系统集成商和操作员的技术入门

艾伦·斯坦纳和埃里克·查普曼，图片来源:马克·惠兰

见海洋技术

通过技术的进步，在海洋深处探索和工作的工具使人类越来越接近这些空间。远程视频技术在海底工业中已变得无处不在，是使人类能够有效探索海洋和在载人任务实际触及不到的深度操作工具的关键技术之一。高清视频解决方案比以前的视频技术提供了更高质量的信息，使运营商能够做出更好的决策，更有效地运营。随着高清视频质量的提高，几乎在水下成像系统的每个级别上，都给运营商和系统集成商带来了新的挑战。了解这些挑战如何影响系统是最大化高清视频所能提供的好处的关键。

像素大小问题

术语“高清晰度”具体指的是图像的分辨率——对于给定的光学格式的图像传感器，通过将图像传感器区域划分为更多、更小的单个传感区域或像素来实现更高的分辨率。典型的图像传感器在相同的基本技术上工作，不管其分辨率如何，因此在单位面积上具有非常相似的性能。与同等尺寸但分辨率较低的传感器的较大像素相比，较小像素的感知面积的减少导致光灵敏度的比例降低和较差的信噪比。

如果使用典型的1/3英寸标准清晰度成像仪作为比较的基础，它的6.35 x 7.40微米像素阵列产生低噪声、良好曝光的图像，具有1 Lux的场景照明。对于同样的曝光目标，同样1/3英寸级别的高清晰度成像仪需要2.8 x 2.8微米像素阵列的四倍以上的场景照明或相应的更长的快门速度。在达到视频系统的帧刷新率之前，快门速度只能降低到这个程度——通常在1/25到1/60秒之间。一旦帧刷新率限制达到，传感器产生曝光不足的图像和/或噪声图像，因为相机增加其内部信号增益。

因此，为了克服高清晰度成像仪固有的灵敏度限制，需要比视频帧率更长的快门速度，更大格式的图像传感器，更大的像素，和/或更多的光。虽然许多高清相机的快门速度低于视频帧率，但产生的图像并不适合操作人员在环中的应用，如远程操作车辆(ROV)驾驶或机械手工作。由此产生的图像刷新率较低，会出现波动，并导致延迟。大画幅成像仪在初级科学和飞行相机中有一席之地，但在较小的车辆和狭小的空间中用途有限。在这类相机中使用的大画幅高清传感器也增加了相机的成本、尺寸和复杂性，同时降低了景深。

对照明的更高优先级，例如提供更高的场景照明、均匀的光分布和可缩放的输出，创建了一个更多功能和健壮的高清成像平台，并使系统设计师可以使用更广泛的成像设备。照明设计是水下成像的基石，使用灵活和强大的照明装置可以在更广泛的条件下成功作业。现代海底LED灯，如深海动力与光SeaLite球体，使操作人员能够动态控制光输出，并提供空间高效的形式因素，便于系统设计人员集成。

像素越多，带宽越高

高清成像仪的高像素不仅影响水下成像的相机选择和照明方面。高分辨率视频本身就比标准清晰度视频包含更多的图像数据，因此需要更高的带宽信号。相比之下，标准清晰度复合模拟视频利用不到6兆赫的带宽，而4K超高清串行数字接口(SDI，一种广播视频标准)需要6兆赫的带宽:增加了1000倍。

通过海底电缆和连接器以几百到几千兆赫的速度传输高清视频信号是一个挑战。对于高带宽信号来说，许多传统海底电缆和连接器的电气特性就像一堵墙，有效地阻止了信号的传输。这些高速信号需要特殊的连接器和电缆，具有高度调谐的机电性能和匹配的特征阻抗，以保持信号在深度的完整性。

在视频传输链的每个环节，保持从深度视频源到顶部分布和记录设备的信号完整性是至关重要的。车载高带宽互连的两种基本类型是:1)阻抗控制铜，或2)光纤。

高带宽连接

最常见的控制阻抗铜解决方案要么是双绞线以太网型互连，要么是同轴。以太网广泛应用于水下成像，包括声纳和其他声学成像设备，建立的互连解决方案已经过现场验证。根据数字数据的带宽要求和互连的电气特性，以太网的最大传输距离可从10米到100多米不等。许多变量影响最大传输距离和可实现的数据速率，因此验证和测试是任何基于铜的高带宽连接的关键。

HD-SDI视频标准的发展是为了满足广播行业的需求。由于该标准的传统，HD-SDI硬件是围绕75欧姆同轴基础设施设计的，很像模拟视频分发系统。使用可用的海底同轴连接器，标准HD-SDI信号可以可靠地扩展到10米左右。使用专门的接收器，传输距离可以延长，但实际限制仍然只有几十米。对于电缆运行时间比车上互连所需的长，光纤是最好的解决方案。

在深水和远程应用中，光纤连接是通过ROV缆绳或回接电缆传输高带宽信号的唯一可靠方式，传输距离可达数十公里。在短时间内，光纤互连在车载连接中也越来越被接受。在ROV应用中，由于这些信号通过光纤通过车辆系绳发送，因此从光信号开始就不需要额外的上游铜-光转换。与光纤有关的电缆和互连的健壮性存在挑战，特别是在车辆上使用，但这些问题通常可以通过仔细的电缆管理来缓解。

来自专业和消费电子市场的新技术不断扩大海底成像应用的可能性。实时视频压缩在广播和监控市场越来越普遍，将技术转移到海底应用将导致更低的带宽要求和更长的铜互连传输距离。与此同时，更高分辨率的视频格式在其他行业的应用也在扩大，最终将在海底行业得到应用。光纤为高带宽信号传输提供了最有前途的解决方案，然而每种互连类型都有其优点，根据特定的应用，可以选择其中任何一种。

数字和模拟

与模拟复合视频或组件视频相比，大多数高清视频标准基于数字信号传输。HD-SDI、GigE Vision和Internet Protocol - Real - Time Protocol (IP-RTP)是水下应用中最常见的数字视频标准。

电源噪声、信号衰减和电缆反射都会降低通过模拟视频格式传输的图像信息。模拟视频对噪声的敏感性源于图像信息的时间和幅度编码。任何改变信号定时或振幅的干扰都会直接影响图像。在数字视频中，只要能重构二进制位模式，就能完美再现原始图像信息。这就是为什么在模拟视频中，主观图像质量随着信噪比的降低逐渐从好到坏的转变，而在数字视频中，从好到坏的转变几乎是一个阶梯函数:它要么工作，要么不工作。

由干扰或衰减引起的模拟视频的退化当然是一个缺点，然而，熟练的技术人员经常能够通过查看图像来排除基本问题。相比之下，数字视频中包含的图像数据通常不受降级信号的影响。为了发现潜在的问题或诊断信号丢失的原因，技术人员需要专门的设备，如HD-SDI视频的广播波形分析仪或以太网系统的数据包和协议分析仪。这些分析仪有能力在电级和位级检查数字视频数据，暴露信号完整性问题，如定时错误或振幅衰减，以及比特错误和包格式错误。

广播和电信行业的高速传输技术不仅推动了对分析和确定数字视频标准所需设备的需求，而且还推动了对可靠地恢复和修复降级数据流的技术的需求。例如，在HD-SDI应用中，电缆均衡技术和回收电路允许从降级信号中无损恢复原始图像数据。恢复和恢复原始图像数据是数字视频信号的一个独特优势，在所有接收接口合并这些恢复技术符合最佳实践。

海底行业对高性能高清成像解决方案的需求突出表明，需要更好地进入地球上一些最偏远、最恶劣的环境。高清视频技术为高要求的远程水下作业带来了更完整、更沉浸式的视觉环境，并为用户提供了更高质量的反馈和信息。随着独特的DeepSea Power & Light HD Multi SeaCam等产品的出现，高清视频的应用正在扩展到工具和广角上下文相机领域。这些和类似的创新不断将海底成像的能力扩展到新的和未知的深度。

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