淺析高清監控中的圖像處理技術(shù)

當監控系統經(jīng)歷了模擬化、數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化這幾個(gè)歷史階段后，高清監控隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )監控的展開(kāi)，成為新的應用需求亮點(diǎn)。在高清攝像機內部集成了圖像采集，圖像編碼，圖像傳輸等模塊。在圖像采集部分，CCD和CMOS兩種傳感器分別針對不同的需求而設計，CMOS在高像素方面有著(zhù)一定的優(yōu)勢，而CCD對監控場(chǎng)景的適應性更佳。在視頻壓縮編碼部分，不同的壓縮算法和算法實(shí)現方案決定了高清圖像的質(zhì)量和編碼效率。在通信控制部分，網(wǎng)絡(luò )的適應性、安全性、碼流的封裝格式和傳輸功能，取決于監控系統的規劃和設計。相信隨著(zhù)技術(shù)的革新，圖像處理技術(shù)的方方面讓高清監控已經(jīng)不在是浮云。

圖像處理之視頻采集

對于高清監控攝像機來(lái)說(shuō)，傳感器是最核心的部件，相當于監控攝像機的眼睛。被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至 傳感器芯片上， 傳感器根據光的強弱經(jīng)過(guò)處理，形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監視器或電視機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。從高清監控誕生之初，CCD和CMOS的爭霸就已經(jīng)開(kāi)始。CCD和CMOS有什么區別？高清監控圖像處理的芯片究竟是CCD還是CMOS？

　　從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個(gè)方面的不同：

1.信息讀取方式

CCD是 Charge Coupled Device（電荷耦合器件）的縮寫(xiě)，它是一種半導體成像器件，CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實(shí)施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復雜。

CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor（互補性氧化金屬半導體）的縮寫(xiě)，和CCD一樣同為在高清攝像機中可記錄光線(xiàn)變化的半導體，CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡(jiǎn)單。

2.速度

CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時(shí)就可以取出電信號，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

3.電源及耗電量

CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優(yōu)勢。

4.成像質(zhì)量

CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(cháng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著(zhù)CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

　　從實(shí)際應用中看，CCD和CMOS相比較，CCD的夜間成像效果要大大好于CMOS，但是CCD的價(jià)格要比CMOS貴出很多，而且受技術(shù)能力限制，目前CCD大部分都集中于200萬(wàn)像素以下的高清健康產(chǎn)品，而200萬(wàn)像素以上則是CMOS的天下。所以從長(cháng)遠來(lái)看，高清監控一定是朝著(zhù)一個(gè)高像素的方向發(fā)展，如果CCD在300萬(wàn)以上像素缺少實(shí)際應用的話(huà)，未來(lái)則很有可能高清監控是CMOS的天下。

圖像處理之視頻編碼

當前端的傳感器采集完視頻信號之后，就進(jìn)入圖像編碼這個(gè)環(huán)節，目前主流的編碼技術(shù)包括H.264和M-JPEG以及MPEG4等幾種編碼格式，其中以H.264應用最為廣泛。H.264/AVC是由ITU-T VCEG與ISO/IEC MPEG組成的聯(lián)合專(zhuān)家行動(dòng)組JVT共同制定并于2003年5月發(fā)布的視頻編解碼標準，在ITU-T體系內被稱(chēng)為H.264，在ISO/IEC體系內被稱(chēng)為MPEG4 part10 - AVC，所以通常被稱(chēng)為H.264/AVC或簡(jiǎn)稱(chēng)H.264。

H.264/AVC標準制定的目標是能夠在相對上一代廣泛使用的MPEG4視頻編碼標準降低一半以上碼率的前提下提供相當的圖像質(zhì)量，同時(shí)覆蓋到更大范圍的碼率、幀率及分辨率等應用場(chǎng)合，并提高對于網(wǎng)絡(luò )傳輸的適應性，即能在各種不同條件網(wǎng)絡(luò )和系統上（例如組播、存儲、RTP／IP包網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )）工作。?對于面向安防領(lǐng)域的高清視頻監控應用，H.264編解碼標準相比MPEG2、MPEG4 part2等有多方面的優(yōu)勢。

更高的壓縮率

眾所周知，高清應用最大的問(wèn)題在于需要數倍于以往標清的數據傳輸帶寬和存儲容量。僅以分辨率換算，相同幀率的720P像素點(diǎn)數為D1的2倍有余，1080P則為4倍左右。如果繼續使用傳統的MPEG4編解碼算法，達到可接受清晰度的D1視頻一般需要5Mbps以上碼率。以此計算，高清應用的巨大數據量負荷是現有系統難以承受的，成本也會(huì )極為高昂。H.264壓縮算法包含了眾多先進(jìn)的壓縮技術(shù)，例如1/4像素運動(dòng)補償(Quarter Pixel Motion Compensation)、環(huán)路濾波(Loop Filter)、幀內空域預測(Spatial Intra Prediction)、上下文自適應變長(cháng)編碼(CAVLC)、上下文自適應算術(shù)編碼(CABAC)、多種變換類(lèi)型(4x4 Transform、8x8 Transform)等，相對于MPEG4大幅度提高了壓縮比，數據量能夠減少一半甚至更多，為高清應用提供了有力的保障。

　　更清晰的檔次、級別定義

H.264標準在制定之初就充分考慮各種應用場(chǎng)合，定義了清晰嚴謹的檔次(Profile)與級別(Level)。嚴謹的檔次和級別劃分能夠為解碼器與編碼器之間的性能匹配提供依據，帶來(lái)更好的兼容性。

目前較為多見(jiàn)的是面向普通場(chǎng)合的基本檔次(Baseline Profile)，以及部分主檔次(Main Profile)應用。而對于希望獲得更高壓縮率的高清需求，H.264還提供高壓縮比及支持更大位深的高檔次(High Profile)，目前應用較為少見(jiàn)。級別主要限制碼率、幀率/分辨率等圖像相關(guān)屬性，不同級別會(huì )影響存儲空間等系統資源的需求。一般情況下標清主要使用Level3及以下級別，200W像素的高清則需要Level4及以上級別。H.264的級別明確定義到Level 5.1，支持的碼率達到240Mbps，因此能夠滿(mǎn)足未來(lái)相當長(cháng)時(shí)間內的主流應用。必須指出的是，編碼使用高檔次和級別在提升壓縮效率的同時(shí)也對解碼設備性能提出了更高要求，導致低能力的解碼設備無(wú)法支持，所以需要權衡考慮。

相比而言，MPEG4 part2等標準由于制定時(shí)間較早，標準主要面向D1及以下分辨率進(jìn)行定義，沒(méi)有充分針對高清應用設計相應的檔次和級別，因此在高清分辨率時(shí)存在未經(jīng)定義的兼容隱患。

三種不同壓縮格式的比較表如下所示：

項目H.264MPEG4MJPEG

同碼流畫(huà)質(zhì)優(yōu)中差

復雜度高中低

網(wǎng)絡(luò )傳輸速度快中慢

以天地偉業(yè)最新研發(fā)的第三代壓縮編碼技術(shù)為例，可以實(shí)現在2M的碼流下傳輸720P的高清圖像，而且對后端PC解碼壓力要求也比較低，并且對網(wǎng)絡(luò )延時(shí)也做了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，可以控制延時(shí)在300ms之內。實(shí)測效果如下圖所示：

圖像處理之視頻流

所謂碼流（Data Rate）是指視頻文件在單位時(shí)間內使用的數據流量，也叫碼率，是圖像處理編碼環(huán)節中畫(huà)面質(zhì)量控制中最重要的部分。同樣分辨率下，視頻文件的碼流越大，壓縮比就越小，畫(huà)面質(zhì)量就越高，但是存儲的空間和占用的帶寬就越大；視頻文件的碼流越小，壓縮比就越高，相應的畫(huà)面質(zhì)量也會(huì )受影響。以H.264壓縮編碼的碼流為例，傳輸720P的圖像一般都需要4M碼流，而同樣畫(huà)質(zhì)的圖像，有的企業(yè)如天地偉業(yè)，對壓縮算法優(yōu)化的比較好的情況下則只需要2M碼流。

除了碼流之外，還有一個(gè)概念叫比特率是指每秒傳送的比特(bit)數，單位為 bps(Bit Per Second)。視頻比特率與碼流是同一個(gè)問(wèn)題的兩種叫法，比如一個(gè)H.264的視頻文件，一般不但包含視頻信息還有音頻信息，音頻也有自己的比特率，這是音視信息復合在一起的文件，這個(gè)文件的碼流是其音視碼流的總合。

不論是碼流還是比特率，均表示經(jīng)過(guò)編碼（壓縮）后的音頻數據每秒鐘需要用多少個(gè)比特來(lái)表示，而比特就是二進(jìn)制里面最少的單位，要么是0，要么是1。比特率與音視頻壓縮的關(guān)系簡(jiǎn)單的說(shuō)就是比特率越高音視頻的質(zhì)量就越好，但編碼后的文件就越大；如果比特率越少則情況剛好翻轉。

例如：以2000Kbps來(lái)編碼音視頻。

其中 bps是 比特1K= 1010=1024

b就是比特（bit）

s就是秒（second）

p就是每（per）

所以，以2000kbps來(lái)編碼表示經(jīng)過(guò)編碼后的音視頻數據每秒鐘需要用2000K的比特來(lái)表示。

在傳輸過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )用到CBR和VBR等參數設置。CBR（Constant BitRate）就是靜態(tài)比特率，CBR約定采樣率為固定值。高清視頻編碼從頭至尾為某固定值如4096KBit/s進(jìn)行壓縮。而VBR則采取了一種全新的，全程動(dòng)態(tài)調節技術(shù)的壓縮方法。當為靜態(tài)畫(huà)面時(shí)，VBR會(huì )自動(dòng)采用較低的比特率如500KBit/s對視頻進(jìn)行壓縮；當在動(dòng)態(tài)畫(huà)面時(shí)會(huì )用較高的比特率如2000KBit/s對視頻進(jìn)行壓縮；當在動(dòng)作很劇烈的視頻畫(huà)面時(shí)則采用最高4096KBit/s進(jìn)行壓縮。VBR就是在控制文件大小的情況下，最大限度的提高了高清的圖像畫(huà)質(zhì)。

影響圖像畫(huà)質(zhì)的還有并發(fā)流和雙碼流等技術(shù)。并發(fā)流，是指在VOD點(diǎn)播中同時(shí)點(diǎn)播節目的用戶(hù)數。并發(fā)流受碼流的限制，碼流越大并發(fā)流越小。相同配置和同樣網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下采用高清和標清的并發(fā)流是不一樣的；雙碼流是指在編碼中，同時(shí)輸出兩種碼流，一路高碼率的碼流用于本地高清存儲,例如720P/1080P編碼，一路低碼率的碼流用于網(wǎng)絡(luò )傳輸,例如CIF/D1編碼，同時(shí)兼顧本地存儲和遠程網(wǎng)絡(luò )傳輸。雙碼流能實(shí)現本地傳輸和遠程傳輸兩種不同的帶寬碼流需要，本地傳輸采用高碼流可以獲得更高的高清錄像存儲，遠程傳輸采用較低的碼流以適應CDMA/ADSL等各種網(wǎng)絡(luò )而獲得更高的圖像流暢度。雙碼流是對網(wǎng)絡(luò )視頻監控的一次提速，這種創(chuàng )造性地將雙碼流拓寬應用，實(shí)現任意碼流格式選擇編碼技術(shù)，使大規模的視頻監控系統中成百上千臺攝像機產(chǎn)生海量的視頻、音頻、存儲、報警以及管理數據，能在用戶(hù)所能獲得的網(wǎng)絡(luò )資源有限的情況下，得已確保傳輸系統的穩定運行。

除以上常見(jiàn)圖像處理技術(shù)之外還有逐行掃描，3D降噪，寬動(dòng)態(tài)，強光抑制，背光補償，低照度等等技術(shù)，這些技術(shù)的應用極大的推動(dòng)了高清監控的發(fā)展。