高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)的主流技術(shù)

文/湯杭峰

2010年是安防公認(rèn)的國內(nèi)視頻監(jiān)控的“高清元年”，也正是從這一年起，中國主流廠家開始紛紛推出高清監(jiān)控系列攝像機(jī)。高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)開始逐步從“看得見”往“看得清”再到“看得明白”方向發(fā)展?！笆濉逼陂g，我國經(jīng)濟(jì)保持高速發(fā)展勢頭，各重點(diǎn)行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷產(chǎn)生新的安防需求。根據(jù)中國安全防范產(chǎn)品行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國安防行業(yè)“十二五”（2011-2015）發(fā)展規(guī)劃》，到“十二五”末期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模翻一番的總體目標(biāo)。年增長率達(dá)到20%左右，2015 年總產(chǎn)值達(dá)到5,000 億元，實(shí)現(xiàn)增加值1,600 億元，年出口產(chǎn)品交貨值達(dá)到600 億元以上； 2012 年至2016 年市場規(guī)模年復(fù)合增長率為20.40%；按數(shù)量統(tǒng)計(jì)，2012 年至2016 年市場規(guī)模年復(fù)合增長率為23.50%。同時(shí)隨著社會(huì)財(cái)富的積累，人們對(duì)安全的消費(fèi)需求不斷增加，近兩年民用安防市場潛力逐步被有效地激發(fā)出來。市場業(yè)務(wù)應(yīng)用不斷的往縱向深度和橫向廣度拓展，品牌層次，行業(yè)集中度加速提高，行業(yè)轉(zhuǎn)向全方位理性競爭，技術(shù)創(chuàng)新成為競爭的核心。“珠三角”、“長三角”、“環(huán)渤海”的三大集群安企高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)具備的主流技術(shù)表現(xiàn)在下面幾點(diǎn)：寬動(dòng)態(tài)、透霧、智能分析、高像素、星光級(jí)。

寬動(dòng)態(tài)

寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)技術(shù)是在非常強(qiáng)烈的對(duì)比下讓攝像機(jī)看到影像的特色而運(yùn)用的一種技術(shù)。當(dāng)在強(qiáng)光源(日光、燈具或反光等)照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域在圖像中同時(shí)存在時(shí)，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。攝像機(jī)在同一場景中對(duì)最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在局限的，這種局限就是通常所講的“動(dòng)態(tài)范圍”。寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)是運(yùn)用寬動(dòng)態(tài)主要解決攝像機(jī)的逆光補(bǔ)償問題。

寬動(dòng)態(tài)從2011年到現(xiàn)在也經(jīng)歷了幾次技術(shù)迭代發(fā)展，最早出現(xiàn)的是數(shù)字寬動(dòng)態(tài)，數(shù)字寬動(dòng)態(tài)。數(shù)字寬動(dòng)態(tài)并沒有達(dá)到真正意義上的擴(kuò)大成像動(dòng)態(tài)范圍的目的，而是通過軟件的圖像后處理算法提高了局部區(qū)域的對(duì)比度，一般由攝像機(jī)ISP模組實(shí)現(xiàn)。我們?nèi)庋劭杀鎰e的灰階范圍十分有限，而實(shí)際上計(jì)算機(jī)卻可以區(qū)分非常微弱的灰度差異，數(shù)字寬動(dòng)態(tài)正是通過圖像處理算法將這些微弱的差異增強(qiáng)到肉眼足以區(qū)分。之后在CCD硬件技術(shù)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了雙幀合成寬動(dòng)態(tài)，解決方法就是用一顆CCD,但是上面的每一點(diǎn)在單一時(shí)間內(nèi)曝光兩次,一次長曝光(低快門),一次短曝光(高快門),所以每一點(diǎn)都有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出,就叫“雙輸出CCD”，利用DSP特有的圖像處理算法，將兩幅圖像當(dāng)中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來，最后進(jìn)行疊加合成并輸出一幅明暗區(qū)域都清晰可見的圖像。無論是數(shù)字寬動(dòng)態(tài)還是雙快門寬動(dòng)態(tài)，其寬動(dòng)態(tài)效果均不理想。隨著DSP和CMOS技術(shù)的演進(jìn)，DPS采用的是每一個(gè)像素單獨(dú)曝光和控制技術(shù)，加之利用CMOS傳感器采集的多幀畫面合成一幅完整圖像的線性疊加，相比于CCD的兩次曝光成像有了更高的動(dòng)態(tài)范圍。從數(shù)值上來說，采用DPS技術(shù)的CMOS攝像機(jī)就目前的處理技術(shù)，其動(dòng)態(tài)范圍即可到達(dá)120dB甚至140dB。寬動(dòng)態(tài)技術(shù)已經(jīng)成為衡量一款攝像機(jī)性能的重要指標(biāo)。就目前來看，標(biāo)配寬動(dòng)態(tài)功能，已經(jīng)成為各IPC廠商的共識(shí)。像大華股份近幾年在寬動(dòng)態(tài)技術(shù)上就有深厚的技術(shù)積累和沉淀，2015年IPC全系列產(chǎn)品（行業(yè)和渠道）都標(biāo)配了120dB真實(shí)寬動(dòng)態(tài)。如下就是實(shí)際測得寬動(dòng)態(tài)效果圖：

透霧

日常生活中見到的包括霧霾在內(nèi)的各種沙塵、霧、雨、雪等惡劣天氣，以及各種大氣溶膠、光污染等非正常環(huán)境，都會(huì)對(duì)攝像機(jī)的成像效果產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。對(duì)于治安監(jiān)控、道路交通、港口航道等重要監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域，這時(shí)候的監(jiān)控系統(tǒng)工作效率就會(huì)很低。如何能夠“看得清”，就成為需要迫切解決的現(xiàn)實(shí)難題。大華股份提供的高清透霧技術(shù)，使得解決這一難題成為可能。

透霧監(jiān)控需求最早出現(xiàn)在港口邊防等國防應(yīng)用，一開始相關(guān)產(chǎn)品都只在透霧鏡頭上做研究，研發(fā)了一種光學(xué)透霧技術(shù)，也就是我們通常所說的第一代透霧技術(shù)。光學(xué)透霧采用針對(duì)紅外波段成像特殊優(yōu)化的鏡頭，通過濾光片對(duì)特定近紅外波段光線進(jìn)行截取，從而利用霧氣中的紅外光進(jìn)行成像。光學(xué)透霧對(duì)于霧氣的穿透力非常強(qiáng)，成像效果表現(xiàn)較好，但由于是紅外波段成像，所以呈現(xiàn)的也只能是黑白圖像，并且這種透霧方式設(shè)備成本投入較大，一般用戶有需求但會(huì)望而卻步。

隨著近幾年國內(nèi)霧霾天氣環(huán)境的惡化，市場對(duì)于透霧攝像機(jī)的需求非常強(qiáng)烈，由于光學(xué)透霧鏡頭較為昂貴，為了降低透霧攝像機(jī)的身價(jià)，也為了實(shí)現(xiàn)更好的透霧效果，主流IPC廠家都開始在攝像機(jī)視頻圖像透霧算法技術(shù)上做研究，算法透霧可根據(jù)物理上霧霾的形成模型，通過局部區(qū)域灰白程度判斷霧霾的濃度，從而復(fù)原出清晰的無霧霾圖像。算法透霧能夠保留圖像的原有色彩，同時(shí)能夠大幅提升圖像透霧效果。以大華股份為例，已在全系列高清攝像機(jī)產(chǎn)品中不同程度的運(yùn)用了透霧技術(shù)，配合更好的感光器件、鏡頭以及編碼算法，提供盡可能接近真實(shí)場景的視覺效果。同時(shí)透霧技術(shù)與智能化技術(shù)相結(jié)合，除了人眼直接感知外，也為視頻智能分析提供了更好的分析環(huán)境，有助于大幅提高視頻分析的準(zhǔn)確率，改善對(duì)不同場景的適應(yīng)性。從此不必再擔(dān)心霧霾天氣中看不清車牌，看不清目標(biāo)特征。如下就是大華高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)針對(duì)由煙塵、霧氣、灰霾等成像特征建模，采用圖像處理技術(shù)有效恢復(fù)細(xì)節(jié)和色彩，獲得準(zhǔn)確、自然的透霧效果。

智能分析

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)從2011年推出的移動(dòng)偵測、視頻遮擋等兩三個(gè)智能分析功能，發(fā)展到如今，幾乎所有的主流安防廠家高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)標(biāo)配的智能功能都超過10種，當(dāng)然目前這些智能功能的標(biāo)配絕大多數(shù)僅局限于中高端行業(yè)產(chǎn)品中。按市場業(yè)務(wù)應(yīng)用來分，這些智能分析功能可以分為如下幾點(diǎn)：

診斷類智能分析。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的診斷類智能分析主要是針對(duì)視頻圖像出現(xiàn)的黑屏、模糊、云臺(tái)失控、畫面凍結(jié)等常見的攝像頭故障、視頻信號(hào)干擾如場景變更、物品遺留/消失等進(jìn)行準(zhǔn)確分析、判斷和報(bào)警。診斷類智能分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，通常這些智能功能都集成在前端，當(dāng)然后端如NVR也有做類似這樣的診斷類智能功能。

識(shí)別類智能分析。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的這項(xiàng)技術(shù)偏向于對(duì)靜態(tài)場景的分析處理，通過圖像識(shí)別、圖像比對(duì)及模式匹配等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、車、物等相關(guān)特征信息的提取與分析。在對(duì)車的識(shí)別分析應(yīng)用上主要是車牌識(shí)別技術(shù)。車牌識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各停車場出入口、高速公路收費(fèi)站等地，近些年更是發(fā)展迅速：配合交通電子卡口系統(tǒng)，車牌識(shí)別技術(shù)被大量用于車輛交通違章的抓拍，有效降低了車輛交通違章數(shù)量，大大減少了交通事故的發(fā)生。而對(duì)人的識(shí)別上主要還是以人臉檢測為主，識(shí)別主要是通過后端的人臉比對(duì)服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫。相信未來幾年，隨著芯片圖像處理能力技術(shù)的日益成熟，現(xiàn)在通過后端實(shí)現(xiàn)的一些識(shí)別分析技術(shù)可以通過嵌入式芯片前置在高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人臉的識(shí)別、人性別、年齡、以及體貌特征。

行為類智能分析。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)該項(xiàng)技術(shù)側(cè)重于對(duì)動(dòng)態(tài)場景的分析處理。典型的功能有：車輛逆行、防區(qū)入侵檢測、人員聚焦檢測、絆線穿越檢測、快速移動(dòng)、人員徘徊檢測和客流統(tǒng)計(jì)等。移動(dòng)偵測(VMD)是該類智能分析中的“早期智能”，VMD依據(jù)視頻畫面中像素塊的運(yùn)動(dòng)變化來進(jìn)行判別，由于是二維的圖像智能分析，誤報(bào)較高，無法識(shí)別移動(dòng)的像素塊是干擾還是目標(biāo)，再加上各安防廠家之間的算法技術(shù)差異，行為類和識(shí)別類智能分析的準(zhǔn)確率普遍不高。雖然現(xiàn)在智能分析的準(zhǔn)確率有待提高，但大華股份還是第一時(shí)間把通用的中高端行業(yè)產(chǎn)品具備的智能功能加載到了渠道產(chǎn)品中。在主流安企中，大華股份應(yīng)該是第一家把這些多達(dá)10幾種的智能分析功能分享給廣大的分銷客戶，讓他們也體驗(yàn)到行業(yè)用戶才能享受到的多種智能分析服務(wù)。不管這些分銷客戶對(duì)于這些智能分析功能用不用的到，同樣的價(jià)格，有總比沒有要好，萬一以后這些智能分析功能需要呢。

高像素

2010年高清元年推出的還只是720P高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，一直到2012年，主流安企高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)還是以130萬和200萬為主，300以上像素還很少。隨著CMOS技術(shù)的引入，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)像吃了一劑強(qiáng)心針，在2013年后，300萬、400萬、500萬、600萬、1200萬像素的攝像機(jī)像雨后春筍一般冒上來，這就是技術(shù)的創(chuàng)新帶來了產(chǎn)品體系的創(chuàng)新。在現(xiàn)有“珠三角”、“長三角”、“環(huán)渤?！敝髁靼财笾?，幾乎高像素成為各廠家的標(biāo)配，甚至4K成為各廠家的標(biāo)配。對(duì)用戶而言，4K不僅僅是對(duì)視覺的體驗(yàn)和享受，而是4K的分辨率是1080P的4倍，如果用4K攝像機(jī)和1080P攝像機(jī)拍攝相同視場角下的同一場景，4K攝像機(jī)會(huì)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)。從“用”的角度來講，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(gè)臺(tái)階，而且也會(huì)有更豐富更令人驚喜的智能應(yīng)用得到實(shí)現(xiàn)。比如在一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，必然會(huì)有個(gè)別點(diǎn)位是需要特別關(guān)注的，可能是一個(gè)廣場、可能是一條主干道、可能是一個(gè)警戒區(qū)。對(duì)于這些地方的圖像是越清晰越好。所以目前在一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，大規(guī)模部署的還依然是1080P、720P的高清攝像機(jī)，它們所呈現(xiàn)的清晰度已經(jīng)能滿足現(xiàn)階段絕大部分用戶需求了，但在個(gè)別重要點(diǎn)位，如果使用4K超高清作錦上添花，就能達(dá)到用不多的成本投入實(shí)現(xiàn)非常好的監(jiān)控效果的目的

值得留意的是，最新H.265標(biāo)準(zhǔn)基本繼承了H.264的框架，其中采用了大量全新的技術(shù)。在高清分辨率下，這些新技術(shù)的使用可以使H.265的壓縮性能相比H.264提升一倍。目前200萬、300萬、400萬、500萬H.265攝像機(jī)已經(jīng)在多家安防知名企業(yè)率先登陸市場。由于目前H.265芯片方案限制，其像素最高只支持500萬像素，所以H.265編碼的4K攝像機(jī)到現(xiàn)在都未誕生。值得欣慰的是，H.265由于其算法本身的特點(diǎn)，在4K這種更高分辨率的編碼處理上效率會(huì)更高。幾個(gè)知名平臺(tái)廠家也都在大力研究支持超高像素的H.265芯片并取得的明顯進(jìn)展，只是還沒有到批量生產(chǎn)階段。由此可以看出，H.265必然會(huì)成為未來4K甚至8K分辨率的最佳選擇。未來兩年H.265編碼的4K產(chǎn)品將會(huì)在市場得到廣泛應(yīng)用，特別是類似平安城市、醫(yī)療、金融等高端行業(yè)用戶。4K技術(shù)視頻應(yīng)用結(jié)合圖偵系統(tǒng)做更高精度的數(shù)據(jù)挖掘，提升了視頻的監(jiān)控效果，使畫面的細(xì)節(jié)更加突出。圖偵系統(tǒng)中常用特征檢索、圖像濃縮等功能在4K技術(shù)的加入后它的準(zhǔn)確性、易用性會(huì)得到更大的提升。大華股份作為4K高像素的先行者，不僅H.264編碼的4K產(chǎn)品形態(tài)全有，而且H.265編碼的4K各產(chǎn)品形態(tài)在2015年安博會(huì)上率先亮相。

星光級(jí)

隨著平安城市、智能交通等行業(yè)基礎(chǔ)項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè)，傳統(tǒng)紅外攝像機(jī)照射距離短、效果衰減、光線不均勻、發(fā)熱量大、使用壽命短，晚上為黑白畫質(zhì)。利用算法幀累積做的低噪度攝像機(jī)晚上黑白畫質(zhì)，延時(shí)拖尾，畫面不連續(xù)。在這樣產(chǎn)品功能與市場需求相背離市場狀態(tài)下，星光級(jí)攝像機(jī)應(yīng)運(yùn)而生了。行業(yè)內(nèi)公認(rèn)0.001Lux及以下稱之為星光級(jí)攝像機(jī)，最具代表性的星光級(jí)攝像機(jī)就是TI DM8127/安霸S2+索尼IMX185硬件方案，目前廣泛應(yīng)用于平安城市、金融、酒店樓宇、平安村居、港口、高速公路等項(xiàng)目中，無需大規(guī)模安裝補(bǔ)光照明設(shè)施，就可以得到較好的夜間高清彩色監(jiān)控畫面需求。星光級(jí)照度監(jiān)控技術(shù)主要受鏡頭、圖像傳感器、后端圖像處理技術(shù)等因素的影響，各安企廠家也都是從以下幾個(gè)方面進(jìn)行提升：

利用大光圈鏡頭：鏡頭是攝像部件的重要組成部份，它在低照監(jiān)控應(yīng)用技術(shù)上的作用是為攝像機(jī)聚焦被攝目標(biāo)的光線，這里的低照應(yīng)用與技術(shù)關(guān)鍵在于鏡頭的口徑越大其進(jìn)光量也會(huì)越大，也就是鏡頭光圈的增大可有效提升進(jìn)光量，從而使攝像機(jī)獲得理想的低照度效果。

選用大靶面?zhèn)鞲衅鳎簲z像機(jī)的本質(zhì)就是把光能轉(zhuǎn)化為電能，而量化的核心部件是傳感器，傳感器的作用就是把傳到它身上的不同強(qiáng)度的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電壓信息最終生成數(shù)字圖像信息。而傳感器上接收光線的部位自然是核心中的核心。如果相同分辨率的攝像機(jī)，圖像傳感器靶面面積越大，則其單位像素進(jìn)光量就越大，抑制噪點(diǎn)能力越強(qiáng)，低照度拍攝時(shí)，成像畫質(zhì)也越好。

良好的圖像處理技術(shù)：以往的攝像機(jī)采用傳統(tǒng)的2D算法來實(shí)現(xiàn)降噪功能，而現(xiàn)在采用的3D降噪技術(shù)，在原有的幀內(nèi)降噪基礎(chǔ)上，通過對(duì)前后兩幀的圖像進(jìn)行對(duì)比篩選處理，從而將噪點(diǎn)位置找出，對(duì)其進(jìn)行增益控制，3D數(shù)字降噪功能能夠降低弱信號(hào)圖像的噪波干擾。由于圖像噪波的出現(xiàn)是隨機(jī)的，因此每一幀圖像出現(xiàn)的噪波是不相同的。3D數(shù)字降噪通過對(duì)比相鄰的幾幀圖像，將不重疊的信息(即噪波)自動(dòng)濾出，采用3D降噪的攝像機(jī)，圖像噪點(diǎn)會(huì)明顯減少，圖像會(huì)更加清晰透徹，從而顯示出比較純凈細(xì)膩的畫面。大華股份從2013年開始就致力研究星光級(jí)產(chǎn)品的開發(fā)，下圖就是大華股份的星光級(jí)球機(jī)效果對(duì)比，星光產(chǎn)品覆蓋到各個(gè)產(chǎn)品形態(tài)和產(chǎn)品系列。（槍機(jī)、紅外槍機(jī)、半球、球機(jī)等等）。

結(jié)束語

這里所闡述的高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)主流技術(shù)只是其中一部分主流技術(shù)，而非全部，比如還有低碼流、高幀率、寬電壓、3D降噪等主流技術(shù)，也許五年后回頭看，這些技術(shù)都只是冰山一角。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”在今年3月寫入國務(wù)院政府工作報(bào)告，在國家層面制度了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃和中國智造2025戰(zhàn)略?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的核心就是通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深度的跨界融合，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，不斷創(chuàng)造出新產(chǎn)品、新業(yè)務(wù)和新模式，構(gòu)建連接一切的新生態(tài)。無人機(jī)、機(jī)器人、各種感知狀態(tài)攝像機(jī)、智能家居攝像機(jī)、太陽能供電攝像機(jī)等新產(chǎn)品形態(tài)，行業(yè)著名人臉識(shí)別技術(shù)公司Face++、Sense Time都帶來了基于計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的商業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品。在當(dāng)下大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革浪潮中，今后會(huì)有更多的科技型新鮮血液加入到安防這個(gè)大生態(tài)鏈。大華股份也清晰的看到了當(dāng)下大安防的生態(tài)環(huán)境以及未來的技術(shù)趨勢，積極實(shí)施以基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)體系技術(shù)創(chuàng)新，轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略。同時(shí)發(fā)展以服務(wù)、品牌、質(zhì)量為核心的新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)和新市場。做好創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)活動(dòng)的“加法”，推動(dòng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新機(jī)制的多維度融合發(fā)展，“無中生有”、有中創(chuàng)新，不斷釋放新需求，創(chuàng)造新供給，發(fā)現(xiàn)和培育大安防新增長點(diǎn)。