超高清視頻監(jiān)控時(shí)代正在到來

摘要：人們對(duì)視頻清晰度的追求如同對(duì)美食的追求一樣沒有止境，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中作為視頻采集來源的攝像機(jī)隨著網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，突破了模擬傳輸?shù)钠款i并在短短幾年中一步步地提高著分辨率，伴隨而來的是清晰度的大幅度提升，其價(jià)格也在各大廠家的博弈下變得越發(fā)親民，作為高清攝像機(jī)最低端的720P經(jīng)濟(jì)型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已成為民用網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的首選，對(duì)清晰度要求高一點(diǎn)的用戶則開始選擇1080P攝像機(jī)，高端公安行業(yè)在“平安城市”的建設(shè)中對(duì)1080P攝像機(jī)也不再滿足，攝像機(jī)新一輪技術(shù)提升即將到來，超高清視頻監(jiān)控離我們已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

    人們對(duì)視頻清晰度的追求如同對(duì)美食的追求一樣沒有止境，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中作為視頻采集來源的攝像機(jī)隨著網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，突破了模擬傳輸?shù)钠款i并在短短幾年中一步步地提高著分辨率，伴隨而來的是清晰度的大幅度提升，其價(jià)格也在各大廠家的博弈下變得越發(fā)親民，作為高清攝像機(jī)最低端的720P經(jīng)濟(jì)型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已成為民用網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的首選，對(duì)清晰度要求高一點(diǎn)的用戶則開始選擇1080P攝像機(jī)，高端公安行業(yè)在“平安城市”的建設(shè)中對(duì)1080P攝像機(jī)也不再滿足，攝像機(jī)新一輪技術(shù)提升即將到來，超高清視頻監(jiān)控離我們已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

    4K從何而來

    在視頻方面，人眼對(duì)清晰度的追求是永無止境的，目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在人們回放監(jiān)控錄像的時(shí)候經(jīng)常發(fā)現(xiàn)數(shù)字看不清或人臉難以辨識(shí)等情況，人們一直期望視頻監(jiān)控有更好的清晰度來提升監(jiān)控的價(jià)值，但是監(jiān)控系統(tǒng)一般在不出狀況時(shí)幾乎沒有回報(bào)，所以人們總是想對(duì)它做更少投入，也因此視頻監(jiān)控行業(yè)總是要比追求視頻效果最強(qiáng)烈的影視行業(yè)慢半拍。

    視頻監(jiān)控行業(yè)的清晰度標(biāo)準(zhǔn)也是沿用電影及廣播電視相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，畢竟人們?cè)趭蕵飞峡偸且�比監(jiān)控系統(tǒng)上更舍得投入，伴隨著更高清晰度攝像機(jī)和顯示設(shè)備的高速發(fā)展，不知不覺當(dāng)中，家電賣場(chǎng)已滿眼是4K/2160P、超高清的數(shù)字電視，監(jiān)控高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已經(jīng)落后于顯示設(shè)備的發(fā)展了。超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)是如何定義的呢?電影行業(yè)使用的DCI(Digital Cinema Initiatives)標(biāo)準(zhǔn)是按照橫向像素點(diǎn)來計(jì)算的，如2K(2048×1080)、4K(4096×2160)，由于電影行業(yè)并不是16:9的畫面比例，所以與我們熟知的分辨率有所差別，至于手機(jī)行業(yè)把2560×1440也簡(jiǎn)稱作2K，這與本文的相關(guān)性不大，在此不再詳述。而大家熟知的720P和1080P是國際電聯(lián)ITU制定HDTV高清數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，在電影行業(yè)越來越多的開始發(fā)行4K數(shù)字拷貝之后，更高分辨率的UHDTV超高清數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)也隨之被確定下來：4K UHDTV標(biāo)準(zhǔn)即1080P的4倍——2160P(3840×2160)，另外還有8K UHDTV標(biāo)準(zhǔn)。可能由于數(shù)字記憶過于繁瑣，電影電視行業(yè)又是緊密聯(lián)系在一起的，4K這個(gè)詞也不再作為電影行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的唯一叫法， 4096×2160和3840×2160都可以稱作4K。

    超高清攝像機(jī)帶來的觀感

    高清攝像機(jī)從100萬、200萬、300萬、500萬、600萬、800萬甚至1200萬像素，這些都正一步一步走近我們，其中800萬像素與電影電視行業(yè)的4K相對(duì)應(yīng)。今年開始已有廠家拿出了4K超高清攝像機(jī)來做評(píng)測(cè)宣傳，但還沒有真正推向市場(chǎng)，預(yù)計(jì)今年晚些時(shí)候4K超高清攝像機(jī)就會(huì)成為高端視頻監(jiān)控市場(chǎng)的主力軍。雖然之前幾年在高清平安城市監(jiān)控項(xiàng)目大規(guī)模建設(shè)使用720P和1080P攝像機(jī)的時(shí)候，各廠家也推出了300萬和500萬像素的高清攝像機(jī)，但是在監(jiān)控行業(yè)，攝像機(jī)承擔(dān)著完全不同光線環(huán)境下的拍攝任務(wù)，早期的300萬和500萬像素?cái)z像機(jī)低照

    度感光能力極差，導(dǎo)致其夜晚即使在常規(guī)一體化紅外燈補(bǔ)光下噪點(diǎn)也比較明顯，視頻畫面內(nèi)容看不清楚，而且還無法達(dá)到25幀/秒的實(shí)時(shí)幀率，所以在此之前的主流300萬到500萬像素?cái)z像機(jī)都不適合常規(guī)24小時(shí)日夜監(jiān)控。

    而目前感光度更好的300萬和600萬像素超低照度高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已經(jīng)解決了感光差的問題，另外現(xiàn)在的300萬像素機(jī)型更可以支持到60幀/秒的高幀率，有高幀率需求的用戶可以把視線轉(zhuǎn)移到300萬像素機(jī)型上來了。由于300萬像素機(jī)型分辨率為2048×1536，這相比1080P的1920×1080提升主要在垂直分辨率上，而水平分辨率幾乎沒有提升，所以300萬像素機(jī)型主要在拍攝相同水平視場(chǎng)角的同時(shí)提升了垂直視場(chǎng)角。而在水平和垂直視場(chǎng)角基本不變的情況下，若想提升清晰度則需要選擇600萬或800萬像素機(jī)型，其水平清晰度從1080P的1000-1100TVL提升到了2000-2200TVL。而對(duì)滿足于現(xiàn)有清晰度的用戶，超高清視頻監(jiān)控的意義還在于與1080P同清晰度的情況下，監(jiān)控視場(chǎng)角翻倍，監(jiān)控范圍得到了大幅度提升。

    超高清攝像機(jī)需要一顆明亮的“眼”

    監(jiān)控行業(yè)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的核心器件在于傳感器，而傳感器技術(shù)在影視行業(yè)需求的帶動(dòng)下早已發(fā)展到千萬像素級(jí)別，與之配套的鏡頭是成像光路中最重要的部分，鏡頭猶如人眼睛的晶狀體，確保它能夠看到清晰的世界。在監(jiān)控行業(yè)變焦自動(dòng)光圈日夜紅外鏡頭一般是監(jiān)控?cái)z像機(jī)的首選，但多數(shù)廠家的此類鏡頭解像力也只有200萬到300萬像素，只有極個(gè)別廠家有500萬甚至800萬像素解像力的鏡頭，這些鏡頭在確保超高清成像的同時(shí)，其配置的大光圈也保證了夜晚的進(jìn)光量以提升攝像機(jī)的低照度視頻效果。

    視頻壓縮新技術(shù)開啟美好未來

    正是由于分辨率的大幅度提升，導(dǎo)致監(jiān)控?cái)z像機(jī)的瓶頸主要集中在ISP圖像處理和壓縮編碼處理技術(shù)上，分辨率的大幅度提升使得壓縮編碼處理芯片壓力山大。影視行業(yè)壓縮編碼處理注重畫質(zhì)卻不太注重壓縮速度，其一般會(huì)使用耗時(shí)的2pass兩次計(jì)算過程來做變碼率的最合理分配，而監(jiān)控?cái)z像機(jī)完全不同，壓縮編碼芯片需要具有不低于傳感器輸出視頻幀率的實(shí)時(shí)壓縮編碼能力，否則數(shù)據(jù)的累積堆疊會(huì)使得攝像機(jī)內(nèi)存被撐滿;另一方面編碼延遲越小越好，這樣才能確保監(jiān)控室內(nèi)人員看到的視頻畫面具有實(shí)時(shí)性，以便在出現(xiàn)緊急事件時(shí)做出快速響應(yīng)。

    雖然壓縮編碼芯片面臨著如此巨大的壓力，但是處理器計(jì)算能力一直在快速發(fā)展，目前最強(qiáng)的壓縮編碼芯片已經(jīng)可以應(yīng)付800萬像素25幀/秒的低延遲硬件壓縮，甚至還有額外的能力做第二、第三碼流的高清壓縮編碼;以及同時(shí)做Smart智能分析報(bào)警。三碼流成為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)標(biāo)配的同時(shí)也解決了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)需要足夠的帶寬支撐的問題，主碼流在局域網(wǎng)中接入存儲(chǔ)設(shè)備做高碼率錄像存儲(chǔ)，子碼流提供低分辨率、低碼率碼流給手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備做移動(dòng)監(jiān)控，而第三碼流可以在不影響前兩種應(yīng)用的情況下，任意設(shè)置分辨率、幀率與碼率來提供給基于公網(wǎng)的遠(yuǎn)程高清預(yù)覽，國內(nèi)電信運(yùn)營商雖然開始普及幾十到上百兆的高速光纖寬帶接入，但是上行帶寬卻限制在非常低的512kbps到2Mbps。第三碼流可以通過低幀率和碼率來提供高清視頻流遠(yuǎn)程預(yù)覽，避免了對(duì)本地錄像的影響，在國家寬帶標(biāo)準(zhǔn)沒有加入對(duì)上行帶寬做出要求之前，第三碼流將在國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下成為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的重要功能來適應(yīng)國情。

    超高分辨率與高幀率的實(shí)時(shí)壓縮編碼雖然沒有難倒硬件芯片，但是行業(yè)普遍采用的H.264/AVC壓縮后的碼率還是難以滿足人們的愿望，主流廠家一般采用H.264 High Profile壓縮編碼，600萬/800萬@25fps視頻使用該等級(jí)編碼需要6-10Mbps，一些廠家仍然在用H.264 Baseline Profile低等級(jí)壓縮編碼，1080P在該等級(jí)壓縮編碼下需要8Mbps，顯然前者與后者相比并沒有高出很多，但是人們?cè)谟脖P和網(wǎng)絡(luò)帶寬都不想做更多投入的情況下，超高清攝像機(jī)需要具有更高壓縮率的壓縮編碼技術(shù)才能夠和較低碼率的1080P一樣被大眾所接受。2013年4月被國際電聯(lián)批準(zhǔn)的H.265/HEVC壓縮編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)把壓縮率提升到了一個(gè)新的高度，其壓縮方式與H.264一脈相承，但又有著巨大的變化。

    從實(shí)際的壓縮性能來說，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試總結(jié)得出如本專題前文《安防超高清監(jiān)控，造就美麗新世界》中表1所示，相比H.264，H.265標(biāo)準(zhǔn)可以在同樣畫質(zhì)下降低50%以上的碼率，這無論對(duì)視頻監(jiān)控還是視頻娛樂都具有重大意義，H.265會(huì)給我們帶來全新的感受。從各種4K電視盒鋪天蓋地的廣告中我們可以發(fā)現(xiàn)H.265硬件解碼芯已經(jīng)開始普及，但是超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)需要的是硬件編碼芯片，同時(shí)還需要支持ISP圖像處理、多碼流編碼和項(xiàng)基本功能，滿足這些要求的編碼芯片還沒有普及，所以目前的超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)短期內(nèi)仍然要使用H.264High Profile硬件編碼芯片(見圖3的多種壓縮技術(shù)效率對(duì)比)，這至少比H.264 Baseline Profile降低了20%以上的碼率，即便如此，我們從各監(jiān)控廠家官網(wǎng)可以看到，只有少數(shù)的一線廠商使用了H.264 High Profile編碼，監(jiān)控?cái)z像機(jī)對(duì)H.265壓縮芯片的期望還是十分迫切的。

    在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，由于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一般都用在局域網(wǎng)之中，即便在“平安城市”建設(shè)中，運(yùn)營商使用的也是由光纖專線組成的專網(wǎng)，所以超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在這樣的網(wǎng)內(nèi)傳輸上并沒有多少壓力;若要在公網(wǎng)預(yù)覽實(shí)時(shí)的超高清視頻，還需要進(jìn)一步提升壓縮效率并期望電信運(yùn)營商提升家庭網(wǎng)絡(luò)上行帶寬限制，否則連基本的高清實(shí)時(shí)傳輸在商鋪和家庭的遠(yuǎn)程監(jiān)控中都難以實(shí)現(xiàn)。

    對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備而言，超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)改變的只是占用更多的存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)周期和總接入通道數(shù)量有所降低。對(duì)于用戶而言，為提升畫質(zhì)而占用更多的存儲(chǔ)空間可能不易接受，但是從畫質(zhì)不變而增大監(jiān)控視場(chǎng)角方面來說，用戶還是可以接受超高清攝像機(jī)的，例如一個(gè)街道交叉口原本需要2-3個(gè)普通攝像機(jī)才能做好足夠清晰度的環(huán)境覆蓋，用1-2個(gè)超高清攝像機(jī)就可以滿足原本的清晰度，且做到了足夠的環(huán)境覆蓋。

    這么近卻那么遠(yuǎn)

    在監(jiān)控系統(tǒng)的顯示部分，超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻流需要經(jīng)過解碼器的解碼，再輸出給顯示設(shè)備，好在一線廠家已經(jīng)推出了800萬像素解碼器，例如某知名品牌推出的可以解碼8路800萬像素25fps視頻流或321080P@25fps視頻流。但是另一個(gè)瓶頸大多數(shù)人還沒有在意，現(xiàn)有的解碼器或者NVR使用DVI或者HDMI1.3顯示接口，而DVI最高只支持到2560×1600分辨率，HDMI1.4才開始支持3840×2160且其最高刷新率為30Hz，所以如果用只支持1080P的顯示接口來輸出視頻，那么超高清視頻也只有縮放到1080P一樣的效果了。完美支持4K@50Hz需要HDMI2.0或者Display Port接口，電視行業(yè)習(xí)慣配備HDMI接口，而電腦顯卡則更多的配備Display Port以支持4K顯示設(shè)備，至于哪種接口將來能夠一統(tǒng)江湖還要拭目以待。

    超高清視頻展現(xiàn)在用戶眼前最直觀的一步就依賴顯示設(shè)備了。過去一年，家電賣場(chǎng)中大勢(shì)宣傳的4K液晶電視已經(jīng)讓我們覺得視頻監(jiān)控的4K顯示并不是問題，但是真假4K又突然被人擺到了臺(tái)面上來，究其原因可以發(fā)現(xiàn)，一些廠家把1920×1080×RGB三色像素顯示面板加了純白色像素使其變成1920×2160×RGBW或2880×2160×RGBW顯示面板，而這樣的面板并沒有達(dá)到4K的830萬全RGB像素，全像素4K顯示設(shè)備應(yīng)為3840×2160×RGB或RGBW，這主要是由于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不完善，使得一些廠家鉆了空子做模糊歧義宣傳。家用4K電視已經(jīng)普及，但是回頭來看各監(jiān)控屏廠家的產(chǎn)品，我們發(fā)現(xiàn)4K監(jiān)控屏難以尋覓，極個(gè)別廠家有一些4K監(jiān)控屏也是十分昂貴，畢竟監(jiān)控屏與家用液晶屏有著很大的差別，家用產(chǎn)品以8小時(shí)左右的日常使用時(shí)間來設(shè)計(jì)，而監(jiān)控屏是按照24小時(shí)連續(xù)使用來設(shè)計(jì)的。

    目前監(jiān)控顯示系統(tǒng)更多的采用解碼器配合拼接屏的方案來實(shí)現(xiàn)將4個(gè)1080P屏幕拼接成一個(gè)4K顯示單元，這樣就可以顯示一個(gè)無損失的4K高清視頻。這就是監(jiān)控系統(tǒng)與家用系統(tǒng)的差別所在，多個(gè)屏幕拼接既解決了顯示設(shè)備分辨率的不足問題，又解決了顯示設(shè)備的尺寸不夠大的問題，所以超高清分辨率視頻在監(jiān)控中心電視墻顯示仍然要靠拼接屏來實(shí)現(xiàn)。若想要單屏全像素顯示超高清視頻或分割顯示4路全高清視頻，我們還需要等待4K監(jiān)控屏的普及。

    通過對(duì)整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)每個(gè)部分的詳細(xì)介紹，想必讀者可以了解整個(gè)超高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備與現(xiàn)有的全高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)并沒有多少差別，超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)設(shè)備增加的只是帶寬和對(duì)存儲(chǔ)空間的占用，而解碼顯示上也沒有無法運(yùn)用的問題，主要面臨的問題是單屏無法達(dá)到4K顯示，現(xiàn)有的解決方案只能使用PC機(jī)軟解配合4K液晶顯示器或電視來做到真正的4K顯示，4K超高清視頻監(jiān)控已經(jīng)離我們?cè)絹碓浇�，但是要想組成一套完善的4K超高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)還需要各廠家推出新一代產(chǎn)品來完善產(chǎn)業(yè)鏈，這并不遙遠(yuǎn)，正款款地向您走來。