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            超高清視頻監控 4K在安防領域發展分析

            近兩年來,4K技術逐漸從廣播電視領域拓展到安防及其它領域,4K超高清監控引起了行業的廣泛關注。目前,圍繞安防行業設計的4K產品逐漸開始完善,部分安防企業開始推出4K產品。但是,在高清尚未完全普及的今天,作為超高清技術的4K是否有推廣的必要?4K超高清的關鍵技術是什么?4K超高清監控產品的出現會對監控系統提出哪些要求?本文將就4k技術的概念、發展以及在安防中的應用進行一些闡述。

              4K技術首先發展于電視領域。20125月,國際電信聯盟發布了BT.2020“超高清電視UHDTV”標準的建議,將屏幕物理分辨率達到3840×2160及以上的電視稱之為超高清電視,因此4K又稱為2160P。

              值得留意的是,BT.2020標準也將8K(7680×4320)納入超高清標準。同時可以發現所有超高清標準的影像都是基于逐行掃描的,經歷近百年的隔行掃描技術在超高清時代退出了歷史舞臺。在色彩方面,BT.2020標準相對于之前的Rec.709標準作出了大幅度的改進。比如色深方面由Rec.709標準的8bit提升至10bit12bit,其中10bit針對的是4K系統,12bit則是針對8K系統。這一提升對于整個影像在色彩層次與過渡方面的增強起到了關鍵的作用。色深標準的變化同時導致調整畫面最佳動態范圍的標準也產生了變化。BT.2020標準定義的超高清系統除了在分辨率、刷新率、色彩深度上進行了提高,還在色彩空間、伽瑪校正等方面進行了調整,特別是色域三角形方面的擴展,使畫面的色彩表現遠勝于高清系統。

              傳輸接口方面,支持4K的傳輸接口目前主要有HDMIDisplayPort(DP接口)兩種,其中HDMI1.4a可以支持的4K分辨率規格最高為4096×2160@24Hz3840×2160@30Hz;最新的HDMI2.0則可以支持60Hz4K分辨率傳輸;DP1.2標準最高可以支持60Hz4096×2160以及3840×2160分辨率。

              另外,提到4K技術,不得不提及HEVC。因為伴隨高分辨率而來的是高的傳輸帶寬以及大容量的存儲需求,4K技術的推出,給視頻數據的存儲和傳輸帶來了很大的壓力,而HEVC就是在視頻應用不斷向高清晰度、高幀率、高壓縮率方向發展的背景下應運而生。2013125日,ITU-T正式宣布HEVC標準發布。新的HEVC標準仍然基于傳統的混合視頻編碼框架,但該框架中每個模塊都有技術創新,包括靈活的塊劃分模式、基于競爭的運動視頻預測、高效的自適應算術編碼以及波形并行處理技術等——這些新技術使得HEVC的壓縮效率比其前一代H.264/AVC提高了近一倍。另外,H.265最高支持8K(8192×4320)超高清視頻,在資源充足的場景下可以提供更舒適的視頻及應用效果。

              4K技術的發展在4K電視上表現得最為活躍。近幾年來,隨著4K標準的確定,創維、長虹、康佳、夏普、索尼、三星、海信等傳統電視廠商紛紛推出4K電視,2013年尤為突出,得益于4K液晶屏的批量化,4K電視市場出現了百花齊放的局面。另外值得注意的是,近一段時間以來,不少通信和互聯網企業如樂視、愛奇藝、小米等也在盡力通過進入4K電視搶占“客廳”市場,推出低價的4K互聯網電視,對傳統電視形成了不小的沖擊。目前市面上4K電視的價格甚至低到3000以內,價格的下降也在一定程度上帶動了用戶需求的增多,而且隨著市場的逐步普及,將會形成價格和應用之間的一個良性循環。

              除了電視以及顯示終端的普及外,縱觀消費類電子和廣電行業,4K技術可以說是發展迅猛,這在近幾年的CES消費電子展上就可以看出來,4K一直是這幾屆CES展會的一大主題,各種4K設備層出不窮。比如,在4K攝像機方面,Sony、佳能、redone等廠家都已經推出支持4K的專業攝像機和家用攝像機,甚至一些消費類電子廠家如GoPro亦推出了支持4K分辨率的頭戴式攝像機產品。芯片廠家如高通、NVIDIA、Broadcom、MTK、愛立信等近兩年都推出了支持4K分辨率的芯片,而且大部分都支持HEVC解碼。一些廠商,如高通和MTK甚至在最新的芯片產品中聲稱支持HEVC4K×2K編碼。

              支持4K芯片的量產促進了整個4K行業的蓬勃發展,市面上開始大量涌現支持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,這些對于完善整個4K應用的產業鏈,加速4K應用的普及都起到了很好的推動作用。

              隨著4K技術在廣電和消費類電子行業如火如荼的發展,安防行業也逐漸開始了對4K技術的重視。因為對于視頻監控而言,圖像清晰度是最關鍵的特性之一,圖像越清晰,細節越明顯,觀看體驗越好。因此近幾年來,眾多安防企業在追求畫面清晰度上進行了孜孜不倦地探索,4K技術代表了高清視頻目前的最高點,已開始逐漸進入人們的視野。

              4K超高清攝像機可以很好的縱覽全局,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,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,另一方面也節約投資成本。讓可視化管理更高效、聯動響應更及時、安全系統更有保障。近年來不少廠家開始紛紛推出4KIPC產品,包括各類槍機、魚眼攝像機、甚至支持變焦的球機等等。

              其實,4K最早在安防的實際應用應該從交通道路智能監控開始,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/秒的處理能力。

              近兩年來,隨著支持4K編碼的低成本SoC芯片的推出,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×2KIPC產品,而且隨著4K在消費類行業中應用的風生水起,安防行業對4K的期望也開始越來越高。然而,4K與安防究竟能否很快地實現結合,4K在安防行業內能否快速部署和應用,應該說還是需要進行全面分析和探索的。

              就像由標清時代過渡到高清1080P對監控行業的影響一樣,相對于1080P高清,4K技術對圖像采集、編解碼、傳輸、顯示、存儲和處理等環節都提出了更高的要求。

              1、更高解像力的鏡頭:作為4K×2KIPC產品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,目前真正達到800萬以上解像力的鏡頭很少且成本高,適合安防應用的支持變焦機芯鏡頭更是鳳毛麟角;

              2、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4Mbps左右的帶寬;H.264編碼下,4K分辨率目前至少也需要12Mbps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;

              3、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HEVC編碼標準的普及。目前,有不少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。而對于HEVC,由于其編碼復雜度較高,目前幾個主流的安防行業芯片廠家如海思、TI及安霸都還沒有HEVC的芯片方案推出,HEVC的編碼還需要依賴高性能DSP或高成本的FPGA實現,這對于追求性價比的安防行業顯然是難以接受的;

              4、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。目前采用NVIDIAKepler架構、AMDGCN架構或者更新架構的獨立顯卡都能支持輸出4K分辨率的解碼顯示,集顯平臺方面則要用到IntelHaswell架構處理器或者是AMDKaveriAPU;

              5、更大分辨率的顯示設備:顯示設備必須至少具有4K物理像素,才能無損的呈現4K圖像的效果。在拼接顯示方面,由于DLPPDP兩種拼接技術實現不了經濟可靠的4K產品,4K拼接短期內很難普及,雖然4K液晶拼接是現在的一個熱點,但是對于在大型拼接墻中單一的單元分辨率提升的價值,業界看法并不一致;

              6、更強的視頻處理能力:對于4K分辨率的監控圖像,畫面中的物體像素數更多,細節呈現更充分,但同時也需要更大計算能力處理這些更豐富的細節,這對于安防應用中對圖像的處理如圖像增強、去霧等,以及對視頻的智能分析如視頻濃縮、數據檢索、人臉識別等都將提出更高的要求。

              從前面應用分析可以看出,目前4K技術從采集、編解碼、傳輸到后端顯示上墻等整個產業鏈還沒有完善,特別在4K圖像的采集和編碼方面還存在較大的技術瓶頸,從技術層面上說,4K在安防行業的推廣將和HEVC的普及緊密相關。其次,由于在安防應用中,4K技術不會帶來革命性的差異化,而且目前720P1080P高清的安防應用普及程度還很一般,更多的已建安防系統還停留在標清的水平上。因此我們認為,4K對于安防領域而言,由于技術與成本的問題短期內將不會產生很大的影響。

              安防行業高清化以及高清產品分辨率的不斷提升是安防行業的必然趨勢。4K技術與安防的結合,無疑是將高清化深度發展的必然結果。對于4K技術,盡管目前在安防行業應用中存在技術和成本方面的瓶頸,但這并不影響它的應用和發展。我們認為,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。

             

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