CN101621671A - 数字高清民用闭路监视电视系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字高清民用闭路监视电视系统，其包括数字高清摄像设备、数字高清传输设备及数字高清显示设备；所述数字高清摄像设备包括摄像设备及将摄像设备的数字信号转换为SDI信号并发送至数字高清传输设备的第一数字高清发送模块；所述数字高清显示设备包括接收数字高清传输设备的SDI信号并将其转换为数字信号的第一数字高清接收模块及接收数字高清接收模块数字信号的显示设备。本发明结构简单且易于实现远距离传输。

Description

数字高清民用闭路监视电视系统

技术领域

本发明涉及民用闭路监视电视系统(CCTV)，更具体地说，是一种数字化、高清化的民用闭路监视电视系统(HDCCTV)。

背景技术

民用闭路监视电视系统(CCTV)采用复合视频传输格式，75欧姆BNC连接器和75欧姆同轴电缆，系统宜由摄像、传输、显示及控制等四个主要部分组成。当需要记录监视目标的图像时，应设置录像装置。在监视目标的同时，当需要监听声音时，可配置声音传输、监听和记录系统。民用闭路监视电视系统能实时、形象、真实地反映被监控对象，广泛应用于各种安全防范工程。

传统的模拟监视系统清晰度不高，远不能达到高清的标准，随着技术的发展，各种新方案，新技术也陆续推出，但到目前为止，民用闭路监视电视系统(CCTV)还没有数字化、高清化的系统方案推出。

从目前技术的发展来看，主要是数字化、网络化的CCTV系统，这是市场的主流方向。网络化是基于图像压缩和TCP/IP协议，并采用网络传输的方式实现数字化的监视电视系统。

网络化的CCTV有很多优势，例如点对面的监视方式，后端可查看任意前端；应用空间很广，目前TCP/IP网络已经遍及全球各地；基于图像压缩的传输方式，压缩后的视频码流比较小，方便传输；可以实现百万以上像素，高清监视；最重要的还有传输距离远，几乎无传输距离的限制，且布线简单。但是，网络化的CCTV，目前还有几个问题未能解决：网络带宽太窄，IP地址资源不够；TCP/IP协议规定码流打包传输，视频需要缓冲，无法实现实时图像；视频经过压缩，造成图像质量降低；没有技术标准，无标准可依。

对于高清接口，目前符合高清标准的接口有很多，例如HDMI接口。HDMI接口如果应用于安防领域，存在三个问题，一个是传输距离比较短，只有几米至十几米的传输距离；第二个是采用专用接口，不能与现有的模拟监控系统75欧姆BNC连接器相兼容，第三，HDMI最高数据传输速度为5Gbps，即使使用光纤，在不压缩的情况下，也无法传输。因此，HDMI只适用于传输距离非常短的应用，不适用于需要传输几十米，几百米乃至几十公里的CCTV系统。

在实际应用中，人们希望有一种方案简单易行，能够在一些小规模，小局域实现数字化、高清化的民用闭路监视电视系统。

数字高清民用闭路监视电视系统(HDCCTV)，是拥有HDTV视频质量的高清视频监控，是指清晰度达到高清标准，即指清晰度达到720P或者1080I&P，同时传输数字信号，高清化，数字化的视频监视系统。

SDI广泛应用于广播电视领域，采用75欧姆BNC连接器和75欧姆同轴电缆，和现有模拟CCTV系统一致，如果用在安防监控系统，则可以互相兼容。同时，SDI采用同轴电缆，可以传输100米的距离，传输距离相对较远，完全可以满足在一些小型系统上的应用。

SD-SDI接口，按照SMPTE 259M定义的标准清晰度格式，由国际电信联盟(ITU)所制订，是目前广播电视放送的规格标准。作为标准广播电视放送用的SD-SDI接口，有如下指标：组成成分：亮度(Y)、色差(Cb及Cr)；取样频率：13.5MHz(Y)和6.75MHz(Cb，Cr)；取样方法：Y∶Cb∶Cr＝4∶2∶2；位数：标准8bit、扩充10bit；清晰度：480P；演播室使用的标准清晰度SD-SDI接口标准码率270Mbit/S。

HD-SDI接口，按照SMPTE 259M定义的高清晰度格式，由ARIB规范，是高清广播电视放送的规格标准。作为高清广播电视放送用的HD-SDI接口，有如下指标：组成成分：亮度(Y)、色差(Pb及Pr)；取样频率：74.25MHz(Y)及37.125MHz(Pb，Pr)；取样方式：Y∶Cb∶Cr＝4∶2∶2；位数：8bit及10bit(S-002B规范)；清晰度：720P、1080P&i。HD-SDI能够传输的最高码率是1485Mbps。

采用HD-SDI接口格式，包括向下兼容SD-SDI，作为数字化，高清化的民用闭路监视电视系统的接口标准，有以下优势：

1、SDI有符合广播行业标准的依据；

2、SDI采用的75欧姆BNC连接器和75欧姆同轴电缆与现有模拟系统一致，工程上可以兼容原有模拟CCTV；

3、采用同轴电缆，传输距离可以达到100米，完全满足一般小规模系统的要求；

4、HDCCTV升级可减少已投入的成本；

5、点对点监控，无打包遗失，无压缩延迟；

6、对于现有的CCTV系统“即插即用”即可实现高清视频监视的升级；

7、实现完全数字化，高清化闭路监视。

按照民用闭路监视电视系统(CCTV)宜由摄像、传输、显示及控制等四个主要部分组成，需要时，还应设置录像设备、音频传输、监听、记录设备的要求，如果采用SDI信号格式，实现HDCCTV，现有设备不能满足应用的需要，存在以下问题：

A、CCTV采用的安防监控用摄像机、矩阵、监视器均不带SDI接口，更加没有高清晰度的HD-SDI接口；

B、对传输距离超过100米，要求摄像机本身带有光传输，才能实现图像传输的要求；

C、现有具备SDI接口的广播级设备价格昂贵，完全不适用于民用闭路监视电视系统。

另外，SDI专用的ASIC接口芯片价格昂贵，且每颗都只支持1路SDI编解码，功能相对简单，不适用于民用闭路监视电视系统。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种结构简单、易于实现远距离传输的数字高清民用闭路监视电视系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种数字高清民用闭路监视电视系统，其包括数字高清摄像设备、数字高清传输设备及数字高清显示设备；

所述数字高清摄像设备包括摄像设备及将摄像设备的数字信号转换为SDI信号并发送至数字高清传输设备的第一数字高清发送模块；

所述数字高清显示设备包括接收数字高清传输设备的SDI信号并将其转换为数字信号的第一数字高清接收模块及接收数字高清接收模块数字信号的显示设备。

除此之外，该系统还包括数字高清录像设备，其包括录像设备、第二数字高清发送模块及第二数字高清接收模块；第二数字高清接收模块将来自数字高清摄像设备的SDI信号转换为数字信号并发送给录像设备；第二数字高清发送模块用于将来自录像设备的数字信号转换为SDI信号并通过数字高清显示设备发送至数字高清显示设备。

具体地，第一、第二数字高清发送模块包括FPGA模块及与FPGA模块连接的SDI模块，FPGA模块用于接收数字信号并将数字信号转换为SDI信号；SDI模块用于驱动SDI信号并发送至BNC输出端口，BNC输出端口与数字高清传输设备传输信号；

第一、第二数字高清接收模块也包括FPGA模块及与FPGA模块连接的SDI模块，FPGA模块用于接收SDI信号并将SDI信号转换为数字信号；SDI模块用于接收BNC输入端口的SDI信号并驱动发送至FPGA模块，数字高清传输设备与BNC输入端口传输信号；

所述数字高清传输设备包括同轴电缆。

为了使得系统控制前后端协调可控，并具备监听、对讲功能，所述FPGA模块还连接双向通讯数据传输模块及双向音频传输模块；

双向通讯数据传输模块用于传输摄像设备、显示设备及录像设备的控制信号；

双向音频传输模块用于对前端监控场所的监听或对讲，FPGA模块与双向音频传输模块互传输音频信号，FPGA模块将音频信号嵌入SDI信号中，并发送至SDI模块或光收发模块。

为使得传输距离更远，所述FPGA模块还连接有光收发模块，用于将SDI信号转换为光信号，光收发模块与数字高清传输设备互传信号；所述数字高清传输设备还包括光纤。

为满足光纤传输的要求，所述第一、第二数字高清发送模块通过第一同轴电缆、数字高清光端机的发送机、光纤线路、数字高清光端机的接收机、第二同轴电缆与第一、第二数字高清接收模块通信。

具体地，所述数字高清光端机的发送机包括传输SDI信号的BNC输入接口、将SDI信号转换为光信号的光收发器及发送光信号的光纤输出接口，所述数字高清光端机的接收机包括接收光信号的光纤输入接口、将光信号转换为SDI信号的光收发器及传输SDI信号的BNC输出接口。

所述录像设备包括视频压缩芯片及硬盘，SDI信号经第二数字高清接收模块发送至视频压缩芯片，并存储在硬盘中，同时视频压缩芯片能从硬盘中读取数据，经第二数字高清发送模块输出SDI信号，且该硬盘采用Raid磁盘阵列。

所述数字高清摄像设备、数字高清传输设备及数字高清显示设备还均连接有控制设备，该控制设备为遥控器、控制键盘、PC电脑中的一种或多种组合。

所述摄像设备包括CCD或CMOS图像传感器，图像传感器光电转换后输出数字信号至第一数字高清发送模块；

所述显示设备包括视频输入电路、视频处理电路及视频显示电路，第一数字高清接收模块将接收到的SDI信号转换为数字信号并发送至视频输入电路，数字信号经视频处理电路处理转换为LVDS信号，驱动视频显示电路。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的各个模块集成在同一PCB主板上，不同模块通过采用不同的FPGA程序，板上只贴装相应元件来实现，系统结构简单，易于应用。

2、特别地，FPGA模块通过软件编程实现各个功能，硬件成本很少。

3、有双向音频传输和双向通讯数据传输功能，满足CCTV应用的需要。

4、采用HD-SDI并向下兼容SD-SDI，有符合广播行业标准的依据；

5、SDI采用的75欧姆BNC连接器和75欧姆同轴电缆兼容模拟CCTV系统。

6、采用同轴电缆，传输距离可以达到100米，完全满足一般小规模系统的要求；

7、点对点监控，无打包遗失，无压缩延迟；

8、实现完全数字化，高清化闭路监视。

附图说明

图1是现有模拟CCTV系统的示意图；

图2是数字高清HDCCTV系统的示意图；

图3是数字高清发送模块结构图；

图4是数字高清接收模块结构图；

图5是摄像设备升级为数字高清摄像设备的结构图；

图6是显示设备升级为数字高清显示设备的结构图；

图7直接采用光纤传输示意图；

图8是数字高清光端机发送机结构图；

图9是数字高清光端机接收机结构图；

图10是采用光端机的HDCCTV系统结构图；

图11是数字高清硬盘录像机结构图；

图12是带录像机的HDCCTV系统结构图；

图13为HDCCTV最小系统结构图；

图14为本发明数字高清发送/接收一体板结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，是现有模拟CCTV系统的示意图。包括有摄像设备，摄像设备输出复合视频信号，采用BNC连接器，同轴电缆传输方式，还包括后端显示设备，显示设备同样采用BNC连接器，输入复合视频信号。系统有控制设备，用于对系统进行设置、调整、控制。

本发明提供了一种数字高清民用闭路监视电视系统HDCCTV，如图2至图4所示，其包括数字高清摄像设备、数字高清传输设备及数字高清显示设备；

所述数字高清摄像设备包括摄像设备及将摄像设备的数字信号转换为SDI信号并发送至数字高清传输设备的第一数字高清发送模块；

所述数字高清显示设备包括接收数字高清传输设备的SDI信号并将其转换为数字信号的第一数字高清接收模块及接收数字高清接收模块数字信号的显示设备。所述SDI信号是高清HDSDI，并向下兼容标清SDSDI。

具体地，第一、第二数字高清发送模块包括FPGA模块及与FPGA模块连接的SDI模块，FPGA模块用于接收数字信号并将数字信号转换为SDI信号；SDI模块用于驱动SDI信号并发送至BNC输出端口，BNC输出端口与数字高清传输设备传输信号；

第一、第二数字高清接收模块也包括FPGA模块及与FPGA模块连接的SDI模块，FPGA模块用于接收SDI信号并将SDI信号转换为数字信号；SDI模块用于接收BNC输入端口的SDI信号并驱动发送至FPGA模块，数字高清传输设备与BNC输入端口传输信号；

所述数字高清传输设备包括同轴电缆。

数字高清摄像设备输出HD-SDI信号，采用BNC连接器，同轴电缆传输方式。数字高清显示设备输入HD-SDI信号，同样采用BNC连接器。两个设备同样有控制设备，用于对系统进行设置、调整、控制。

由此可知，采用HD-SDI信号的数字高清HDCCTV系统与模拟CCTV互相兼容，可采取对模拟CCTV升级从而达到高清效果，系统只需要更换摄像设备和显示设备则可。

进一步地，为使系统设计更为简单，使系统设计模块化，具备可行性和节省成本，我们设计了数字高清发送模块和数字高清接收模块。通过对原有的高清摄像机和高清监视器进行升级，从而实现数字高清民用闭路监视电视系统的目的。

进一步地，在数字高清发送模块和数字高清接收模块上，为使得系统在必要时，具备监听、对讲功能，设计了音频模块；为使得系统控制前后端协调可控，还设置了双向通讯数据传输模块。

FPGA可以选用型号为LEF2M20SE的芯片，也可以选用其它FPGA。SDI模块线缆驱动可以选用型号为LMH0002的芯片。双向音频模块由微音器和音频DAC芯片、音频ADC芯片以及相应电路构成。音频DAC可以选用型号为CS4334的芯片。数字化的音频信号连接FPGA模块，并嵌入到SDI信号中，和SDI信号一同输出。音频DAC模块可以采用型号为CS4334的芯片，将接收到的音频信号转换为模拟输出。为使得传输距离更远，还设置了光收发模块，并连接FPGA，可以采用规格为双向，速率2.5G，SFP或1x9封装的器件。FPGA处理后的SDI信号经光收发模块连接光纤输出。来自后端的通讯信号，连接由FPGA编程实现的数据接收模块。FPGA从通讯数据中分离提取控制通讯数据，并输出。通讯数据可以采用MAX232或MAX485芯片，用于对云台，球机的控制。

如图4所示，是数字高清接收模块结构图。数字高清接收模块采用与数字高清发送模块一样的器件，信号流相反。

如图5所示，是摄像设备升级为数字高清摄像设备的结构图。摄像设备包括图像传感器、视频处理电路、视频输出电路。图像传感器光电转换后输出数字信号，一般为656信号，经过视频处理，转换为复合视频信号输出，因此即使摄像设备选用高清的图像传感器，由于视频处理格式为模拟复合视频，清晰度必然会大大降低至复合视频规格。本发明摄像设备，在图像传感器光电转换后，接入本发明数字高清发送模块，将摄像设备数字信号转换为HD-SDI信号发出。本发明摄像设备图像传感器，包括CCD和CMOS，应选用百万像素以上的高清图像传感器。

如图6所示，是显示设备升级为数字高清显示设备的结构图。所述显示设备是监视器或由监视器组成的监视墙。显示设备包括视频输入电路，视频处理电路，视频显示电路。视频输入电路转换为数字信号，并经视频处理后转换为LVDS信号，驱动液晶屏显示。本发明显示设备，在通过数字高清接收模块，将接收到的数字高清信号转换为数字信号，一般为656信号，接入显示设备的视频处理模块，转换为LVDS信号后驱动液晶屏显示。本发明显示设备应选择高清液晶显示屏和高清视频处理芯片。

如图3、图4所示，在数字高清发送模块和数字高清接收模块上，均设置了光收发模块，可直接采用光纤传输。如图7所示。

由于光收发模块价格较高，而本发明数字高清民用闭路监视电视系统HDCCTV，由于HD-SDI采用同轴电缆有100的传输距离，基本满足一般民用闭路监视需要，为节省成本，本发明数字高清发送模块和数字高清接收模块一般不贴装光收发模块。

基于此，本发明还包括一种数字高清光端机，满足部分需要光纤传输的要求。本发明数字高清光端机包括发送机和接收机，分别由数字高清发送模块和数字高清接收模块通过更换程序实现。

如图8所示，在数字高清发送模块上，去除了SDI输出部分，通过修改FPGA程序变更输入信号为HD-SDI信号格式，同时配合机壳，形成数字高清光端机的发送机。

如图9所示，在数字高清接收模块上，去除了SDI输入部分，通过修改FPGA程序变更输出信号为HD-SDI信号格式，同时配合机壳，形成数字高清光端机的接收机。

如图10所示，采用数字高清光端机的HDCCTV系统结构图。

进一步地，本发明还设置了数字高清录像设备，其包括录像设备、第二数字高清发送模块及第二数字高清接收模块；第二数字高清接收模块将来自数字高清摄像设备的SDI信号转换为数字信号并发送给录像设备；第二数字高清发送模块用于将来自录像设备的数字信号转换为SDI信号并通过数字高清显示设备发送至数字高清显示设备。

如图11所示，传统的录像设备，输入信号格式为复合视频信号，经过模数转换后，由视频压缩芯片进行压缩，并存储在硬盘中，同时视频压缩芯片又可以从硬盘中读取录像数据，经数模转换后，输出复合视频信号。本发明数字高清录像设备，增加了第二数字高清接收模块和第二数字高清发送模块。HD-SDI信号经第二数字高清接收模块连接视频压缩芯片，并存储在硬盘中，同时视频压缩芯片可从硬盘中读取数据，经第二数字高清发送模块输出HD-SDI信号。由于HD-SDI视频码流非常大，所以本发明数字高清录像设备，需采用Raid磁盘阵列。

如图12所示，是增加了数字高清录像设备的HDCCTV系统结构图。由图可见，系统从前端数字高清摄像设备开始，传输HD-SDI信号，经数字高清录像设备，最终在数字高清显示设备上重现。系统包括控制设备，如遥控器、键盘。

在很多情况下，民用闭路监视电视系统还需要监听，还涉及到数字高清摄像设备、数字高清传输设备及数字高清显示设备，即前中后端的设备还均连接有控制设备，该控制设备为遥控器、控制键盘、PC电脑中的一种或多种组合。

如图13所示，为HDCCTV最小系统结构图，包括数字高清摄像设备、数字高清录像设备、数字高清显示设备和控制设备，传输HD-SDI信号，还包括前端的微音器，对讲机，摄像设备还包括带云台或是球机。后端还包括对讲机，扬声器等。

如图14所示，为本发明数字高清发送/接收一体板结构图。

本发明是一种数字高清民用闭路监视电视系统的实现方法，所有设备均因使用所需，而会有所选择，在很多情况下，系统前端可能包括多台摄像设备，甚至几十，上百，甚至更多的摄像设备，同时，也可能包括更多的录像设备，显示设备。本发明的各个模块集成在同一PCB主板上，不同模块通过采用不同的FPGA程序，板上只贴装相应元件来实现，系统结构简单，易于应用。

Claims (10)

1、一种数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：包括数字高清摄像设备、数字高清传输设备及数字高清显示设备；

所述数字高清摄像设备包括摄像设备及将摄像设备的数字信号转换为SDI信号并发送至数字高清传输设备的第一数字高清发送模块；

所述数字高清显示设备包括接收数字高清传输设备的SDI信号并将其转换为数字信号的第一数字高清接收模块及接收数字高清接收模块数字信号的显示设备。

2、根据权利要求1所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：还包括数字高清录像设备，其包括录像设备、第二数字高清发送模块及第二数字高清接收模块；第二数字高清接收模块将来自数字高清摄像设备的SDI信号转换为数字信号并发送给录像设备；第二数字高清发送模块用于将来自录像设备的数字信号转换为SDI信号并通过数字高清显示设备发送至数字高清显示设备。

3、根据权利要求1或2所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：第一、第二数字高清发送模块包括FPGA模块及与FPGA模块连接的SDI模块，FPGA模块用于接收数字信号并将数字信号转换为SDI信号；SDI模块用于驱动SDI信号并发送至BNC输出端口，BNC输出端口与数字高清传输设备传输信号；

第一、第二数字高清接收模块也包括FPGA模块及与FPGA模块连接的SDI模块，FPGA模块用于接收SDI信号并将SDI信号转换为数字信号；SDI模块用于接收BNC输入端口的SDI信号并驱动发送至FPGA模块，数字高清传输设备与BNC输入端口传输信号；

所述数字高清传输设备包括同轴电缆。

4、根据权利要求3所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：所述FPGA模块还连接双向通讯数据传输模块及双向音频传输模块；

双向通讯数据传输模块用于传输摄像设备、显示设备及录像设备的控制信号；

双向音频传输模块用于对前端监控场所的监听或对讲，FPGA模块与双向音频传输模块互传输音频信号，FPGA模块将音频信号嵌入SDI信号中，并发送至SDI模块或光收发模块。

5、根据权利要求4所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：所述FPGA模块还连接有光收发模块，用于将SDI信号转换为光信号，光收发模块与数字高清传输设备互传信号；所述数字高清传输设备还包括光纤。

6、根据权利要求4所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：所述第一、第二数字高清发送模块通过第一同轴电缆、数字高清光端机的发送机、光纤线路、数字高清光端机的接收机、第二同轴电缆与第一、第二数字高清接收模块通信。

7、根据权利要求6所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：所述数字高清光端机的发送机包括传输SDI信号的BNC输入接口、将SDI信号转换为光信号的光收发器及发送光信号的光纤输出接口，所述数字高清光端机的接收机包括接收光信号的光纤输入接口、将光信号转换为SDI信号的光收发器及传输SDI信号的BNC输出接口。

8、根据权利要求2所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：所述录像设备包括视频压缩芯片及硬盘，SDI信号经第二数字高清接收模块发送至视频压缩芯片，并存储在硬盘中，同时视频压缩芯片能从硬盘中读取数据，经第二数字高清发送模块输出SDI信号，且该硬盘采用Raid磁盘阵列。

9、根据权利要求1所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：所述数字高清摄像设备、数字高清传输设备及数字高清显示设备还均连接有控制设备，该控制设备为遥控器、控制键盘、PC电脑中的一种或多种组合。

10、根据权利要求1所述的数字高清民用闭路监视电视系统，其特征在于：

所述摄像设备包括CCD或CMOS图像传感器，图像传感器光电转换后输出数字信号至第一数字高清发送模块；

所述显示设备包括视频输入电路、视频处理电路及视频显示电路，第一数字高清接收模块将接收到的SDI信号转换为数字信号并发送至视频输入电路，数字信号经视频处理电路处理转换为LVDS信号，驱动视频显示电路。

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