностью передачи (400-600 м для HDCVI и 100- 300 м до повторителя для HDSDI).

Если мы имеем локальную систему видеонаблюдения на основе HDCVI, то мы осуществляем прием на локальный видеорегистартор (DVR), который осуществляет запись нашего видеосигнала и преобразование его для отображения на экране монитора. Однако, как только хотим ввести удаленное видеонаблюдение или хранение данных, то мы поневоле возвращаемся к IP-видеонаблюдению и протоколу TCP/IP (см. рис. 3-4 на стр.3).

Объективности ради надо сказать, что чаще всего при записи используется компрессия H.264 с разрешением при записи 720р (25 к/с), а не 1080р, что несколько снижает потенциальное разрешение, возможное в HDCVI.

Примечание: обратите внимание, что уже существуют конверторы HDCVI в оптоволоконные сигналы и наоборот.

Выводы:

1) Переход в аналоговом видеонаблюдении от стандарта PAL к стандарту HDCVI значительно улучшил технические возможности аналоговых систем видеонаблюдения.

2) Стандарт HDCVI обладает исключительной «дальнобойностью», что бывает чрезвычайно важно при наблюдении периметра протяженных объектов. Размещение усилителя/повторителя (ретранслятора) в неотапливаемом помещении для других стандартов потребует применение термобоксов с подогревом, которые обычно многократно превосходят по цене стоимость ретранслятора.

3) В настоящее время в малобюджетном сегменте по совокупности характеристик (цена/качество, простота внедрения и т.д.) стандарт HDCVI вне конкуренции.

4) Можно ожидать появление клонов данного оборудования или разработок, близких по своей идеологии к стандарту HDCVI (поскольку он запатентован) от других производителей.

5) Несмотря на все свои положительные технические решения, стандарт HDCVI потребует качественного коаксиального кабеля и аккуратного монтажа, поэтому надежды на мгновенное возрождение старой аналоговой видеосистемы в новом качестве скорее всего не оправдаются.

6) Наиболее чувствителен стандарт HDCVI будет к низкочастотным (в том числе и 50 Гц) наводкам. Данная особенность объясняется физическими свойствами коаксиального кабеля.

7) Стандарт HDCVI пока несовместим ни с каким другим оборудованием сторонних производителей, что сдерживает его внедрение.

8) В сегменте качественного видеонаблюдения с функциями видеоналитики прочно будет удерживать свои позиции стандарт HDSDI.

9) При построении «глобальных» систем видеонаблюдения приоритет будет за IP-системами.

10) Стандарт HDCVI будет развиваться. В настоящее время проводятся эксперименты по использованию в качестве среды передачи «витой пары». Заявляется о полученной дальности в 240 м.

11) Стандарт HDCVI является достаточно интересным, с перспективой развития, на него следует обратить пристальное внимание.