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超高清视频监控时代正在到来

 

超高清视频监控时代正在到来

    在视频方面,人眼对清晰度的追求是永无止境的,目前的系统在人们回放监控录像的时候经常发现数字看不清或人脸难以辨识等情况,人们一直期望视频监控有更好的清晰度来提升监控的价值……

  人们对视频清晰度的追求如同对美食的追求一样没有止境,视频中作为视频采集来源的摄像机随着网络化的发展,突破了模拟传输的瓶颈并在短短几年中一步步地提高着分辨率,伴随而来的是清晰度的大幅度提升,其价格也在各大厂家的博弈下变得越发亲民,作为最低端的720P经济型已成为民用网络视频监控的首选,对清晰度要求高一点的用户则开始选择1080P摄像机,高端公安行业在“平安城市”的建设中对1080P摄像机也不再满足,摄像机新一轮技术提升即将到来,超高清视频监控离我们已经不远了。

  4K从何而来

  在视频方面,人眼对清晰度的追求是永无止境的,目前的在人们回放监控录像的时候经常发现数字看不清或人脸难以辨识等情况,人们一直期望视频监控有更好的清晰度来提升监控的价值,但是监控系统一般在不出状况时几乎没有回报,所以人们总是想对它做更少投入,也因此视频监控行业总是要比追求视频效果最强烈的影视行业慢半拍。

  视频监控行业的清晰度标准也是沿用电影及广播电视相关标准的,毕竟人们在娱乐上总是要比监控系统上更舍得投入,伴随着更高清晰度摄像机和显示设备的高速发展,不知不觉当中,家电卖场已满眼是4K/2160P、超高清的数字电视,监控高清网络摄像机已经落后于显示设备的发展了。超高清视频标准是如何定义的呢?电影行业使用的DCI(Digital Cinema Initiatives)标准是按照横向像素点来计算的,如2K(2048×1080)4K(4096×2160),由于电影行业并不是16:9的画面比例,所以与我们熟知的分辨率有所差别,至于手机行业把2560×1440也简称作2K,这与本文的相关性不大,在此不再详述。而大家熟知的720P1080P是国际电联ITU制定HDTV高清数字电视标准,在电影行业越来越多的开始发行4K数字拷贝之后,更高分辨率的UHDTV超高清数字电视标准也随之被确定下来:4K UHDTV标准即1080P4倍——2160P(3840×2160),另外还有8K UHDTV标准。可能由于数字记忆过于繁琐,电影电视行业又是紧密联系在一起的,4K这个词也不再作为电影行业标准的唯一叫法, 4096×21603840×2160都可以称作4K

  超高清摄像机带来的观感

  高清摄像机从100万、200万、300万、500万、600万、800万甚至1200万像素,这些都正一步一步走近我们,其中800万像素与电影电视行业的4K相对应。今年开始已有厂家拿出了4K超高清摄像机来做评测宣传,但还没有真正推向市场,预计今年晚些时候4K超高清摄像机就会成为高端视频监控市场的主力军。虽然之前几年在高清平安城市监控项目大规模建设使用720P1080P摄像机的时候,各厂家也推出了300万和500万像素的高清摄像机,但是在监控行业,摄像机承担着完全不同光线环境下的拍摄任务,早期的300万和500万像素摄像机低照

  度感光能力极差,导致其夜晚即使在常规一体化红外灯补光下噪点也比较明显,视频画面内容看不清楚,而且还无法达到25/秒的实时帧率,所以在此之前的主流300万到500万像素摄像机都不适合常规24小时日夜监控。

  而目前感光度更好的300万和600万像素超低照度高清网络摄像机已经解决了感光差的问题,另外现在的300万像素机型更可以支持到60/秒的高帧率,有高帧率需求的用户可以把视线转移到300万像素机型上来了。由于300万像素机型分辨率为2048×1536,这相比1080P1920×1080提升主要在垂直分辨率上,而水平分辨率几乎没有提升,所以300万像素机型主要在拍摄相同水平视场角的同时提升了垂直视场角。而在水平和垂直视场角基本不变的情况下,若想提升清晰度则需要选择600万或800万像素机型,其水平清晰度从1080P1000-1100TVL(见图1)提升到了2000-2200TVL(见图2)。而对满足于现有清晰度的用户,超高清视频监控的意义还在于与1080P同清晰度的情况下,监控视场角翻倍,监控范围得到了大幅度提升。

  超高清摄像机需要一颗明亮的“眼”

  监控行业的高清网络摄像机的核心器件在于传感器,而传感器技术在影视行业需求的带动下早已发展到千万像素级别,与之配套的镜头是成像光路中最重要的部分,镜头犹如人眼睛的晶状体,确保它能够看到清晰的世界。在监控行业变焦自动光圈日夜红外镜头一般是的首选,但多数厂家的此类镜头解像力也只有200万到300万像素,只有极个别厂家有500万甚至800万像素解像力的镜头,这些镜头在确保超高清成像的同时,其配置的大光圈也保证了夜晚的进光量以提升摄像机的低照度视频效果。

  视频压缩新技术开启美好未来

  正是由于分辨率的大幅度提升,导致监控摄像机的瓶颈主要集中在ISP图像处理和压缩编码处理技术上,分辨率的大幅度提升使得压缩编码处理芯片压力山大。影视行业压缩编码处理注重画质却不太注重压缩速度,其一般会使用耗时的2pass两次计算过程来做变码率的最合理分配,而监控摄像机完全不同,压缩编码芯片需要具有不低于传感器输出视频帧率的实时压缩编码能力,否则数据的累积堆叠会使得摄像机内存被撑满;另一方面编码延迟越小越好,这样才能确保监控室内人员看到的视频画面具有实时性,以便在出现紧急事件时做出快速响应。

  虽然压缩编码芯片面临着如此巨大的压力,但是处理器计算能力一直在快速发展,目前最强的压缩编码芯片已经可以应付800万像素25/秒的低延迟硬件压缩,甚至还有额外的能力做第二、第三码流的高清压缩编码;以及同时做Smart智能分析报警。三码流成为网络摄像机标配的同时也解决了网络摄像机需要足够的带宽支撑的问题,主码流在局域网中接入存储设备做高码率录像存储,子码流提供低分辨率、低码率码流给手机等移动设备做移动监控,而第三码流可以在不影响前两种应用的情况下,任意设置分辨率、帧率与码率来提供给基于公网的远程高清预览,国内电信运营商虽然开始普及几十到上百兆的高速光纤宽带接入,但是上行带宽却限制在非常低的512kbps2Mbps。第三码流可以通过低帧率和码率来提供高清视频流远程预览,避免了对本地录像的影响,在国家宽带标准没有加入对上行带宽做出要求之前,第三码流将在国内互联网环境下成为网络摄像机的重要功能来适应国情。

  超高分辨率与高帧率的实时压缩编码虽然没有难倒硬件芯片,但是行业普遍采用的H.264/AVC压缩后的码率还是难以满足人们的愿望,主流厂家一般采用H.264 High Profile压缩编码,600/800@25fps视频使用该等级编码需要6-10Mbps,一些厂家仍然在用H.264 Baseline Profile低等级压缩编码,1080P在该等级压缩编码下需要8Mbps,显然前者与后者相比并没有高出很多,但是人们在硬盘和网络带宽都不想做更多投入的情况下,超高清摄像机需要具有更高压缩率的压缩编码技术才能够和较低码率的1080P一样被大众所接受。20134月被国际电联批准的H.265/HEVC压缩编码技术标准把压缩率提升到了一个新的高度,其压缩方式与H.264一脉相承,但又有着巨大的变化。

  从实际的压缩性能来说,经过实际测试总结得出如本专题前文《超高清监控,造就美丽新世界》中表1所示,相比H.264H.265标准可以在同样画质下降低50%以上的码率,这无论对视频监控还是视频娱乐都具有重大意义,H.265会给我们带来全新的感受。从各种4K电视盒铺天盖地的广告中我们可以发现H.265硬件解码芯已经开始普及,但是超高清网络摄像机需要的是硬件编码芯片,同时还需要支持ISP图像处理、多码流编码和项基本功能,满足这些要求的编码芯片还没有普及,所以目前的超高清网络摄像机短期内仍然要使用H.264High Profile硬件编码芯片(见图3的多种压缩技术效率对比),这至少比H.264 Baseline Profile降低了20%以上的码率,即便如此,我们从各监控厂家官网可以看到,只有少数的一线厂商使用了H.264 High Profile编码,监控摄像机对H.265压缩芯片的期望还是十分迫切的。

  在网络传输方面,由于监控网络摄像机一般都用在局域网之中,即便在“平安城市”建设中,运营商使用的也是由光纤专线组成的专网,所以超高清网络摄像机在这样的网内传输上并没有多少压力;若要在公网预览实时的超高清视频,还需要进一步提升压缩效率并期望电信运营商提升家庭网络上行带宽限制,否则连基本的高清实时传输在商铺和家庭的远程监控中都难以实现。

  对存储设备而言,超高清网络摄像机改变的只是占用更多的存储空间,导致存储设备的存储周期和总接入通道数量有所降低。对于用户而言,为提升画质而占用更多的存储空间可能不易接受,但是从画质不变而增大监控视场角方面来说,用户还是可以接受超高清摄像机的,例如一个街道交叉口原本需要2-3个普通摄像机才能做好足够清晰度的环境覆盖,用1-2个超高清摄像机就可以满足原本的清晰度,且做到了足够的环境覆盖。

 

  这么近却那么远

  在监控系统的显示部分,超高清网络摄像机的视频流需要经过解码器的解码,再输出给显示设备,好在一线厂家已经推出了800万像素解码器,例如某知名品牌推出的可以解码8800万像素25fps视频流或321080P@25fps视频流。但是另一个瓶颈大多数人还没有在意,现有的解码器或者NVR使用DVI或者HDMI1.3显示接口,而DVI最高只支持到2560×1600分辨率,HDMI1.4才开始支持3840×2160且其最高刷新率为30Hz,所以如果用只支持1080P的显示接口来输出视频,那么超高清视频也只有缩放到1080P一样的效果了。完美支持4K@50Hz需要HDMI2.0或者Display Port接口,电视行业习惯配备HDMI接口,而电脑显卡则更多的配备Display Port以支持4K显示设备,至于哪种接口将来能够一统江湖还要拭目以待。

  超高清视频展现在用户眼前最直观的一步就依赖显示设备了。过去一年,家电卖场中大势宣传的4K液晶电视已经让我们觉得视频监控的4K显示并不是问题,但是真假4K又突然被人摆到了台面上来,究其原因可以发现,一些厂家把1920×1080×RGB三色像素显示面板加了纯白色像素使其变成1920×2160×RGBW2880×2160×RGBW显示面板,而这样的面板并没有达到4K830万全RGB像素,全像素4K显示设备应为3840×2160×RGBRGBW,这主要是由于国内标准不完善,使得一些厂家钻了空子做模糊歧义宣传。家用4K电视已经普及,但是回头来看各监控屏厂家的产品,我们发现4K监控屏难以寻觅,极个别厂家有一些4K监控屏也是十分昂贵,毕竟监控屏与家用液晶屏有着很大的差别,家用产品以8小时左右的日常使用时间来设计,而监控屏是按照24小时连续使用来设计的。

  目前监控显示系统更多的采用解码器配合的方案来实现将41080P屏幕拼接成一个4K显示单元,这样就可以显示一个无损失的4K高清视频。这就是监控系统与家用系统的差别所在,多个屏幕拼接既解决了显示设备分辨率的不足问题,又解决了显示设备的尺寸不够大的问题,所以超高清分辨率视频在监控中心电视墙显示仍然要靠拼接屏来实现。若想要单屏全像素显示超高清视频或分割显示4路全高清视频,我们还需要等待4K监控屏的普及。

  结语

  通过对整个视频监控系统每个部分的详细介绍,想必读者可以了解整个超高清视频监控系统设备与现有的全高清视频监控系统并没有多少差别,超高清网络摄像机从网络传输到存储设备增加的只是带宽和对存储空间的占用,而解码显示上也没有无法运用的问题,主要面临的问题是单屏无法达到4K显示,现有的解决方案只能使用PC机软解配合4K液晶显示器或电视来做到真正的4K显示,4K超高清视频监控已经离我们越来越近,但是要想组成一套完善的4K超高清视频监控系统还需要各厂家推出新一代产品来完善产业链,这并不遥远,正款款地向您走来。

 


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