日漸清晰的超高清視頻監(jiān)控技術(shù)解決之道

責(zé)任編輯:editor004

2014-11-25 11:00:48

摘自:中國通信網(wǎng)

人們對于清晰度的追求是永無止境的,這個從目前鋪天蓋地的4K電視廣告中可見一斑。目前的高清解碼器普遍以1080P、720P及標(biāo)清解碼輸出為主,4K解碼才剛起步不久,整個市場中4K解碼器還并不多。

人們對于清晰度的追求是永無止境的,這個從目前鋪天蓋地的4K電視廣告中可見一斑。4K電視之所以能在一夜之間成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),一部分原因是人們對于新興技術(shù)的好奇,更多的原因在于4K技術(shù)帶來前所未有的超高清視覺體驗(yàn)。

不僅在民用電視行業(yè),在視頻監(jiān)控領(lǐng)域,人們對于清晰度的追求同樣從未停步。在2010年之前,視頻監(jiān)控還處于“標(biāo)清時代”,監(jiān)控系統(tǒng)大都采用標(biāo)清攝像機(jī),其D1的畫質(zhì)越來越難以滿足用戶對清晰度的需求。從2010年開始,視頻監(jiān)控大步跨入“高清時代”,1080P和720P高清攝像機(jī)取代了原來的標(biāo)清攝像機(jī),高清畫質(zhì)得到了用戶的廣泛認(rèn)可,“高清改造”也成為了這一階段視頻監(jiān)控領(lǐng)域最熱的詞。然而,當(dāng)人們還沉浸在“高清時代”帶來全新的視覺體驗(yàn)時,安防業(yè)界的大廠商們都相繼推出了4K超高清攝像機(jī),NHK作為安防產(chǎn)業(yè)上游廠家也已經(jīng)開發(fā)出了一款8K的CMOS圖像傳感器,并在今年5月舉行的“NHK技研展2014”上進(jìn)行了公開展示,這一切似乎都預(yù)示著“超高清時代”漸行漸近。

超高清監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)越性

以4K為例,國際電信聯(lián)盟對4K超高清的定義是:水平像素值為3840,垂直像素值為2160,寬高比16:9,總約830萬像素。從定義中可以看出4K的分辨率是1080P的4倍,是720P的9倍。如果分別用4K攝像機(jī)和1080P攝像機(jī)去拍攝相同視場角下的同一場景,4K攝像機(jī)會用4倍于1080P攝像機(jī)所用的信息量去還原場景,畫面自然更清晰、更貼近真實(shí)。如圖1所示,1080P圖像中遠(yuǎn)處的車牌信息已經(jīng)模糊,而4K圖像中依然可以清晰分辨。

另外還有兩個不那么明顯的優(yōu)勢是從使用的角度來講。一方面,由于4K畫面的信息量是1080P的四倍,基于更多的信息量,就能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的智能分析,4K一旦大規(guī)模部署,智能分析的準(zhǔn)確率就能上升一個新臺階,而且也會有更豐富更令人驚喜的智能應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn);另一方面,在保證相同清晰度的情況下,4K攝像機(jī)覆蓋的區(qū)域其實(shí)是1080P攝像機(jī)覆蓋區(qū)域的4倍,也就是說在一個場景中,如果你覺得1080P的畫面足夠清晰了,你可以用一臺4K攝像機(jī)替換掉4臺1080P攝像機(jī),節(jié)省點(diǎn)位數(shù)量從而降低整體成本。

亟待突破的技術(shù)壁壘

雖然好處多多,但超高清技術(shù)是否真的已經(jīng)成熟了呢?超高清攝像機(jī)是否可以大規(guī)模投入使用了呢?其實(shí)不然!超高清監(jiān)控從來都不只是監(jiān)控?cái)z像機(jī)的超高清,而應(yīng)該是整個監(jiān)控系統(tǒng)的超高清,其涉及到采集、編碼、傳輸、存儲、解碼顯示五個方面,進(jìn)入“超高清時代”仍存在很多的技術(shù)壁壘需要攻破,這主要體現(xiàn)在五個方面。

采集——超低照度時,彩色圖像效果不佳

以4K為例。從4K的定義中可以很明顯看到的一點(diǎn)是,由于Sensor上集成像素點(diǎn)的增加,在正常光照環(huán)境下4K攝像機(jī)能提供更高清的圖像,細(xì)節(jié)還原更貼近真實(shí)。但受到Sensor靶面面積的限制,隨著像素點(diǎn)數(shù)量增加,單個像素點(diǎn)的感光面積反而減小,所以在超低照度成像上4K攝像機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如目前的1080P攝像機(jī),這是目前所有4K攝像機(jī)面臨的一個關(guān)鍵問題。自然,8K攝像機(jī)的彩色超低照成像效果會更不盡如人意。

編碼——H.265芯片限制

從技術(shù)方面來講,H.265標(biāo)準(zhǔn)是在現(xiàn)有的主流視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264的基礎(chǔ)上做了升級:保留成熟的技術(shù),同時對一些其他的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),旨在低帶寬下傳輸更高質(zhì)量的視頻流。結(jié)果表明,在壓縮率上H.265相較于H.264提高了近一倍,即僅需原先的一半帶寬即可傳輸相同質(zhì)量的視頻,同時H.265標(biāo)準(zhǔn)也完美滿足4K和8K超高清視頻的傳輸編碼需求。可以說,H.265標(biāo)準(zhǔn)讓視頻編碼跟上了采集端與顯示端的“超高清化”的腳步。

但即便H.265編碼技術(shù)已經(jīng)日漸成熟,在H.265編碼技術(shù)的落腳點(diǎn)——芯片上,卻還存在諸多掣肘:一方面,H.265技術(shù)新出來不久,市場化比較低,很多芯片廠商都只是試水這個市場,并未大規(guī)模投入生產(chǎn);另一方面,就目前已發(fā)布的幾款H.265芯片來看,相關(guān)的軟硬件成本偏高,還涉及到大量的研發(fā)及測試成本,性價比達(dá)不到用戶的要求,還不能被市場接受。所以我們目前依然在用以H.264為主流的高清編碼技術(shù),H.265技術(shù)要成為主流仍需待以時日。

H.264已經(jīng)是非常成熟的編碼標(biāo)準(zhǔn)了,特別是H.264HighProfile能把主流的1080P高清視頻流壓縮成4M甚至2M的碼流進(jìn)行傳輸,效果非常不錯,可一旦前端全部升級到超高清攝像機(jī)之后,以4K舉例,通過H.264HighProfile編碼也還需要至少10M的帶寬,

對于這么大的碼流,僅一路實(shí)況加一路存儲,已經(jīng)讓監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)望而卻步了。若一旦發(fā)生突發(fā)事件,更多的客戶端來并發(fā)請求某一路實(shí)況流,傳統(tǒng)的流媒體架構(gòu)會出現(xiàn)很大的性能問題,流媒體服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)性能、出入口帶寬都亟待提高。在很多行業(yè)中,監(jiān)控系統(tǒng)還有明顯的上下級架構(gòu),以金融行業(yè)為例,在總行與分行、分行與各網(wǎng)點(diǎn)之間就是最常見的上下級域關(guān)系,目前的情況是大部分的域間帶寬不足,不能支持多路4K碼流的調(diào)用,4K應(yīng)用要進(jìn)入這些行業(yè)需要對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)做整體升級。

存儲——成本倍增

在存儲容量方面,由于碼流翻倍、磁盤消耗翻倍,也就意味著相同的點(diǎn)位數(shù)需要投入兩倍于原先的硬盤數(shù)量。另一方面,每個IPSAN或NVR都存在寫入/讀取的性能限制,在碼流翻倍的情況下同一臺設(shè)備能并發(fā)處理的路數(shù)會減半,也就是說需要更多的IPSAN或NVR了。總而言之,由于在編碼技術(shù)上的限制導(dǎo)致碼流的翻倍,而碼流的翻倍則需要投入成倍的硬盤、IPSAN及NVR,無形中整體建設(shè)成本又增加了不少。

解碼——4K解碼尚未成熟

最后在解碼顯示端,可細(xì)分成解碼與顯示兩個部分。

目前的高清解碼器普遍以1080P、720P及標(biāo)清解碼輸出為主,4K解碼才剛起步不久,整個市場中4K解碼器還并不多。除了款型的選擇不多外,4K解碼器的性能也偏弱,能并發(fā)解16路1080P圖像的解碼器已經(jīng)非常成熟,但能并發(fā)解16路4K圖像的解碼器還離我們非常遙遠(yuǎn)。

在顯示端,雖然4K電視異常火爆,大大小小的品牌任君挑選,但在安防行業(yè),目前還沒有4K監(jiān)視器或拼接屏,所以在監(jiān)控室里4K圖像解碼上墻暫時還需要通過其他途徑來解決。

解決之道日漸清晰

從前面的分析來看,似乎超高清監(jiān)控的普及還有非常遙遠(yuǎn)的一段路要走,但知道技術(shù)難點(diǎn)在哪里就已經(jīng)成功了一半,剩下的就是找到對應(yīng)的解決方法。

首先在彩色超低照成像方面。兩年前安訊士剛推出“覓光者”技術(shù)時,也只是在標(biāo)清攝像機(jī)上應(yīng)用,沒能在高清上普及的主要原因就是像素越高技術(shù)實(shí)現(xiàn)越難,但兩年后的今天,1080P的彩色超低照成像已經(jīng)非常成熟,相信不久之后,4K的彩色超低照成像問題也能得到解決。

其次在H.265芯片上,從目前的技術(shù)發(fā)展來看,H.265芯片的成熟只是時間問題,一旦H.265芯片產(chǎn)品成熟,前端超高清攝像機(jī)出來的將會是低帶寬高質(zhì)量的視頻流,監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及后端存儲性能上的問題也會得到緩解。而在服務(wù)器、IPSAN、NVR、解碼器的性能問題上,除了通過H.265編碼來緩解,最終可以通過計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展來徹底解決。而計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)作為發(fā)展最迅猛的技術(shù)之一,硬件的性能每年都在提升,相信過了H.265技術(shù)帶來的這個緩沖時間段,一切硬件性能問題都將不復(fù)存在。

最后在顯示端,從技術(shù)角度來講,家用電視與監(jiān)控大屏并沒有太大差異,4K電視的成熟必定會促進(jìn)安防監(jiān)視器及拼接屏的發(fā)展,預(yù)計(jì)在不久的將來,監(jiān)控室里4K大屏也將得到批量應(yīng)用。

可以看到前文提到的這些技術(shù)壁壘都可以在一定時間后得到解決,可以說在未來超高清監(jiān)控的應(yīng)用不是問題,那么在當(dāng)下超高清監(jiān)控應(yīng)用是否具有可行性呢?答案是肯定的,這也是為什么有部分大廠商相繼推出4K超高清攝像機(jī)的原因。

在一個監(jiān)控系統(tǒng)中,對前端成百上千個監(jiān)控點(diǎn)位按重要性排序,必然能提取出最受關(guān)注的幾個重要點(diǎn)位,可能是一個廣場,可能是一條主干道,可能是一個警戒區(qū)等等,對于普通的點(diǎn)位以1080P或者720P的清晰度已經(jīng)足夠滿足現(xiàn)階段用戶的需求了,而對于這些重要點(diǎn)位,使用4K超高清攝像機(jī)就能達(dá)到非常好的視覺效果,在夜晚配合補(bǔ)光燈也不會影響低照成像。

在編碼上,目前并沒有很好的方法優(yōu)化,但很多監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)都是從無到有的,在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的時候就可以考慮到這幾個點(diǎn)位的高碼流情況,所以在使用時便不會帶來網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸,而個別點(diǎn)位的高碼流對整體存儲的影響也微乎其微;在顯示端,大屏拼接技術(shù)已經(jīng)非常成熟,而4K圖像的上墻完全可以通過4塊1080P大屏以2×2的拼接方式來解決,也能獲得不錯的上墻顯示效果。

結(jié)語

技術(shù)更迭,超高清產(chǎn)品的出現(xiàn)是大勢所趨。4K超高清攝像機(jī)在安防領(lǐng)域自推出以來,已在部分項(xiàng)目中的重要點(diǎn)位得以應(yīng)用,有廠家采用全交換架構(gòu)技術(shù),以解決網(wǎng)絡(luò)壓力問題,用戶只需投入少量的存儲成本就能獲得超高清體驗(yàn)。相信隨著時間的推移,與之相應(yīng)的技術(shù)亦會得到快速發(fā)展,同時伴隨超高清攝像機(jī)配套設(shè)施的進(jìn)一步提升,4K在安防業(yè)的應(yīng)用將會越來越廣泛。

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