為超高清監控“把脈” 探明“病癥”

人們對于清晰度的追求是永無(wú)止境的，這個(gè)從目前鋪天蓋地的4K電視廣告中可見(jiàn)一斑。4K電視之所以能在一夜之間成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，一部分原因是人們對于新興技術(shù)的好奇，更多的原因在于4K技術(shù)帶來(lái)前所未有的超高清視覺(jué)體驗。

不僅在民用電視行業(yè)，在視頻監控領(lǐng)域，人們對于清晰度的追求同樣從未停步。在2010年之前，視頻監控還處于“標清時(shí)代”，監控系統大都采用標清攝像機，其D1的畫(huà)質(zhì)越來(lái)越難以滿(mǎn)足用戶(hù)對清晰度的需求。從2010年開(kāi)始，視頻監控大步跨入“高清時(shí)代”，1080P和720P高清攝像機取代了原來(lái)的標清攝像機，高清畫(huà)質(zhì)得到了用戶(hù)的廣泛認可，“高清改造”也成為了這一階段視頻監控領(lǐng)域最熱的詞。然而，當人們還沉浸在“高清時(shí)代”帶來(lái)全新的視覺(jué)體驗時(shí)，安防業(yè)界的大廠(chǎng)商們都相繼推出了4K超高清攝像機，NHK作為安防產(chǎn)業(yè)上游廠(chǎng)家也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一款8K的CMOS圖像傳感器，并在今年5月舉行的“NHK技研展2014”上進(jìn)行了公開(kāi)展示，這一切似乎都預示著(zhù)“超高清時(shí)代”漸行漸近。

超高清監控技術(shù)的優(yōu)越性

以4K為例，國際電信聯(lián)盟對4K超高清的定義是：水平像素值為3840，垂直像素值為2160，寬高比16：9，總約830萬(wàn)像素。從定義中可以看出4K的分辨率是1080P的4倍，是720P的9倍。如果分別用4K攝像機和1080P攝像機去拍攝相同視場(chǎng)角下的同一場(chǎng)景，4K攝像機會(huì )用4倍于1080P攝像機所用的信息量去還原場(chǎng)景，畫(huà)面自然更清晰、更貼近真實(shí)。如圖1所示，1080P圖像中遠處的車(chē)牌信息已經(jīng)模糊，而4K圖像中依然可以清晰分辨。

另外還有兩個(gè)不那么明顯的優(yōu)勢是從使用的角度來(lái)講。一方面，由于4K畫(huà)面的信息量是1080P的四倍，基于更多的信息量，就能實(shí)現更準確的智能分析，4K一旦大規模部署，智能分析的準確率就能上升一個(gè)新臺階，而且也會(huì )有更豐富更令人驚喜的智能應用得以實(shí)現；另一方面，在保證相同清晰度的情況下，4K攝像機覆蓋的區域其實(shí)是1080P攝像機覆蓋區域的4倍，也就是說(shuō)在一個(gè)場(chǎng)景中，如果你覺(jué)得1080P的畫(huà)面足夠清晰了，你可以用一臺4K攝像機替換掉4臺1080P攝像機，節省點(diǎn)位數量從而降低整體成本。

亟待突破的技術(shù)壁壘

雖然好處多多，但超高清技術(shù)是否真的已經(jīng)成熟了呢？超高清攝像機是否可以大規模投入使用了呢？其實(shí)不然！超高清監控從來(lái)都不只是監控攝像機的超高清，而應該是整個(gè)監控系統的超高清，其涉及到采集、編碼、傳輸、存儲、解碼顯示五個(gè)方面，進(jìn)入“超高清時(shí)代”仍存在很多的技術(shù)壁壘需要攻破，這主要體現在五個(gè)方面。

采集——超低照度時(shí)，彩色圖像效果不佳

以4K為例。從4K的定義中可以很明顯看到的一點(diǎn)是，由于Sensor上集成像素點(diǎn)的增加，在正常光照環(huán)境下4K攝像機能提供更高清的圖像，細節還原更貼近真實(shí)。但受到Sensor靶面面積的限制，隨著(zhù)像素點(diǎn)數量增加，單個(gè)像素點(diǎn)的感光面積反而減小，所以在超低照度成像上4K攝像機遠遠不如目前的1080P攝像機，這是目前所有4K攝像機面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。自然，8K攝像機的彩色超低照成像效果會(huì )更不盡如人意。

編碼——H.265芯片限制

從技術(shù)方面來(lái)講，H.265標準是在現有的主流視頻編碼標準H.264的基礎上做了升級：保留成熟的技術(shù)，同時(shí)對一些其他的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，旨在低帶寬下傳輸更高質(zhì)量的視頻流。結果表明，在壓縮率上H.265相較于H.264提高了近一倍，即僅需原先的一半帶寬即可傳輸相同質(zhì)量的視頻，同時(shí)H.265標準也完美滿(mǎn)足4K和8K超高清視頻的傳輸編碼需求?？梢哉f(shuō)，H.265標準讓視頻編碼跟上了采集端與顯示端的“超高清化”的腳步。

但即便H.265編碼技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，在H.265編碼技術(shù)的落腳點(diǎn)——芯片上，卻還存在諸多掣肘：一方面，H.265技術(shù)新出來(lái)不久，市場(chǎng)化比較低，很多芯片廠(chǎng)商都只是試水這個(gè)市場(chǎng)，并未大規模投入生產(chǎn)；另一方面，就目前已發(fā)布的幾款H.265芯片來(lái)看，相關(guān)的軟硬件成本偏高，還涉及到大量的研發(fā)及測試成本，性?xún)r(jià)比達不到用戶(hù)的要求，還不能被市場(chǎng)接受。所以我們目前依然在用以H.264為主流的高清編碼技術(shù)，H.265技術(shù)要成為主流仍需待以時(shí)日。

H.264已經(jīng)是非常成熟的編碼標準了，特別是H.264HighProfile能把主流的1080P高清視頻流壓縮成4M甚至2M的碼流進(jìn)行傳輸，效果非常不錯，可一旦前端全部升級到超高清攝像機之后，以4K舉例，通過(guò)H.264HighProfile編碼也還需要至少10M的帶寬，

對于這么大的碼流，僅一路實(shí)況加一路存儲，已經(jīng)讓監控網(wǎng)絡(luò )望而卻步了。若一旦發(fā)生突發(fā)事件，更多的客戶(hù)端來(lái)并發(fā)請求某一路實(shí)況流，傳統的流媒體架構會(huì )出現很大的性能問(wèn)題，流媒體服務(wù)器的轉發(fā)性能、出入口帶寬都亟待提高。在很多行業(yè)中，監控系統還有明顯的上下級架構，以金融行業(yè)為例，在總行與分行、分行與各網(wǎng)點(diǎn)之間就是最常見(jiàn)的上下級域關(guān)系，目前的情況是大部分的域間帶寬不足，不能支持多路4K碼流的調用，4K應用要進(jìn)入這些行業(yè)需要對基礎網(wǎng)絡(luò )做整體升級。

存儲——成本倍增

在存儲容量方面，由于碼流翻倍、磁盤(pán)消耗翻倍，也就意味著(zhù)相同的點(diǎn)位數需要投入兩倍于原先的硬盤(pán)數量。另一方面，每個(gè)IPSAN或NVR都存在寫(xiě)入/讀取的性能限制，在碼流翻倍的情況下同一臺設備能并發(fā)處理的路數會(huì )減半，也就是說(shuō)需要更多的IPSAN或NVR了?？偠灾?，由于在編碼技術(shù)上的限制導致碼流的翻倍，而碼流的翻倍則需要投入成倍的硬盤(pán)、IPSAN及NVR，無(wú)形中整體建設成本又增加了不少。

解碼——4K解碼尚未成熟

最后在解碼顯示端，可細分成解碼與顯示兩個(gè)部分。

目前的高清解碼器普遍以1080P、720P及標清解碼輸出為主，4K解碼才剛起步不久，整個(gè)市場(chǎng)中4K解碼器還并不多。除了款型的選擇不多外，4K解碼器的性能也偏弱，能并發(fā)解16路1080P圖像的解碼器已經(jīng)非常成熟，但能并發(fā)解16路4K圖像的解碼器還離我們非常遙遠。

在顯示端，雖然4K電視異?；鸨?，大大小小的品牌任君挑選，但在安防行業(yè)，目前還沒(méi)有4K監視器或拼接屏，所以在監控室里4K圖像解碼上墻暫時(shí)還需要通過(guò)其他途徑來(lái)解決。

解決之道日漸清晰

從前面的分析來(lái)看，似乎超高清監控的普及還有非常遙遠的一段路要走，但知道技術(shù)難點(diǎn)在哪里就已經(jīng)成功了一半，剩下的就是找到對應的解決方法。

首先在彩色超低照成像方面。兩年前安訊士剛推出“覓光者”技術(shù)時(shí)，也只是在標清攝像機上應用，沒(méi)能在高清上普及的主要原因就是像素越高技術(shù)實(shí)現越難，但兩年后的今天，1080P的彩色超低照成像已經(jīng)非常成熟，相信不久之后，4K的彩色超低照成像問(wèn)題也能得到解決。

其次在H.265芯片上，從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，H.265芯片的成熟只是時(shí)間問(wèn)題，一旦H.265芯片產(chǎn)品成熟，前端超高清攝像機出來(lái)的將會(huì )是低帶寬高質(zhì)量的視頻流，監控網(wǎng)絡(luò )及后端存儲性能上的問(wèn)題也會(huì )得到緩解。而在服務(wù)器、IPSAN、NVR、解碼器的性能問(wèn)題上，除了通過(guò)H.265編碼來(lái)緩解，最終可以通過(guò)計算機硬件技術(shù)的發(fā)展來(lái)徹底解決。而計算機硬件技術(shù)作為發(fā)展最迅猛的技術(shù)之一，硬件的性能每年都在提升，相信過(guò)了H.265技術(shù)帶來(lái)的這個(gè)緩沖時(shí)間段，一切硬件性能問(wèn)題都將不復存在。

最后在顯示端，從技術(shù)角度來(lái)講，家用電視與監控大屏并沒(méi)有太大差異，4K電視的成熟必定會(huì )促進(jìn)安防監視器及拼接屏的發(fā)展，預計在不久的將來(lái)，監控室里4K大屏也將得到批量應用。

可以看到前文提到的這些技術(shù)壁壘都可以在一定時(shí)間后得到解決，可以說(shuō)在未來(lái)超高清監控的應用不是問(wèn)題，那么在當下超高清監控應用是否具有可行性呢？答案是肯定的，這也是為什么有部分大廠(chǎng)商相繼推出4K超高清攝像機的原因。

在一個(gè)監控系統中，對前端成百上千個(gè)監控點(diǎn)位按重要性排序，必然能提取出最受關(guān)注的幾個(gè)重要點(diǎn)位，可能是一個(gè)廣場(chǎng)，可能是一條主干道，可能是一個(gè)警戒區等等，對于普通的點(diǎn)位以1080P或者720P的清晰度已經(jīng)足夠滿(mǎn)足現階段用戶(hù)的需求了，而對于這些重要點(diǎn)位，使用4K超高清攝像機就能達到非常好的視覺(jué)效果，在夜晚配合補光燈也不會(huì )影響低照成像。

在編碼上，目前并沒(méi)有很好的方法優(yōu)化，但很多監控系統的建設都是從無(wú)到有的，在設計基礎網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候就可以考慮到這幾個(gè)點(diǎn)位的高碼流情況，所以在使用時(shí)便不會(huì )帶來(lái)網(wǎng)絡(luò )性能瓶頸，而個(gè)別點(diǎn)位的高碼流對整體存儲的影響也微乎其微；在顯示端，大屏拼接技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而4K圖像的上墻完全可以通過(guò)4塊1080P大屏以2×2的拼接方式來(lái)解決，也能獲得不錯的上墻顯示效果。

結語(yǔ)

技術(shù)更迭，超高清產(chǎn)品的出現是大勢所趨。4K超高清攝像機在安防領(lǐng)域自推出以來(lái)，已在部分項目中的重要點(diǎn)位得以應用，有廠(chǎng)家采用全交換架構技術(shù)，以解決網(wǎng)絡(luò )壓力問(wèn)題，用戶(hù)只需投入少量的存儲成本就能獲得超高清體驗。相信隨著(zhù)時(shí)間的推移，與之相應的技術(shù)亦會(huì )得到快速發(fā)展，同時(shí)伴隨超高清攝像機配套設施的進(jìn)一步提升，4K在安防業(yè)的應用將會(huì )越來(lái)越廣泛。