為超高清監(jiān)控“把脈” 探明“病癥”

人們對于清晰度的追求是永無止境的，這個(gè)從目前鋪天蓋地的4K電視廣告中可見一斑。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)帶來前所未有的超高清視覺體驗(yàn)。

不僅在民用電視行業(yè)，在視頻監(jiān)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(jiān)控還處于“標(biāo)清時(shí)代”，監(jiān)控系統(tǒng)大都采用標(biāo)清攝像機(jī)，其D1的畫質(zhì)越來越難以滿足用戶對清晰度的需求。從2010年開始，視頻監(jiān)控大步跨入“高清時(shí)代”，1080P和720P高清攝像機(jī)取代了原來的標(biāo)清攝像機(jī)，高清畫質(zhì)得到了用戶的廣泛認(rèn)可，“高清改造”也成為了這一階段視頻監(jiān)控領(lǐng)域最熱的詞。然而，當(dāng)人們還沉浸在“高清時(shí)代”帶來全新的視覺體驗(yàn)時(shí)，安防業(yè)界的大廠商們都相繼推出了4K超高清攝像機(jī)，NHK作為安防產(chǎn)業(yè)上游廠家也已經(jīng)開發(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)行了公開展示，這一切似乎都預(yù)示著“超高清時(shí)代”漸行漸近。

超高清監(jiān)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(jī)和1080P攝像機(jī)去拍攝相同視場角下的同一場景，4K攝像機(jī)會(huì)用4倍于1080P攝像機(jī)所用的信息量去還原場景，畫面自然更清晰、更貼近真實(shí)。如圖1所示，1080P圖像中遠(yuǎn)處的車牌信息已經(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講。一方面，由于4K畫面的信息量是1080P的四倍，基于更多的信息量，就能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的智能分析，4K一旦大規(guī)模部署，智能分析的準(zhǔn)確率就能上升一個(gè)新臺(tái)階，而且也會(huì)有更豐富更令人驚喜的智能應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)；另一方面，在保證相同清晰度的情況下，4K攝像機(jī)覆蓋的區(qū)域其實(shí)是1080P攝像機(jī)覆蓋區(qū)域的4倍，也就是說在一個(gè)場景中，如果你覺得1080P的畫面足夠清晰了，你可以用一臺(tái)4K攝像機(jī)替換掉4臺(tái)1080P攝像機(jī)，節(jié)省點(diǎn)位數(shù)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(jī)是否可以大規(guī)模投入使用了呢？其實(shí)不然！超高清監(jiān)控從來都不只是監(jiān)控?cái)z像機(jī)的超高清，而應(yīng)該是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的超高清，其涉及到采集、編碼、傳輸、存儲(chǔ)、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(xiàn)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(jī)能提供更高清的圖像，細(xì)節(jié)還原更貼近真實(shí)。但受到Sensor靶面面積的限制，隨著像素點(diǎn)數(shù)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(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如目前的1080P攝像機(jī)，這是目前所有4K攝像機(jī)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題。自然，8K攝像機(jī)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)方面來講，H.265標(biāo)準(zhǔn)是在現(xiàn)有的主流視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264的基礎(chǔ)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)也完美滿足4K和8K超高清視頻的傳輸編碼需求?？梢哉f，H.265標(biāo)準(zhǔn)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)新出來不久，市場化比較低，很多芯片廠商都只是試水這個(gè)市場，并未大規(guī)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，性價(jià)比達(dá)不到用戶的要求，還不能被市場接受。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(biāo)準(zhǔn)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(cuò)，可一旦前端全部升級到超高清攝像機(jī)之后，以4K舉例，通過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(chǔ)，已經(jīng)讓監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)望而卻步了。若一旦發(fā)生突發(fā)事件，更多的客戶端來并發(fā)請求某一路實(shí)況流，傳統(tǒng)的流媒體架構(gòu)會(huì)出現(xiàn)很大的性能問題，流媒體服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)性能、出入口帶寬都亟待提高。在很多行業(yè)中，監(jiān)控系統(tǒng)還有明顯的上下級架構(gòu)，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(diào)用，4K應(yīng)用要進(jìn)入這些行業(yè)需要對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)做整體升級。

存儲(chǔ)——成本倍增

在存儲(chǔ)容量方面，由于碼流翻倍、磁盤消耗翻倍，也就意味著相同的點(diǎn)位數(shù)需要投入兩倍于原先的硬盤數(shù)量。另一方面，每個(gè)IPSAN或NVR都存在寫入/讀取的性能限制，在碼流翻倍的情況下同一臺(tái)設(shè)備能并發(fā)處理的路數(shù)會(huì)減半，也就是說需要更多的IPSAN或NVR了?？偠灾捎谠诰幋a技術(shù)上的限制導(dǎo)致碼流的翻倍，而碼流的翻倍則需要投入成倍的硬盤、IPSAN及NVR，無形中整體建設(shè)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(xì)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(biāo)清解碼輸出為主，4K解碼才剛起步不久，整個(gè)市場中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(yuǎn)。

在顯示端，雖然4K電視異?；鸨蟠笮⌒〉钠放迫尉暨x，但在安防行業(yè)，目前還沒有4K監(jiān)視器或拼接屏，所以在監(jiān)控室里4K圖像解碼上墻暫時(shí)還需要通過其他途徑來解決。

解決之道日漸清晰

從前面的分析來看，似乎超高清監(jiān)控的普及還有非常遙遠(yuǎn)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(yīng)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(biāo)清攝像機(jī)上應(yīng)用，沒能在高清上普及的主要原因就是像素越高技術(shù)實(shí)現(xiàn)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)展來看，H.265芯片的成熟只是時(shí)間問題，一旦H.265芯片產(chǎn)品成熟，前端超高清攝像機(jī)出來的將會(huì)是低帶寬高質(zhì)量的視頻流，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及后端存儲(chǔ)性能上的問題也會(huì)得到緩解。而在服務(wù)器、IPSAN、NVR、解碼器的性能問題上，除了通過H.265編碼來緩解，最終可以通過計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展來徹底解決。而計(jì)算機(jī)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，相信過了H.265技術(shù)帶來的這個(gè)緩沖時(shí)間段，一切硬件性能問題都將不復(fù)存在。

最后在顯示端，從技術(shù)角度來講，家用電視與監(jiān)控大屏并沒有太大差異，4K電視的成熟必定會(huì)促進(jìn)安防監(jiān)視器及拼接屏的發(fā)展，預(yù)計(jì)在不久的將來，監(jiān)控室里4K大屏也將得到批量應(yīng)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，可以說在未來超高清監(jiān)控的應(yīng)用不是問題，那么在當(dāng)下超高清監(jiān)控應(yīng)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商相繼推出4K超高清攝像機(jī)的原因。

在一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，對前端成百上千個(gè)監(jiān)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，可能是一條主干道，可能是一個(gè)警戒區(qū)等等，對于普通的點(diǎn)位以1080P或者720P的清晰度已經(jīng)足夠滿足現(xiàn)階段用戶的需求了，而對于這些重要點(diǎn)位，使用4K超高清攝像機(jī)就能達(dá)到非常好的視覺效果，在夜晚配合補(bǔ)光燈也不會(huì)影響低照成像。

在編碼上，目前并沒有很好的方法優(yōu)化，但很多監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)都是從無到有的，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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)帶來網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸，而個(gè)別點(diǎn)位的高碼流對整體存儲(chǔ)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4塊1080P大屏以2×2的拼接方式來解決，也能獲得不錯(cuò)的上墻顯示效果。

結(jié)語

技術(shù)更迭，超高清產(chǎn)品的出現(xiàn)是大勢所趨。4K超高清攝像機(jī)在安防領(lǐng)域自推出以來，已在部分項(xiàng)目中的重要點(diǎn)位得以應(yīng)用，有廠家采用全交換架構(gòu)技術(shù)，以解決網(wǎng)絡(luò)壓力問題，用戶只需投入少量的存儲(chǔ)成本就能獲得超高清體驗(yàn)。相信隨著時(shí)間的推移，與之相應(yīng)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(jī)配套設(shè)施的進(jìn)一步提升，4K在安防業(yè)的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。