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超高清视频监控系统造就魅力新世界

文章发布日期:2014-07-12 13:07:09

4K、2K这些名词在时下年轻人的口中常常出现,不知所以然的人以为他们是在用火星文交流,其实,他们是在讨论高清。4K电视在各大电器商场已经司空见惯,各知名电视品牌都已经推出了4K电视。2K(2560×1440)亦将逐渐取代目前手机显示屏上的1080P而成为一种趋势。那么高清在我们当下正要讨论的监控行业是怎样一种态势呢?没人能否定高清亦已是监控行业的一种趋势。

  选择高清的“一千个理由”

  何为高清

  在讨论高清前,笔者先来谈谈何为高清?在监控行业中,一般而言,分辨率达到HD(1280×720)及以上的分辨率时便视为高清。读者可能会认为这标准有点低,因为他们的手机分辨率都已经超过HD了。其实这是因为安防行业跟电影电视等娱乐行业的诉求不同导致的。相对而言,安防行业在此领域内会比娱乐行业慢半拍,娱乐行业永远追求的是最新最炫的视觉音影震撼,而安防业追求的是稳定的应用效果;设计之初,电视往往是基于每天8小时的工作时限而设计,安防则是24小时。这些不同的诉求导致安防必须是建立在稳定的基础之上,也因此,最新、最炫的技术往往会与安防无缘。

  高清的“决定论”

  那么整个监控系统中,决定高清显示质量的因素有哪些呢?来自泰科投资有限公司安防设备亚太区视频监控产品经理沈涛先生就此表示:就前端设备而言,决定其显示质量的因素有三个:镜头、传感器以及图像处理芯片。在此,笔者不妨再啰嗦几句,沈涛先生仅仅是就前端设备而言,安防是一项系统性的工程,绝非只是一个前端而已,它包括采集、编码、传输、储存、解码显示五个方面,这五个方面都会对最终的显示效果造成影响,其具体会对显示造成怎样的影响,请持续关注下文。

  高清的优势

  目前高清发展可谓一日千里,1080P已司空见惯,300万及600万像素摄像机也正扑面而来,而4K甚至1600万像素的网络摄像机也已出现,这么高像素的摄像机会带来什么优势呢?“4K摄像机可以在不改变摄像机数量、焦距、角度的条件下,大大提升画面的清晰度,保留更多的画面细节。”苏州科达科技股份有限公司系统部副经理鄢仁祥在面对上述问题时如此回答。

  我们知道,画面皆是由像素点组成,单位面积上的像素点越多,其图像能呈现的细节便越丰富,画面就越细腻;反之画面便越粗糙,甚至呈现马赛克现象。高清相对普通显示而言,其优势正在于此。此外,高清还有一个优势非常实用,比方说相对1080P而言,4K在相同清晰度情况下,其监控视野将是1080P的四倍,也就是说,在一些需要大范围视野监控的情况下,一台4K摄像机的效果跟四台1080P摄像机的效果几乎等同,这不但节约成本,而且还提升了整个监控系统的稳定性及可靠性。

  言及到此,笔者有必要先澄清一个认识误区,即认为高清显示只需高清的显示设备便万事大吉。正如杭州海康威视数字技术股份有限公司技术支持与服务部前端产品经理徐萱呈所言:显示设备只是一个终端,它并不创造图像源,所以再高分辨率的显示技术也要有相应的高分辨率图像源才有意义。

  也就是说在高清显示时,理想的状态是显示设备的分辨率与图像源的分辨率一致,从而达成像素点的一一对应。图像源分辨率高于显示设备分辨率时,在进行全屏显示时,此时的图像便处于压缩状态,其显示质量自然会有所损耗,若要让像素点一一对应,则必须将图像进行电子放大,那么全屏时便不能完整显示整个图像源画面了,要想看完整的画面便需要对图像进行拖动操作。而当图像源分辨率少于显示设备分辨率时,虽然图像源得以完整显示,却是在非全屏状态下,若要全屏,需放大从而亦会导致图像源的画质损失。说到底,高清显示的美需要图像源与显示设备的适配方能成就。

普及路上的“拦路虎”

  对于高清的普及,笔者喜闻乐见。然而高清并不仅仅只是前端摄像机能实现高清采集便作罢。“其实高清监控是需要整个监控系统配合来实现的,其中涉及到采集、编码、传输、存储及解码显示五个方面,高清的普及受到了来自这五个方面的限制”。浙江宇视科技有限公司IPC高级产品经理陈乾先生如是说。那么,我们现在就来理一理高清普及路上的这五只“拦路虎”。

  采集端

  采集端即是作为前端的摄像机,就目前来看,200万像素的摄像机从各方面的表现来看皆已较为成熟,那么具备300万、500万、4K甚至1600万像素的摄像机其表现是否就会更好呢?非也!起码不全是。低照度,在监控行业目前所强调的全天候监控中是必不可少的一项功能,据统计,90%以上的安全事故皆发生在夜晚或者光照不佳时,也因此,夜晚的监控往往比白天的监控紧要。而更高像素的摄像机在Sensor靶面面积所限的情况下,像素值越高,单个像素点的感光面积便越小,灵敏度便越低,说简单点就是像素值越高(传感器面积固定时),其低照度效果便越差。这是一个无法两全其美的矛盾体。只能让时间去解决,给技术一点时间去突破。就像当初1080P的低照度监控被攻破一样。

  编码

  前端摄像机采集图像的过程是一种光/电的转化的过程,转化的过程中还需对图像进行编码方能传输。编码的目的是在图像画质得以保证的前提下尽量降低码率,以利于更快的进行网络传输,节约带宽。

  目前来看,最成熟的编码技术仍然为H.264,然而,H.264本身亦在发展,对此,来自海康威视的徐萱呈表示:即便都是H.264编码,依然存在H.264 Baseline Profile与H.264 Hight Profile的区别,后者相对前者能降低20%以上的码率,尽管如此,当前依然只有少数的一线厂商在使用H.264 Hight Profile编码方式,这其中当然包括海康威视。

  目前在监控行业中谈到编码技术时,你永远也别想绕开H.265,笔者也不想免俗。其实H.265作为一个热门话题已经有相当长一段时间了,下面笔者就用图表的方式来简要介绍下H.264与H.265的区别.

  相对H.264,H.265在宏块和变换块上进行了提升,由H.264的4×4、8×8、16×16的宏块类型中引入了32×32、64×64的宏块类型,目的在于减少高清数字视频的宏块个数,减少用于描述宏块内容的参数信息,同时整形变换块大小也相应扩大,用于减少H.264中变换相邻块间的相似系数。此外还使用新的MV(运动矢量)预测方式,与H.264基于空间域的运动矢量预测方式不同,H.265扩充更加多的方向进行帧内预测,同时将预测块的集合由原来的空间域扩展到时间域及空时混合域,通过率失真准则计算后选择最佳的预测块。该方法在基本模式下测试,与H.264相同质量的情况下,能得到平均为6.1%的压缩增益,复杂图像的压缩增益甚至能提高到20%。当然这些仅仅是二者的一些不同,而非全部,其他的差异笔者在此不再详述。一句话,在相同的画质显示下,H.265编码方式对带宽的需求是H.264的一半。也就是说原本摄像机需要4Mbps的带宽才能满足其对画质需求,如今采用H.265的编码方式后,只需2Mbps的带宽便能满足其相同的画质需求了。

  传输

  监控行业中,图像数据的传输跟编码技术息息相关,传输与编码相当于河道与水的关系。目前而言,对完全基于局域网内的视频监控来说,传输方面的问题不是很大,但多数情况下是需要进行远程传输甚至接入公网的,此时便对基础网络形成挑战。“一般传输1080P高清的H.264码流,需要4Mbps左右的带宽,而4K分辨率目前至少也需要12Mbps。”科达系统部副经理鄢仁祥先生对笔者如此表示。

  这么大的带宽需求,倘若同时架设几十台的话,很明显,传输网络将会压力山大。对此,泰科产品经理沈涛表示,架设流媒体服务器,利用流媒体技术是一个较好的解决方案。来自宇视的陈乾亦表示了相类似的观点,真是英雄所见略同,同时陈乾还强调,此时对所架设流媒体服务器的转发性能、出入口带宽都有较高的性能要求。

  此外,摄像机本身具备的三码流技术亦可对网络带宽起到节约作用,比如主码流在局域网中依赖存储设备做高码率录像存储,子码流可向手机等移动设备提供低分辨率与低码流的视频以作远程监控,而第三码流则可任意设置分辨率、帧率以及码流来向公网提供视频预览,前提是在不影响主码流及子码流的基础上。当然,这些方案皆是建立在当下的网络设施基础之上,笔者以为,最佳的解决方案是对这些基础的网络设施进行升级,但这个问题相当复杂,不在本文讨论范围内。

  存储

  存储设备在监控行业的重要性是不言而喻的,甚至在某种程度上说,监控的目的就是为了存储,将视频存储、将图片存储以备日后检索取证,从而在事前震慑犯罪。其实,监控行业对存储的需求一直如饥似渴。笔者试举一例来详细说明:假设给某路1080P视频码率设成4Mbps,每天存储时间为10小时(多数情况下是24小时),其录像的保存时间为15天(业内目前一般为30天),那么需多大的存储容量呢?总容量=4×3600×150×1.1/(8×1024),其所需容量约为288.94GB,要知道笔者在存储天数与每天的存储时长上皆打了折扣,且只在一路监控的情况下,而倘若是4K的话,还需翻倍。这么大的存储容量需求几乎已经成为监控行业的不能承受之痛。

笔者在对厂家的采访中亦深有体会。泰科安防产品经理沈涛先生对此语带幽默地表示:整个安防行业都在为硬盘企业打工。沈涛先生此话虽是玩笑,但笔者能感觉出厂家背后的无奈。沈涛先生进一步解释说,在目前的一些监控工程的架设中,存储设备的支出已经占到整个监控工程总支出的50%以上。

  那么目前监控行业该如何减轻对存储的依赖?一般而言,对于整个监控工程来讲,并非对所有点的监控都是重要的,因此,在施工调试的过程中,对一些重要位置的监控可采取高清解决方案,而其他一些次要位置则可不用。此外,目前多数的前端摄像机都具备ROI功能,利用ROI功能去重点显示画面中的重要位置,其他位置则可相对忽略。“恰当地利用ROI技术可节约大约20-30%的网络带宽。”泰科产品经理沈涛先生如是说。当然,上面介绍的方式只在治标绝非治本。治本的方法则是在编码技术上的发展,比如H.265的普及或者其他更为先进的编码技术的出现。当然还有一种方式,那就是存储设备便宜到人们对其不在乎的程度,此种情况或许不太可能出现,只是笔者的一厢情愿罢了。

  解码显示

  顾名思义,解码显示包括解码与显示两个部分。“图像采集作为前端是光/电转化和编码,后端显示设备则是电/光转换和解码处理。”来自宇视显控高级产品经理郑成富对笔者如此表示。也就是说,前端的采集是将光学图像经过编码转换成可通过电路传输的信息流,信息流经由网络传输至后端的显示设备,但显示设备并不能直接显示,而是需要将信息流进行解码方能在显示设备上展现出来。目前在解码方面,对于1080P的解码技术已经成熟,而4K的解码器不多且性能偏弱。

  此外,郑成富经理同时表示,由于前端是基于CMOS技术,因此其像素提升很快,而作为后端的单体显示设备,不论是LCD、DLP、LED均很难在显示尺寸与单位像素密度上取得很好的平衡,也因此,其相对前端设备而言处于一种技术跟进状态。

  那么作为后端的显示设备是否就无计可施了呢?非也。目前4K显示器在家用电视及电影娱乐上已经相当广泛,但由于监控业的不同诉求(原因请参阅本文前述部分),4K并未普及,业界对此的通常方案是采用拼接屏的方式来实现,比如要想完整显示4K,可采用四台1080P的显示器通过拼接来达成。

  技术是把双刃剑

  行文至此,笔者想来谈谈一些不是题外话的题外话,那就是人类自身感觉器官的极限。我们知道,人类的眼睛有视觉暂停效应,当每秒有超过24张画面进行切换时,人类便感觉不出期间的停顿,认为这是流畅的画面,严格来说这是科技对人眼的一种“欺骗”。现在我们回到高清显示上,人类的视觉同样有其极限。

  其中PPI即是每英寸所拥有的像素数目,当PPI大于300以后,人眼便感觉不出差别了,也就是说,PPI为350与PPI为700对人眼来说是一样的显示效果,要知道将PPI由350提升至700从技术上讲有相当的难度,但对人类的感知而言,这种提升相当于在做无用功。但是回头来看,这种提升就完全无用了吗?非也,像素提升意味着更多画面细节得以记录,在智能分析以及事后的警察办案审阅视频等方面皆有诸多助益,只是这其中的平衡点需要人类用智慧去好好权衡,而绝非一根筋地将像素无止境提升那么简单。

  路漫漫其修远兮

  从前述的讨论中,我们知道,高清监控技术一路走来,绝非一帆风顺。“超高清的4K显示是个全系统的工程,仅仅具备4K摄像机显然不够,从前端到传输带宽、后端存储、解码和计算处理等皆需要相配合的提升。”来自四川艾普视达数码科技有限公司产品专员曹锦如是说。是的,曹锦说得一点没错,高清监控是一揽子的工程,贸然地提升至超高清监控,将给用户带来难以承受的成本之重,特别是在当下由于H.265解码芯片成熟度不够导致未被广泛应用的情况下更是如此,笔者对H.265满怀期待,相信等到明后年便会被广泛应用,届时怕是又要带来一阵监控摄像机清晰度的提升潮了。