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超高清視頻監控時代正在到來

 

超高清視頻監控時代正在到來

    在視頻方面,人眼對清晰度的追求是永無止境的,目前的視頻監控系統在人們回放監控錄像的時候經常發現數字看不清或人臉難以辨識等情況,人們一直期望視頻監控有更好的清晰度來提升監控的價值……

  人們對視頻清晰度的追求如同對美食的追求一樣沒有止境,視頻監控系統中作為視頻采集來源的攝像機隨著網絡化的發展,突破了模擬傳輸的瓶頸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,其價格也在各大廠家的博弈下變得越發親民,作為高清攝像機最低端的720P經濟型網絡攝像機已成為民用網絡視頻監控的首選,對清晰度要求高一點的用戶則開始選擇1080P攝像機,高端公安行業在“平安城市”的建設中對1080P攝像機也不再滿足,攝像機新一輪技術提升即將到來,超高清視頻監控離我們已經不遠了。

  4K從何而來

  在視頻方面,人眼對清晰度的追求是永無止境的,目前的視頻監控系統在人們回放監控錄像的時候經常發現數字看不清或人臉難以辨識等情況,人們一直期望視頻監控有更好的清晰度來提升監控的價值,但是監控系統一般在不出狀況時幾乎沒有回報,所以人們總是想對它做更少投入,也因此視頻監控行業總是要比追求視頻效果最強烈的影視行業慢半拍。

  視頻監控行業的清晰度標準也是沿用電影及廣播電視相關標準的,畢竟人們在娛樂上總是要比監控系統上更舍得投入,伴隨著更高清晰度攝像機和顯示設備的高速發展,不知不覺當中,家電賣場已滿眼是4K/2160P、超高清的數字電視,監控高清網絡攝像機已經落后于顯示設備的發展了。超高清視頻標準是如何定義的呢?電影行業使用的DCI(Digital Cinema Initiatives)標準是按照橫向像素點來計算的,如2K(2048×1080)、4K(4096×2160),由于電影行業并不是16:9的畫面比例,所以與我們熟知的分辨率有所差別,至于手機行業把2560×1440也簡稱作2K,這與本文的相關性不大,在此不再詳述。而大家熟知的720P1080P是國際電聯ITU制定HDTV高清數字電視標準,在電影行業越來越多的開始發行4K數字拷貝之后,更高分辨率的UHDTV超高清數字電視標準也隨之被確定下來:4K UHDTV標準即1080P4倍——2160P(3840×2160),另外還有8K UHDTV標準??赡苡捎跀底钟洃涍^于繁瑣,電影電視行業又是緊密聯系在一起的,4K這個詞也不再作為電影行業標準的唯一叫法, 4096×21603840×2160都可以稱作4K。

  超高清攝像機帶來的觀感

  高清攝像機從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的4K相對應。今年開始已有廠家拿出了4K超高清攝像機來做評測宣傳,但還沒有真正推向市場,預計今年晚些時候4K超高清攝像機就會成為高端視頻監控市場的主力軍。雖然之前幾年在高清平安城市監控項目大規模建設使用720P1080P攝像機的時候,各廠家也推出了300萬和500萬像素的高清攝像機,但是在監控行業,攝像機承擔著完全不同光線環境下的拍攝任務,早期的300萬和500萬像素攝像機低照

  度感光能力極差,導致其夜晚即使在常規一體化紅外燈補光下噪點也比較明顯,視頻畫面內容看不清楚,而且還無法達到25/秒的實時幀率,所以在此之前的主流300萬到500萬像素攝像機都不適合常規24小時日夜監控。

  而目前感光度更好的300萬和600萬像素超低照度高清網絡攝像機已經解決了感光差的問題,另外現在的300萬像素機型更可以支持到60/秒的高幀率,有高幀率需求的用戶可以把視線轉移到300萬像素機型上來了。由于300萬像素機型分辨率為2048×1536,這相比1080P1920×1080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300萬像素機型主要在拍攝相同水平視場角的同時提升了垂直視場角。而在水平和垂直視場角基本不變的情況下,若想提升清晰度則需要選擇600萬或800萬像素機型,其水平清晰度從1080P1000-1100TVL(見圖1)提升到了2000-2200TVL(見圖2)。而對滿足于現有清晰度的用戶,超高清視頻監控的意義還在于與1080P同清晰度的情況下,監控視場角翻倍,監控范圍得到了大幅度提升。

  超高清攝像機需要一顆明亮的“眼”

  監控行業的高清網絡攝像機的核心器件在于傳感器,而傳感器技術在影視行業需求的帶動下早已發展到千萬像素級別,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。在監控行業變焦自動光圈日夜紅外鏡頭一般是監控攝像機的首選,但多數廠家的此類鏡頭解像力也只有200萬到300萬像素,只有極個別廠家有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,其配置的大光圈也保證了夜晚的進光量以提升攝像機的低照度視頻效果。

  視頻壓縮新技術開啟美好未來

  正是由于分辨率的大幅度提升,導致監控攝像機的瓶頸主要集中在ISP圖像處理和壓縮編碼處理技術上,分辨率的大幅度提升使得壓縮編碼處理芯片壓力山大。影視行業壓縮編碼處理注重畫質卻不太注重壓縮速度,其一般會使用耗時的2pass兩次計算過程來做變碼率的最合理分配,而監控攝像機完全不同,壓縮編碼芯片需要具有不低于傳感器輸出視頻幀率的實時壓縮編碼能力,否則數據的累積堆疊會使得攝像機內存被撐滿;另一方面編碼延遲越小越好,這樣才能確保監控室內人員看到的視頻畫面具有實時性,以便在出現緊急事件時做出快速響應。

  雖然壓縮編碼芯片面臨著如此巨大的壓力,但是處理器計算能力一直在快速發展,目前最強的壓縮編碼芯片已經可以應付800萬像素25/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;以及同時做Smart智能分析報警。三碼流成為網絡攝像機標配的同時也解決了網絡攝像機需要足夠的帶寬支撐的問題,主碼流在局域網中接入存儲設備做高碼率錄像存儲,子碼流提供低分辨率、低碼率碼流給手機等移動設備做移動監控,而第三碼流可以在不影響前兩種應用的情況下,任意設置分辨率、幀率與碼率來提供給基于公網的遠程高清預覽,國內電信運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512kbps2Mbps。第三碼流可以通過低幀率和碼率來提供高清視頻流遠程預覽,避免了對本地錄像的影響,在國家寬帶標準沒有加入對上行帶寬做出要求之前,第三碼流將在國內互聯網環境下成為網絡攝像機的重要功能來適應國情。

  超高分辨率與高幀率的實時壓縮編碼雖然沒有難倒硬件芯片,但是行業普遍采用的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,600/800@25fps視頻使用該等級編碼需要6-10Mbps,一些廠家仍然在用H.264 Baseline Profile低等級壓縮編碼,1080P在該等級壓縮編碼下需要8Mbps,顯然前者與后者相比并沒有高出很多,但是人們在硬盤和網絡帶寬都不想做更多投入的情況下,超高清攝像機需要具有更高壓縮率的壓縮編碼技術才能夠和較低碼率的1080P一樣被大眾所接受。20134月被國際電聯批準的H.265/HEVC壓縮編碼技術標準把壓縮率提升到了一個新的高度,其壓縮方式與H.264一脈相承,但又有著巨大的變化。

  從實際的壓縮性能來說,經過實際測試總結得出如本專題前文《安防超高清監控,造就美麗新世界》中表1所示,相比H.264,H.265標準可以在同樣畫質下降低50%以上的碼率,這無論對視頻監控還是視頻娛樂都具有重大意義,H.265會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現H.265硬件解碼芯已經開始普及,但是超高清網絡攝像機需要的是硬件編碼芯片,同時還需要支持ISP圖像處理、多碼流編碼和項基本功能,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絡攝像機短期內仍然要使用H.264High Profile硬件編碼芯片(見圖3的多種壓縮技術效率對比),這至少比H.264 Baseline Profile降低了20%以上的碼率,即便如此,我們從各監控廠家官網可以看到,只有少數的一線廠商使用了H.264 High Profile編碼,監控攝像機對H.265壓縮芯片的期望還是十分迫切的。

  在網絡傳輸方面,由于監控網絡攝像機一般都用在局域網之中,即便在“平安城市”建設中,運營商使用的也是由光纖專線組成的專網,所以超高清網絡攝像機在這樣的網內傳輸上并沒有多少壓力;若要在公網預覽實時的超高清視頻,還需要進一步提升壓縮效率并期望電信運營商提升家庭網絡上行帶寬限制,否則連基本的高清實時傳輸在商鋪和家庭的遠程監控中都難以實現。

  對存儲設備而言,超高清網絡攝像機改變的只是占用更多的存儲空間,導致存儲設備的存儲周期和總接入通道數量有所降低。對于用戶而言,為提升畫質而占用更多的存儲空間可能不易接受,但是從畫質不變而增大監控視場角方面來說,用戶還是可以接受超高清攝像機的,例如一個街道交叉口原本需要2-3個普通攝像機才能做好足夠清晰度的環境覆蓋,用1-2個超高清攝像機就可以滿足原本的清晰度,且做到了足夠的環境覆蓋。

 

  這么近卻那么遠

  在監控系統的顯示部分,超高清網絡攝像機的視頻流需要經過解碼器的解碼,再輸出給顯示設備,好在一線廠家已經推出了800萬像素解碼器,例如某知名品牌推出的可以解碼8800萬像素25fps視頻流或[email protected]視頻流。但是另一個瓶頸大多數人還沒有在意,現有的解碼器或者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[email protected]需要HDMI2.0或者Display Port接口,電視行業習慣配備HDMI接口,而電腦顯卡則更多的配備Display Port以支持4K顯示設備,至于哪種接口將來能夠一統江湖還要拭目以待。

  超高清視頻展現在用戶眼前最直觀的一步就依賴顯示設備了。過去一年,家電賣場中大勢宣傳的4K液晶電視已經讓我們覺得視頻監控的4K顯示并不是問題,但是真假4K又突然被人擺到了臺面上來,究其原因可以發現,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×RGBW2880×2160×RGBW顯示面板,而這樣的面板并沒有達到4K830萬全RGB像素,全像素4K顯示設備應為3840×2160×RGBRGBW,這主要是由于國內標準不完善,使得一些廠家鉆了空子做模糊歧義宣傳。家用4K電視已經普及,但是回頭來看各監控屏廠家的產品,我們發現4K監控屏難以尋覓,極個別廠家有一些4K監控屏也是十分昂貴,畢竟監控屏與家用液晶屏有著很大的差別,家用產品以8小時左右的日常使用時間來設計,而監控屏是按照24小時連續使用來設計的。

  目前監控顯示系統更多的采用解碼器配合拼接屏的方案來實現將41080P屏幕拼接成一個4K顯示單元,這樣就可以顯示一個無損失的4K高清視頻。這就是監控系統與家用系統的差別所在,多個屏幕拼接既解決了顯示設備分辨率的不足問題,又解決了顯示設備的尺寸不夠大的問題,所以超高清分辨率視頻在監控中心電視墻顯示仍然要靠拼接屏來實現。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監控屏的普及。

  結語

  通過對整個視頻監控系統每個部分的詳細介紹,想必讀者可以了解整個超高清視頻監控系統設備與現有的全高清視頻監控系統并沒有多少差別,超高清網絡攝像機從網絡傳輸到存儲設備增加的只是帶寬和對存儲空間的占用,而解碼顯示上也沒有無法運用的問題,主要面臨的問題是單屏無法達到4K顯示,現有的解決方案只能使用PC機軟解配合4K液晶顯示器或電視來做到真正的4K顯示,4K超高清視頻監控已經離我們越來越近,但是要想組成一套完善的4K超高清視頻監控系統還需要各廠家推出新一代產品來完善產業鏈,這并不遙遠,正款款地向您走來。

 


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