淺析4K技術(shù)的在監(jiān)控工程中的應(yīng)用
2015-05-04 15:36:00
一、4k的來源及優(yōu)勢
4K最早起源于電視行業(yè)，4K超高清電視的概念早在幾年前就被提出，并宣傳的如火如荼，因此人們對于4K的概念其實(shí)并不陌生。很多時(shí)候，我們視頻監(jiān)控工程領(lǐng)域的發(fā)展也是緊隨著電子消費(fèi)類市場的腳步，例如電視機(jī)分辨率的演變經(jīng)歷了標(biāo)清的CRT顯像管電視→720P高清背投電視→1080P全高清平板電視，再到現(xiàn)在非常熱門的4K超高清電視;而反觀我們視頻監(jiān)控行業(yè)攝像機(jī)的發(fā)展也經(jīng)歷了標(biāo)清的模擬攝像機(jī)→720p高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)→1080p全高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，現(xiàn)在各大廠商也相繼推出了自己的4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品。因此，不管在哪個(gè)領(lǐng)域，人類對于高清的追求都是永無止境的。
4K常見的分辨率有3840×2160和4096×2160像素2種規(guī)格?！?K”名稱就來源于其水平方向的像素?cái)?shù)，4K分辨率相當(dāng)于4個(gè)1080P或8個(gè)720P。4K攝像機(jī)就是分辨率為800萬像素的攝像機(jī)，其超高清的分辨率讓其在未來的監(jiān)控市場發(fā)展中具有非常大的優(yōu)勢。首先，4K攝像機(jī)可以很好地縱覽全局，當(dāng)隨機(jī)事件發(fā)生，各個(gè)業(yè)務(wù)部門可以用同一臺攝像機(jī)在同一幅圖像中找到各自感興趣的點(diǎn)，并且在經(jīng)過多級放大后，仍能得到高清的細(xì)節(jié)畫面。因此4K攝像機(jī)可以在不改變攝像機(jī)數(shù)量、焦距、角度的條件下，進(jìn)行全天候、全場景下的監(jiān)控。4K畫面的豐富細(xì)節(jié)，可以讓我們各個(gè)業(yè)務(wù)部門進(jìn)行信息共享，同一個(gè)場景下，不用為了看清不同區(qū)域而架設(shè)多臺攝像機(jī)，在一定程度上也節(jié)約了投資成本，讓可視化管理更高效、聯(lián)動(dòng)響應(yīng)更及時(shí)、安全系統(tǒng)更有保障。
二、4k面臨的主要問題
目前4K技術(shù)的普及面臨的最主要問題，是其超高清分辨率帶來的超大帶寬占用和超高存儲(chǔ)成本。而現(xiàn)有的編碼算法H.264從其發(fā)布至今已經(jīng)有十多個(gè)年頭了，但在未來的超高清時(shí)代，利用現(xiàn)有的編碼方式，可能需要8-16M的超大碼率才能保證圖像質(zhì)量，這對于帶寬或存儲(chǔ)都是很大的壓力。在這樣的背景下，需要有比H.264更高效的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)一步推動(dòng)視頻高清化的發(fā)展。
早在2010年初，JVT-VC小組就正式開始著手下一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的定制，并于2013年定稿發(fā)布，命名為HEVC(HighEfficiencyVideoCoding),隨后分別被ITU-T和ISO/IEC采納成為國際標(biāo)準(zhǔn),也就是H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。最新的H.265標(biāo)準(zhǔn)基本繼承了H.264的框架，但是其中采用了大量全新的技術(shù)。在高清分辨率下，這些新技術(shù)的使用可以使H.265的壓縮性能相比H.264提升一倍，簡單來說，就是相同視頻質(zhì)量下，高清視頻所需要的傳輸帶寬或者存儲(chǔ)空間則為H.264的一半左右。從客觀效果測試提升上來看，測試結(jié)果表明，H.265在1080P分辨率下相比H.264碼率降低40%～50%，在720p下相比降低30%～40%。
而且，更值得我們欣慰的是，H.265由于其算法本身的特點(diǎn)，在4K這種更高分辨率的編碼處理上效率會(huì)更高。由此可以看出，H.265必然會(huì)成為未來4K，甚至8K分辨率的最佳選擇。其實(shí)，目前市場上已經(jīng)有支持H.265的4K攝像機(jī)和4K的NVR推出了，相信未來也會(huì)成為4K領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。
三、4k系統(tǒng)的發(fā)展要求與前景
4K在廣播電視行業(yè)興起時(shí)，得益于4K芯片的量產(chǎn)，再到大量涌現(xiàn)支持4K解碼顯示的機(jī)頂盒或互聯(lián)網(wǎng)電視盒子、4K投影儀、4K藍(lán)光播放器，甚至支持4K的手機(jī)終端等產(chǎn)品。此外，傳統(tǒng)的PC芯片或顯卡廠家如Intel、AMD、NVIDIA等也紛紛在其GPU中集成4K的處理能力，正是由于這些4K應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈的完善，才加速4K應(yīng)用的普及。
那么，在安防監(jiān)控工程領(lǐng)域，4K最早應(yīng)該算是從智能交通行業(yè)開始，因?yàn)樵诮煌I(lǐng)域，需要較大分辨率的攝像機(jī)來監(jiān)控多個(gè)車道的車輛情況，這樣可以提高對車道的覆蓋范圍。從2011年開始，國內(nèi)的一些智能交通廠家開始陸續(xù)推出800萬像素，甚至千萬像素的高清電警卡口相機(jī)，但是由于傳感器能力以及后端Soc芯片處理能力的限制，一般只能實(shí)現(xiàn)5-15幀/秒的處理能力。
近兩年來，隨著支持4K編碼的低成本SoC芯片以及支持800萬像素的CMOS傳感器的推出，4K攝像機(jī)也逐漸開始普及，目前，國內(nèi)主流的安防廠家都已經(jīng)推出了支持4K的IPC產(chǎn)品。
不過，4K技術(shù)要想真正與視頻監(jiān)控行業(yè)完美融合，還需要一些磨合和探索。因?yàn)?K要解決的不是單個(gè)產(chǎn)品，而要集成整套視頻監(jiān)控系統(tǒng)。高清到超高清所跨越的也不僅僅只是分辨率上的難關(guān)，4K技術(shù)對圖像采集、編解碼、傳輸、顯示、存儲(chǔ)和處理等一系列集成環(huán)節(jié)都提出了更高的要求。擁有齊全的4K一站式產(chǎn)品解決方案，已經(jīng)成為4K普及化的最重要的基礎(chǔ)。那么，何為齊全的4K一站式產(chǎn)品解決方案?
第一，更高解像力的鏡頭。4K攝像機(jī)配套鏡頭至少需要達(dá)到800萬以上解像力，才能充分發(fā)揮出4K攝像機(jī)的效果，如果用200萬像素的鏡頭去搭配4K的攝像機(jī)，那么我們得到的畫面將仍然是200萬像素的。而目前市場上真正達(dá)到800萬以上解像力的鏡頭很少而且成本高，適合安防應(yīng)用的更是鳳毛麟角。所幸有些具有鏡頭自主研發(fā)實(shí)力的大廠家，通過自主光學(xué)設(shè)計(jì)，推出了國產(chǎn)品牌的、適用于安防行業(yè)的專業(yè)級超高清鏡頭，既滿足了4K攝像機(jī)的匹配需求，同等效果下，價(jià)格上也比國際品牌更具競爭力。
第二，更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和更大的存儲(chǔ)容量。在安防應(yīng)用中，一般傳輸1080P高清H.264碼流，需要2-4Mbps左右的帶寬，在H.264編碼下，4K分辨率目前至少也需要8-16Mbps甚至更高的帶寬才能達(dá)到較好的圖像效果。同樣，高帶寬的視頻對存儲(chǔ)空間也提出更高的要求。
第三，更高性能的編碼芯片。要想緩解4K分辨率造成的高帶寬和大存儲(chǔ)容量的壓力，就需要對目前的H.264編碼性能進(jìn)行深度優(yōu)化，或者依賴于新的H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)的普及。目前，已有廠家開始針對安防行業(yè)的特殊應(yīng)用場景對H.264編碼器進(jìn)行優(yōu)化，使之也可以在4K分辨率下保持較低的碼率。而后續(xù)隨著支持H.265編碼的4K芯片的普及，超高清編碼性能將得到質(zhì)的提升，是整體升級、一步到位的解決方案。
第四，更強(qiáng)的后端解碼和顯示能力。對于后端解碼顯示設(shè)備，處理4K分辨率視頻需要更多的計(jì)算處理能力。隨著性能的提升，縱然現(xiàn)在的解碼設(shè)備還不具備解碼多路4K攝像機(jī)的能力，但集中力量解一路視頻還是沒問題的。另外，各大主流監(jiān)控廠商已相繼推出了自己的4KNVR產(chǎn)品，作為4K超高清攝像機(jī)的完美搭檔，能夠接入4K分辨率的超清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，在不進(jìn)行縮放的前提下對4K圖像進(jìn)行預(yù)覽、錄像、解碼回放和顯示輸出。4K顯示輸出，相當(dāng)于每個(gè)1/4分割畫面，都會(huì)支持200萬像素，這對于NVR領(lǐng)域來說，也是一個(gè)新的高度。
第五，更高分辨率的顯示設(shè)備。由于4K在電視機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，4K監(jiān)控系統(tǒng)中最早出來的就是4K的大屏，84英寸的4K面板解決方案已經(jīng)進(jìn)入市場，大尺寸顯示屏要想實(shí)現(xiàn)畫面的精細(xì)顯示，超高分辨率是必備要素，因此4K的顯示屏成為了整個(gè)4K系統(tǒng)的先行者。
第六、更強(qiáng)的視頻處理能力。4K相當(dāng)于4個(gè)1080p的分辨率，同樣大小的物體像素?cái)?shù)比1080p多了4倍，因此能夠更充分地顯示細(xì)節(jié)，但同時(shí)要處理這些更豐富的細(xì)節(jié)也需要更強(qiáng)的計(jì)算處理能力，比如對圖像增強(qiáng)、透霧、3D降噪等圖像方面，以及對視頻濃縮播放、視頻后檢索、人臉識別、車牌識別等視頻的智能分析如都將提出更高的要求。
通過前面的分析可以看出，目前4K技術(shù)從視頻采集、編解碼、傳輸?shù)胶蠖孙@示上墻等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都在逐步完善中，在個(gè)別環(huán)節(jié)如鏡頭、編碼技術(shù)等方面還存在一些技術(shù)瓶頸有待突破，但是我們有理由想信，4K的前景還是美好的，4K的普及化、集成化也不會(huì)太遙遠(yuǎn)。
人們對高清的追求是永無止境的，4K只是順應(yīng)時(shí)代需求的必然產(chǎn)物。理論上來說，4K仍是高清浪潮的延續(xù)，但是4K帶來的卻不僅僅只是分辨率的增加，因?yàn)橐嬲龑?shí)現(xiàn)4K的超高清監(jiān)控，是需要集成一系列視音頻編解碼、圖像處理、智能分析等技術(shù)來支撐的，這也從另一方面推動(dòng)了整個(gè)監(jiān)控工程技術(shù)的快速變革。目前4K產(chǎn)品在安防中處于高端產(chǎn)品的地位，隨著HEVC芯片的推出和普及以及整個(gè)4K產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，有理由相信，在未來的幾年內(nèi)，4K產(chǎn)品帶來的細(xì)致入微的超清晰監(jiān)控效果，將會(huì)引領(lǐng)視頻監(jiān)控市場進(jìn)一步步入高清、超高清時(shí)代。
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