淺析4K技術的在監控工程中的應用
2015-05-04 15:36:00
一、4k的來源及優勢
4K最早起源于電視行業，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的概念其實并不陌生。很多時候，我們視頻監控工程領域的發展也是緊隨著電子消費類市場的腳步，例如電視機分辨率的演變經歷了標清的CRT顯像管電視→720P高清背投電視→1080P全高清平板電視，再到現在非常熱門的4K超高清電視;而反觀我們視頻監控行業攝像機的發展也經歷了標清的模擬攝像機→720p高清網絡攝像機→1080p全高清網絡攝像機，現在各大廠商也相繼推出了自己的4K超高清網絡攝像機產品。因此，不管在哪個領域，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種規格。“4K”名稱就來源于其水平方向的像素數，4K分辨率相當于4個1080P或8個720P。4K攝像機就是分辨率為800萬像素的攝像機，其超高清的分辨率讓其在未來的監控市場發展中具有非常大的優勢。首先，4K攝像機可以很好地縱覽全局，當隨機事件發生，各個業務部門可以用同一臺攝像機在同一幅圖像中找到各自感興趣的點，并且在經過多級放大后，仍能得到高清的細節畫面。因此4K攝像機可以在不改變攝像機數量、焦距、角度的條件下，進行全天候、全場景下的監控。4K畫面的豐富細節，可以讓我們各個業務部門進行信息共享，同一個場景下，不用為了看清不同區域而架設多臺攝像機，在一定程度上也節約了投資成本，讓可視化管理更高效、聯動響應更及時、安全系統更有保障。
二、4k面臨的主要問題
目前4K技術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成本。而現有的編碼算法H.264從其發布至今已經有十多個年頭了，但在未來的超高清時代，利用現有的編碼方式，可能需要8-16M的超大碼率才能保證圖像質量，這對于帶寬或存儲都是很大的壓力。在這樣的背景下，需要有比H.264更高效的視頻壓縮標準來進一步推動視頻高清化的發展。
早在2010年初，JVT-VC小組就正式開始著手下一代視頻壓縮標準的定制，并于2013年定稿發布，命名為HEVC(HighEfficiencyVideoCoding),隨后分別被ITU-T和ISO/IEC采納成為國際標準,也就是H.265視頻壓縮標準。最新的H.265標準基本繼承了H.264的框架，但是其中采用了大量全新的技術。在高清分辨率下，這些新技術的使用可以使H.265的壓縮性能相比H.264提升一倍，簡單來說，就是相同視頻質量下，高清視頻所需要的傳輸帶寬或者存儲空間則為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，在4K這種更高分辨率的編碼處理上效率會更高。由此可以看出，H.265必然會成為未來4K，甚至8K分辨率的最佳選擇。其實，目前市場上已經有支持H.265的4K攝像機和4K的NVR推出了，相信未來也會成為4K領域的主流產品。
三、4k系統的發展要求與前景
4K在廣播電視行業興起時，得益于4K芯片的量產，再到大量涌現支持4K解碼顯示的機頂盒或互聯網電視盒子、4K投影儀、4K藍光播放器，甚至支持4K的手機終端等產品。此外，傳統的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應用產業鏈的完善，才加速4K應用的普及。
那么，在安防監控工程領域，4K最早應該算是從智能交通行業開始，因為在交通領域，需要較大分辨率的攝像機來監控多個車道的車輛情況，這樣可以提高對車道的覆蓋范圍。從2011年開始，國內的一些智能交通廠家開始陸續推出800萬像素，甚至千萬像素的高清電警卡口相機，但是由于傳感器能力以及后端Soc芯片處理能力的限制，一般只能實現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攝像機也逐漸開始普及，目前，國內主流的安防廠家都已經推出了支持4K的IPC產品。
不過，4K技術要想真正與視頻監控行業完美融合，還需要一些磨合和探索。因為4K要解決的不是單個產品，而要集成整套視頻監控系統。高清到超高清所跨越的也不僅僅只是分辨率上的難關，4K技術對圖像采集、編解碼、傳輸、顯示、存儲和處理等一系列集成環節都提出了更高的要求。擁有齊全的4K一站式產品解決方案，已經成為4K普及化的最重要的基礎。那么，何為齊全的4K一站式產品解決方案?
第一，更高解像力的鏡頭。4K攝像機配套鏡頭至少需要達到800萬以上解像力，才能充分發揮出4K攝像機的效果，如果用200萬像素的鏡頭去搭配4K的攝像機，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到800萬以上解像力的鏡頭很少而且成本高，適合安防應用的更是鳳毛麟角。所幸有些具有鏡頭自主研發實力的大廠家，通過自主光學設計，推出了國產品牌的、適用于安防行業的專業級超高清鏡頭，既滿足了4K攝像機的匹配需求，同等效果下，價格上也比國際品牌更具競爭力。
第二，更高的網絡傳輸帶寬和更大的存儲容量。在安防應用中，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到較好的圖像效果。同樣，高帶寬的視頻對存儲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容量的壓力，就需要對目前的H.264編碼性能進行深度優化，或者依賴于新的H.265編碼標準的普及。目前，已有廠家開始針對安防行業的特殊應用場景對H.264編碼器進行優化，使之也可以在4K分辨率下保持較低的碼率。而后續隨著支持H.265編碼的4K芯片的普及，超高清編碼性能將得到質的提升，是整體升級、一步到位的解決方案。
第四，更強的后端解碼和顯示能力。對于后端解碼顯示設備，處理4K分辨率視頻需要更多的計算處理能力。隨著性能的提升，縱然現在的解碼設備還不具備解碼多路4K攝像機的能力，但集中力量解一路視頻還是沒問題的。另外，各大主流監控廠商已相繼推出了自己的4KNVR產品，作為4K超高清攝像機的完美搭檔，能夠接入4K分辨率的超清網絡攝像機，在不進行縮放的前提下對4K圖像進行預覽、錄像、解碼回放和顯示輸出。4K顯示輸出，相當于每個1/4分割畫面，都會支持200萬像素，這對于NVR領域來說，也是一個新的高度。
第五，更高分辨率的顯示設備。由于4K在電視機行業的快速發展，4K監控系統中最早出來的就是4K的大屏，84英寸的4K面板解決方案已經進入市場，大尺寸顯示屏要想實現畫面的精細顯示，超高分辨率是必備要素，因此4K的顯示屏成為了整個4K系統的先行者。
第六、更強的視頻處理能力。4K相當于4個1080p的分辨率，同樣大小的物體像素數比1080p多了4倍，因此能夠更充分地顯示細節，但同時要處理這些更豐富的細節也需要更強的計算處理能力，比如對圖像增強、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技術從視頻采集、編解碼、傳輸到后端顯示上墻等整個產業鏈都在逐步完善中，在個別環節如鏡頭、編碼技術等方面還存在一些技術瓶頸有待突破，但是我們有理由想信，4K的前景還是美好的，4K的普及化、集成化也不會太遙遠。
人們對高清的追求是永無止境的，4K只是順應時代需求的必然產物。理論上來說，4K仍是高清浪潮的延續，但是4K帶來的卻不僅僅只是分辨率的增加，因為要真正實現4K的超高清監控，是需要集成一系列視音頻編解碼、圖像處理、智能分析等技術來支撐的，這也從另一方面推動了整個監控工程技術的快速變革。目前4K產品在安防中處于高端產品的地位，隨著HEVC芯片的推出和普及以及整個4K產業鏈的不斷完善，有理由相信，在未來的幾年內，4K產品帶來的細致入微的超清晰監控效果，將會引領視頻監控市場進一步步入高清、超高清時代。
科佳達是專業從事安防工程整體解決方案的技術型工程公司，承接裝監控、安裝監控、攝像頭安裝、門禁安裝、電子圍欄安裝、監控工程等業務。歡迎來電：400-680-8528 m.0474.org.cn
上一篇：安防監控工程專用云存儲解決方案
下一篇：光纖讓監控工程更清晰遠程更快速
