安防行業(yè)如何應對4K挑戰(zhàn)？

文/程瑋

隨著4K在廣播電視領(lǐng)域如火如荼的發(fā)展，近兩年，4K技術(shù)也開始拓展到安防領(lǐng)域，4K超高清監(jiān)控引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，圍繞安防行業(yè)設(shè)計的4K產(chǎn)品逐漸開始完善，各大主流安防企業(yè)開始推出4K產(chǎn)品。那么4K技術(shù)要想真正應用，還需要哪些技術(shù)儲備和產(chǎn)品支持呢？本文就4K技術(shù)的起源、4K技術(shù)的應用落地化以及配套4K系統(tǒng)產(chǎn)品進行進一步討論。

4K的來源及優(yōu)勢

4K最早起源于電視行業(yè)，4K超高清電視的概念早在幾年前就被提出，并宣傳得如火如荼，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(jiān)控行業(yè)的發(fā)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(jīng)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→目前非常熱門的4K超高清電視，而反觀我們視頻監(jiān)控行業(yè)攝像機的發(fā)展也經(jīng)歷了標清的模擬攝像機→720p高清網(wǎng)絡(luò)攝像機→1080p全高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，現(xiàn)在，各大廠商也相繼推出了自己的4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機產(chǎn)品。因此，不管在哪個領(lǐng)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(guī)格?！?K”名稱就來源于其水平方向的像素數(shù)，4K分辨率相當于4個1080P，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(jiān)控市場發(fā)展中具有非常大的優(yōu)勢。首先4K攝像機可以很好的縱覽全局，當隨機事件發(fā)生，各個業(yè)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(jīng)過多級放大后，仍能得到高清的細節(jié)畫面。因此4K攝像機可以在不改變攝像機數(shù)量、焦距、角度的條件下，進行全天候、全場景下的監(jiān)控。4K畫面的豐富細節(jié)，可以讓各個業(yè)務部門進行信息共享，同一個場景下，不用為了看清不同區(qū)域而架設(shè)多臺攝像機，在一定程度上節(jié)約投資成本。讓可視化管理更高效、聯(lián)動響應更及時、安全系統(tǒng)更有保障。

4K面臨的主要問題

目前4K技術(shù)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(xiàn)有的編碼算法H.264從其發(fā)布至今已經(jīng)有十多個年頭了，但在未來的超高清時代，利用現(xiàn)有的編碼方式，可能需要8-16M的超大碼率才能保證圖像質(zhì)量，這對于帶寬或存儲都是很大的壓力。在這樣的背景下，需要有相比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(fā)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(fā)布，命名為HEVC(High Efficiency Video Coding),然后分別被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(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，簡單來說，就是相同視頻質(zhì)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(jié)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(jīng)相繼推出了支持H.265的4K攝像機和4K的NVR，相信未來也會成為4K領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

4K的系統(tǒng)組成

在安防領(lǐng)域，4K最早應該是從智能交通行業(yè)開始，因為在交通領(lǐng)域，需要較大分辨率的攝像機來監(jiān)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(nèi)的一些智能交通廠家開始陸續(xù)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(xiàn)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(nèi)主流的安防廠家都已經(jīng)推出了支持4K的IPC產(chǎn)品。

不過，4K技術(shù)要想真正與視頻監(jiān)控行業(yè)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(chǎn)品，而是整套視頻監(jiān)控系統(tǒng)。高清到超高清所跨越的也不僅僅只是分辨率上的難關(guān)，4K技術(shù)對圖像采集、編解碼、傳輸、顯示、存儲和處理等一系列環(huán)節(jié)都提出了更高的要求。能否擁有齊全的4K一站式產(chǎn)品解決方案，已經(jīng)成為4K普及化的最重要的基礎(chǔ)。

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(fā)揮出4K攝像機的效果，因為如果用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(fā)實力的大廠家，通過自主光學設(shè)計，推出了國產(chǎn)品牌的、適用于安防行業(yè)的專業(yè)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。如安防行業(yè)龍頭企業(yè)?？低暎?014年10月發(fā)布了一款大靶面（1/1.7英寸）4K鏡頭，這款鏡頭支持1200萬像素，能提供超清晰的圖像細節(jié)，同時達到165度超廣視角，很適合于廣場、道路等場景的監(jiān)控需求。

第二、更高的網(wǎng)絡(luò)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(yōu)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(yè)的特殊應用場景對H.264編碼器進行優(yōu)化，使之也可以在4K分辨率下保持較低的碼率。而后續(xù)，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(zhì)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(shè)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(xiàn)在的解碼設(shè)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(jiān)控廠商已相繼推出了自己的4K NVR產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域來說，也是一個新的高度。

第五、更高分辨率的顯示設(shè)備。由于4K在電視機行業(yè)的快速發(fā)展，4K監(jiān)控系統(tǒng)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(jīng)進入市場，大尺寸顯示屏要想實現(xiàn)畫面的精細顯示，超高分辨率是必備要素，因此4K的顯示屏成為整個4K系統(tǒng)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(shù)比1080p多了4倍，因此能夠更充分地顯示細節(jié)，但同時要處理這些更豐富的細節(jié)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(shù)從視頻采集、編解碼、傳輸?shù)胶蠖孙@示上墻等整個產(chǎn)業(yè)鏈都在逐步完善中，在個別環(huán)節(jié)如鏡頭、編碼技術(shù)等方面還存在一些技術(shù)瓶頸有待突破，但是我們有理由相信，4K的前景還是美好的，4K的普及化、集成化也不會太遙遠。

結(jié)束語

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(chǎn)物。理論上來說，4K仍是高清浪潮的延續(xù)，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(xiàn)4K的超高清監(jiān)控，是需要一系列視音頻編解碼、圖像處理、智能分析等技術(shù)來支撐的，這也從另一方面推動了整個監(jiān)控行業(yè)技術(shù)的快速變革。目前4K產(chǎn)品在安防中處于高端產(chǎn)品的地位，隨著HEVC芯片的推出和普及，以及整個4K產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，有理由相信，在未來的幾年內(nèi)，4K產(chǎn)品帶來的細致入微的超清晰監(jiān)控效果，將會引領(lǐng)視頻監(jiān)控市場進一步步入高清、超高清時代。