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浅析4K技术的在监控工程中的应用
2015-05-04    15:36:00
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      随着4K技术在广播电视领域如火如荼的发展,近两年4K技术也开始拓展到监控工程领域,4K超高清监控引起了行业的广泛关注。目前,围绕安防行业设计的4K产品逐渐开始完善,各大主流安防企业开始推出4K产品。那么4K技术要想真正集成进视频监控领域,还需要哪些技术储备和产品支持呢?

  一、4k的来源及优势

  4K最早起源于电视行业,4K超高清电视的概念早在几年前就被提出,并宣传的如火如荼,因此人们对于4K的概念其实并不陌生。很多时候,我们视频监控工程领域的发展也是紧随着电子消费类市场的脚步,例如电视机分辨率的演变经历了标清的CRT显像管电视→720P高清背投电视→1080P全高清平板电视,再到现在非常热门的4K超高清电视;而反观我们视频监控行业摄像机的发展也经历了标清的模拟摄像机→720p高清网络摄像机→1080p全高清网络摄像机,现在各大厂商也相继推出了自己的4K超高清网络摄像机产品。因此,不管在哪个领域,人类对于高清的追求都是永无止境的。

  4K常见的分辨率有3840×2160和4096×2160像素2种规格。“4K”名称就来源于其水平方向的像素数,4K分辨率相当于4个1080P或8个720P。4K摄像机就是分辨率为800万像素的摄像机,其超高清的分辨率让其在未来的监控市场发展中具有非常大的优势。首先,4K摄像机可以很好地纵览全局,当随机事件发生,各个业务部门可以用同一台摄像机在同一幅图像中找到各自感兴趣的点,并且在经过多级放大后,仍能得到高清的细节画面。因此4K摄像机可以在不改变摄像机数量、焦距、角度的条件下,进行全天候、全场景下的监控。4K画面的丰富细节,可以让我们各个业务部门进行信息共享,同一个场景下,不用为了看清不同区域而架设多台摄像机,在一定程度上也节约了投资成本,让可视化管理更高效、联动响应更及时、安全系统更有保障。

  二、4k面临的主要问题

  目前4K技术的普及面临的最主要问题,是其超高清分辨率带来的超大带宽占用和超高存储成本。而现有的编码算法H.264从其发布至今已经有十多个年头了,但在未来的超高清时代,利用现有的编码方式,可能需要8-16M的超大码率才能保证图像质量,这对于带宽或存储都是很大的压力。在这样的背景下,需要有比H.264更高效的视频压缩标准来进一步推动视频高清化的发展。

  早在2010年初,JVT-VC小组就正式开始着手下一代视频压缩标准的定制,并于2013年定稿发布,命名为HEVC(HighEfficiencyVideoCoding),随后分别被ITU-T和ISO/IEC采纳成为国际标准,也就是H.265视频压缩标准。最新的H.265标准基本继承了H.264的框架,但是其中采用了大量全新的技术。在高清分辨率下,这些新技术的使用可以使H.265的压缩性能相比H.264提升一倍,简单来说,就是相同视频质量下,高清视频所需要的传输带宽或者存储空间则为H.264的一半左右。从客观效果测试提升上来看,测试结果表明,H.265在1080P分辨率下相比H.264码率降低40%~50%,在720p下相比降低30%~40%。

  而且,更值得我们欣慰的是,H.265由于其算法本身的特点,在4K这种更高分辨率的编码处理上效率会更高。由此可以看出,H.265必然会成为未来4K,甚至8K分辨率的最佳选择。其实,目前市场上已经有支持H.265的4K摄像机和4K的NVR推出了,相信未来也会成为4K领域的主流产品。

  三、4k系统的发展要求与前景

  4K在广播电视行业兴起时,得益于4K芯片的量产,再到大量涌现支持4K解码显示的机顶盒或互联网电视盒子、4K投影仪、4K蓝光播放器,甚至支持4K的手机终端等产品。此外,传统的PC芯片或显卡厂家如Intel、AMD、NVIDIA等也纷纷在其GPU中集成4K的处理能力,正是由于这些4K应用产业链的完善,才加速4K应用的普及。

  那么,在安防监控工程领域,4K最早应该算是从智能交通行业开始,因为在交通领域,需要较大分辨率的摄像机来监控多个车道的车辆情况,这样可以提高对车道的覆盖范围。从2011年开始,国内的一些智能交通厂家开始陆续推出800万像素,甚至千万像素的高清电警卡口相机,但是由于传感器能力以及后端Soc芯片处理能力的限制,一般只能实现5-15帧/秒的处理能力。

  近两年来,随着支持4K编码的低成本SoC芯片以及支持800万像素的CMOS传感器的推出,4K摄像机也逐渐开始普及,目前,国内主流的安防厂家都已经推出了支持4K的IPC产品。

  不过,4K技术要想真正与视频监控行业完美融合,还需要一些磨合和探索。因为4K要解决的不是单个产品,而要集成整套视频监控系统。高清到超高清所跨越的也不仅仅只是分辨率上的难关,4K技术对图像采集、编解码、传输、显示、存储和处理等一系列集成环节都提出了更高的要求。拥有齐全的4K一站式产品解决方案,已经成为4K普及化的最重要的基础。那么,何为齐全的4K一站式产品解决方案?

  第一,更高解像力的镜头。4K摄像机配套镜头至少需要达到800万以上解像力,才能充分发挥出4K摄像机的效果,如果用200万像素的镜头去搭配4K的摄像机,那么我们得到的画面将仍然是200万像素的。而目前市场上真正达到800万以上解像力的镜头很少而且成本高,适合安防应用的更是凤毛麟角。所幸有些具有镜头自主研发实力的大厂家,通过自主光学设计,推出了国产品牌的、适用于安防行业的专业级超高清镜头,既满足了4K摄像机的匹配需求,同等效果下,价格上也比国际品牌更具竞争力。

  第二,更高的网络传输带宽和更大的存储容量。在安防应用中,一般传输1080P高清H.264码流,需要2-4Mbps左右的带宽,在H.264编码下,4K分辨率目前至少也需要8-16Mbps甚至更高的带宽才能达到较好的图像效果。同样,高带宽的视频对存储空间也提出更高的要求。

  第三,更高性能的编码芯片。要想缓解4K分辨率造成的高带宽和大存储容量的压力,就需要对目前的H.264编码性能进行深度优化,或者依赖于新的H.265编码标准的普及。目前,已有厂家开始针对安防行业的特殊应用场景对H.264编码器进行优化,使之也可以在4K分辨率下保持较低的码率。而后续随着支持H.265编码的4K芯片的普及,超高清编码性能将得到质的提升,是整体升级、一步到位的解决方案。

  第四,更强的后端解码和显示能力。对于后端解码显示设备,处理4K分辨率视频需要更多的计算处理能力。随着性能的提升,纵然现在的解码设备还不具备解码多路4K摄像机的能力,但集中力量解一路视频还是没问题的。另外,各大主流监控厂商已相继推出了自己的4KNVR产品,作为4K超高清摄像机的完美搭档,能够接入4K分辨率的超清网络摄像机,在不进行缩放的前提下对4K图像进行预览、录像、解码回放和显示输出。4K显示输出,相当于每个1/4分割画面,都会支持200万像素,这对于NVR领域来说,也是一个新的高度。

  第五,更高分辨率的显示设备。由于4K在电视机行业的快速发展,4K监控系统中最早出来的就是4K的大屏,84英寸的4K面板解决方案已经进入市场,大尺寸显示屏要想实现画面的精细显示,超高分辨率是必备要素,因此4K的显示屏成为了整个4K系统的先行者。

  第六、更强的视频处理能力。4K相当于4个1080p的分辨率,同样大小的物体像素数比1080p多了4倍,因此能够更充分地显示细节,但同时要处理这些更丰富的细节也需要更强的计算处理能力,比如对图像增强、透雾、3D降噪等图像方面,以及对视频浓缩播放、视频后检索、人脸识别、车牌识别等视频的智能分析如都将提出更高的要求。

  通过前面的分析可以看出,目前4K技术从视频采集、编解码、传输到后端显示上墙等整个产业链都在逐步完善中,在个别环节如镜头、编码技术等方面还存在一些技术瓶颈有待突破,但是我们有理由想信,4K的前景还是美好的,4K的普及化、集成化也不会太遥远。


  人们对高清的追求是永无止境的,4K只是顺应时代需求的必然产物。理论上来说,4K仍是高清浪潮的延续,但是4K带来的却不仅仅只是分辨率的增加,因为要真正实现4K的超高清监控,是需要集成一系列视音频编解码、图像处理、智能分析等技术来支撑的,这也从另一方面推动了整个监控工程技术的快速变革。目前4K产品在安防中处于高端产品的地位,随着HEVC芯片的推出和普及以及整个4K产业链的不断完善,有理由相信,在未来的几年内,4K产品带来的细致入微的超清晰监控效果,将会引领视频监控市场进一步步入高清、超高清时代。








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