4K UHD超高清在安防中的應(yīng)用和挑戰(zhàn)

基于超高清的視頻源，人臉識別、車牌識別等智能分析結(jié)果將更加精確。4K的發(fā)展以及在安防中的應(yīng)用也必將推動整個安防視頻監(jiān)控行業(yè)往高清化方向普及，同時也能促進(jìn)智能分析等配套產(chǎn)業(yè)的升級，為高清安防廠商帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

隨著1080P全高清在安防視頻監(jiān)控、電視和手機(jī)上的應(yīng)用普及，高清已逐漸融入了我們的生活。人們對于更高清晰度的追求也越來越迫切，國內(nèi)電視廠商率先將4K超高清電視價格拉向平民化，而國內(nèi)IP高清安防廠商們也先后秀出4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)及配套解決方案，4K超高清似乎已變得觸手可及。

　　4K超高清的來歷

　　4K最早來自于DCI數(shù)字電影推進(jìn)聯(lián)盟(DigitalCinemaInitiative)于2004年定義的數(shù)字影院清晰度DCI4K(4096×2160像素，每秒24幀)。直到2012年8月23日，國際電信聯(lián)盟(ITU)才發(fā)布了超高清電視(UltraHDTV)的國際標(biāo)準(zhǔn)：ITU-RBT.2020，標(biāo)志著UHD超高清開始步入正軌。

　　實(shí)際上4K和UHD均是“超高清分辨率”(UltraHighDefinition，縮寫為UHD或UltraHD)。ITU-RBT.2020對超高清電視的分辨率、幀率、色彩空間等進(jìn)行了規(guī)范，UHD超高清視頻系統(tǒng)定義為4K與8K兩個階段，其中4K的物理分辨率為3840x2160，總約830萬像素;而8K則為7680x4320，總約3320萬像素。4K支持幀率從24幀到120幀。由于在BT.2020標(biāo)準(zhǔn)中取消了隔行掃描，只有逐行掃描，這進(jìn)一步提升了超高清影像的細(xì)膩度與流暢感。

　　在色深方面，由BT.709標(biāo)準(zhǔn)的8bit提升至10bit或12bit。這一提升對于整個影像在色彩層次與過渡方面的增強(qiáng)起到了關(guān)鍵的作用。超高清電視對應(yīng)的色域?yàn)椋篒TU-RBT.2020色域，又稱Rec.2020，是顯示設(shè)備中最大的色彩空間，覆蓋了CIE1931的75.8%，白點(diǎn)色溫D65(6500K)。高清電視色域的國際標(biāo)準(zhǔn)ITU-RBT.709(又稱Rec.709或sRGB)的僅覆蓋了Rec.2020的35.9%，所以理論上4K超高清電視(UHDTV)能比現(xiàn)行的高清電視(HDTV)顯示更為豐富的色彩。目前，除一些頂級的彩色技術(shù)監(jiān)視器樣機(jī)，市面上并沒有顯示設(shè)備可以完全覆蓋Rec.2020色域，也就是說市面上的4K電視大多數(shù)都是不符合標(biāo)準(zhǔn)的。

　　安防中的4KUHD超高清現(xiàn)狀

　　據(jù)了解，國內(nèi)目前還沒有定義安防高清的國家標(biāo)準(zhǔn)，所以并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)供參考。目前安防行業(yè)高清產(chǎn)品都是參照國外廣電HDTV的標(biāo)準(zhǔn)。我們都知道高清應(yīng)該是一個整體系統(tǒng)，任何脫離系統(tǒng)單獨(dú)談高清都是耍流(瞎)氓(掰)。同樣，4K高清應(yīng)用也應(yīng)該從整體來看。接下來我們就看看安防監(jiān)控行業(yè)4K高清的現(xiàn)狀。

　　目前4K處于迅速發(fā)展的階段，4K的話題也很熱門，但市場上的4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本上宣傳的多，真正量產(chǎn)的不多，原因是4K超高清圖像傳感器及圖像處理芯片目前成本還比較高。4K的高清晰度和大數(shù)據(jù)量也帶來了功耗高、發(fā)熱量大等問題，非?？简?yàn)攝像機(jī)廠商的硬件設(shè)計能力。

　　其次，安防廠商(尤其是民用安防市場)大多還在進(jìn)行低端產(chǎn)品的價格血拼，4K超高清的需求或者說4K超高清的應(yīng)用，大家還沒有真正想清楚。但是你用或不用，4K超高清時代已經(jīng)來臨，這是不爭的事實(shí)。以艾普視達(dá)為例，目前4KUHD超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品分辨率可以支持ITUUltraHD(3840x2160，30fps)，也支持DCI4K(4096x2160,24fps)，當(dāng)然也向下兼容1080P高清。4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)最大的特點(diǎn)就是分辨率、解析度高，圖像畫質(zhì)細(xì)膩，監(jiān)控范圍廣，使其可以利用ePTZ等技術(shù)對圖像局部綜合利用，提高圖像價值。這就非常適合于廣場、運(yùn)動場館、機(jī)場、車站碼頭、海灘等人流密集場所的監(jiān)控應(yīng)用;還有醫(yī)療手術(shù)中的高清視頻教學(xué),風(fēng)景區(qū)及森林防火等方面，4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)也極具價值。

此外，4K超高清具有比現(xiàn)有全高清1080P更高的清晰度，可以為用戶帶來更有價值的視頻資料。比如基于超高清的視頻源，人臉識別、車牌識別等智能分析結(jié)果將更加精確。4K的發(fā)展以及在安防中的應(yīng)用也必將推動整個安防視頻監(jiān)控行業(yè)往高清化方向普及，同時也能促進(jìn)智能分析等配套產(chǎn)業(yè)的升級，為高清安防廠商帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

　　目前使用H.264MainProfile或者HighProfile壓縮碼率完全可以控制在6～8Mbps，等H.265標(biāo)準(zhǔn)成熟后，碼率還能降低一倍以上。從網(wǎng)絡(luò)帶寬上來看，雖然目前家庭帶寬已經(jīng)普及20M/100M光纖到戶，但民用市場的上行帶寬仍然不超過1M。4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)屬于高端應(yīng)用，基本上都會是內(nèi)網(wǎng)、本地、光纖傳輸，帶寬上基本不會存在太大的問題。

　　從存儲方面來看，目前成熟的數(shù)據(jù)硬盤技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了4T，容量大約是3620GB。以8Mbps視頻碼率來算，每臺4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)每小時占用存儲空間大約是3.52GB，4T硬盤大約可以連續(xù)存儲單臺4K高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻約42天，基本上可以滿足要求。

　　從解碼上來看，目前在安防行業(yè)還沒有專門的4K超高清網(wǎng)絡(luò)視頻硬件解碼器。但是一般的視頻播放軟件均支持軟件解碼顯示輸出4K高清視頻。以低端常用的奔騰G系列CPU來看，解碼8Mbps的4K超高清視頻時CPU資源占用率在80%左右，如果通過獨(dú)立顯卡硬解，占用率將更低。

　　從顯示上來看，專用的4K超高清監(jiān)視器還比較少，而4K超清電視可以完美支持4KUHD超高清視頻硬件解碼顯示，基本上可以滿足4K超高清視頻的解碼顯示要求。當(dāng)然，理論上只要縮放引擎支持，1080P分辨率的高清電視也是可以支持4K超高清的顯示的。

　　4KUHD應(yīng)用的挑戰(zhàn)

　　(1)4K超高清圖像傳感器及圖像處理芯片并未大量量產(chǎn)，價格也較貴，制約了4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展;上游芯片供應(yīng)商要放量也要看4K高清市場的應(yīng)用狀況，而市場放量又受到各廠商的產(chǎn)品成熟度和價格等因素的影響，這兩方面相輔相承。

　　(2)從帶寬和存儲上來看，即使采用成熟的H.264HighProfile壓縮，4K超高清視頻的碼率仍然過大，4K的全面發(fā)展仍然需要等待H.265等新一代壓縮技術(shù)的成熟，提高壓縮率，降低碼率、帶寬和存儲空間占用;

　　(3)從顯示來看，低端的4K超高清電視已經(jīng)走進(jìn)了普通人的家庭，但高端的4K顯示設(shè)備仍然較少，且價格非常昂貴;

　　(4)從應(yīng)用來看，4K超高清目前還沒有大量使用，包括智能分析等技術(shù)對于4K超高清數(shù)據(jù)的處理也是壓力山大，如果沒有很好的應(yīng)用，4K超高清技術(shù)只能停留在實(shí)驗(yàn)室中。

　　4KUHD超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的良性發(fā)展有賴于其它配套產(chǎn)業(yè)的升級和完善。我們都無須懷疑，安防4K超高清的時代已經(jīng)來臨，安防從此又掀開一頁嶄新的篇章。