4K超高清監(jiān)控的前瞻

文/陳乾

人們對(duì)于清晰度的追求是永無(wú)止境的，這個(gè)從目前鋪天蓋地的4K電視廣告中可見(jiàn)一斑。4K電視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(duì)于新興技術(shù)的好奇，更多的原因在于4K技術(shù)帶來(lái)的前所未有的超高清視覺(jué)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(duì)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(shí)代”，監(jiān)控系統(tǒng)大都采用標(biāo)清攝像機(jī)，其D1甚至CIF的畫(huà)質(zhì)越來(lái)越難滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)清晰度的要求。所以從2010年開(kāi)始，視頻監(jiān)控大步跨入“高清時(shí)代”，1080P和720P高清攝像機(jī)取代了原來(lái)的標(biāo)清攝像機(jī)，高清畫(huà)質(zhì)得到了用戶(hù)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。但當(dāng)人們還沉浸在“高清時(shí)代”帶來(lái)的全新體驗(yàn)中時(shí)，安防業(yè)界的大廠商都相繼推出了4K超高清攝像機(jī)；而NHK，作為安防產(chǎn)業(yè)上游廠家，已經(jīng)開(kāi)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(kāi)展示，這一切似乎都預(yù)示著“超高清時(shí)代”的來(lái)領(lǐng)。

誠(chéng)然，超高清能帶來(lái)高清所沒(méi)有的好處，最大的一點(diǎn)也是最直觀的一點(diǎn)：看得更清楚。以4K為例，國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì)4K超高清的定義是：水平清晰度3840，垂直清晰度2160，寬高比16:9，總約830萬(wàn)像素。從定義中可以看到4K的分辨率是1080P的4倍，720P的9倍，如果用4K攝像機(jī)和1080P攝像機(jī)拍攝相同視場(chǎng)角下的同一場(chǎng)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(chǎng)景，畫(huà)面自然更清晰、更貼近真實(shí)，如下圖所示，1080P圖像中遠(yuǎn)處的車(chē)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(gè)不那么明顯的優(yōu)勢(shì)是從“用”的角度來(lái)講。一方面，由于4K畫(huà)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)。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(shuō)在一個(gè)場(chǎng)景中，如果你覺(jué)得1080P的畫(huà)面足夠清晰了，你可以用一臺(tái)4K攝像機(jī)替換掉4臺(tái)1080P攝像機(jī)，節(jié)省點(diǎn)位數(shù)量、降低整體成本。

超高清監(jiān)控需攻破的技術(shù)壁壘

雖然好處很多，且也有4K攝像機(jī)不斷推出，但是超高清技術(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(lái)不只是監(jiān)控?cái)z像機(jī)的超高清，超高清監(jiān)控是一整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的超高清，涉及到采集、編碼、傳輸、存儲(chǔ)、解碼顯示五個(gè)方面，進(jìn)入“超高清時(shí)代”還存在很多的技術(shù)壁壘需要攻破，在以下五個(gè)方面都有涉及。

采集——彩色超低照效果不佳

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)。但由于Sensor靶面面積的限制，隨著像素點(diǎn)數(shù)量增加，單個(gè)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(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，自然，8K攝像機(jī)的彩色超低照成像效果會(huì)更不盡人意。

編碼——H.265芯片限制

從技術(shù)方面來(lái)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(jí)：保留成熟的技術(shù)，同時(shí)對(duì)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(shí)H.265標(biāo)準(zhǔn)也完美支持4K和8K超高清視頻的傳輸編碼需求，可以說(shuō)，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，卻還存在很大限制。一方面，H.265技術(shù)新出來(lái)不久，市場(chǎng)化比較低，很多芯片廠商都只是試水這個(gè)市場(chǎng)，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(lái)看，相關(guān)的軟硬件成本偏高，還涉及到大量的研發(fā)及測(cè)試成本，性?xún)r(jià)比達(dá)不到用戶(hù)的要求，還不能被監(jiān)控市場(chǎng)接受。所以我們依然在用H.264作為主流高清編碼技術(shù)， H.265技術(shù)要成為主流還需要時(shí)間。

傳輸——基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)成瓶頸

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

對(duì)于這么大的碼流，單只提供一路實(shí)況+一路存儲(chǔ)，已經(jīng)讓部分監(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(hù)端來(lái)并發(fā)請(qǐng)求某一路實(shí)況流，傳統(tǒng)的流媒體架構(gòu)會(huì)出現(xiàn)很大的性能問(wèn)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；在很多的行業(yè)中，監(jiān)控系統(tǒng)還有明顯的上下級(jí)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(jiàn)的上下級(jí)域關(guān)系，目前的情況是大部分的域間帶寬不足，還不能支持多路4K碼流的調(diào)用，4K應(yīng)用要進(jìn)入這些行業(yè)需要對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)做整體升級(jí)。

存儲(chǔ)——成本倍增

首先在存儲(chǔ)容量方面，由于碼流翻倍，磁盤(pán)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(pán)數(shù)量；另一方面，每個(gè)IPSAN或NVR都存在寫(xiě)入/讀取的性能限制，在碼流翻倍的情況下同一臺(tái)設(shè)備能并發(fā)處理的路數(shù)會(huì)減半，也就是說(shuō)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，而碼流的翻倍需要投入成倍的硬盤(pán)、IPSAN、NVR，無(wú)形中整體建設(shè)成本又增加了不少。

解碼——4K解碼未成熟

最后在解碼顯示端，細(xì)分成解碼與顯示兩個(gè)部分。

目前的高清解碼器普遍以1080P、720P、標(biāo)清解碼輸出為主，4K解碼才剛起步不久，整個(gè)市場(chǎng)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電視非?；馃?，大大小小的品牌任君挑選，但在安防界，目前還沒(méi)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(shí)還需要通過(guò)其他途徑來(lái)解決。

行業(yè)解決之道

從前面的分析看來(lái)，似乎超高清監(jiān)控的普及還有非常遙遠(yuǎn)的一段路要走，悲觀的人看到這里怕是要把4K、8K丟進(jìn)角落再不理睬了。但其實(shí)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(duì)應(yīng)的解決方法，而在整個(gè)安防界的不斷探索中，上面這些難點(diǎn)的解決之道也已經(jīng)漸漸清晰了。

首先在彩色超低照成像方面，想想兩年之前，安訊士剛推出“覓光者”技術(shù)時(shí)，也只是在標(biāo)清攝像機(jī)上做了應(yīng)用，沒(méi)能在高清設(shè)備上普及的主要問(wèn)題就是像素越高技術(shù)實(shí)現(xiàn)越難。但是兩年后的今天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(wèn)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(lái)看，H.265芯片的成熟只是時(shí)間問(wèn)題，一旦H.265芯片產(chǎn)品成熟，前端超高清攝像機(jī)出來(lái)的將會(huì)是低帶寬高質(zhì)量的視頻流，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及后端存儲(chǔ)性能上的問(wèn)題也會(huì)得到緩解。

而在服務(wù)器、IPSAN、NVR、解碼器的性能問(wèn)題上，除了通過(guò)H.265編碼來(lái)緩解，最終可以通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展來(lái)徹底解決。而計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)是發(fā)展最迅猛的技術(shù)之一，性能每年都在提升，相信過(guò)了H.265技術(shù)帶來(lái)的這個(gè)緩沖時(shí)間段，一切硬件性能問(wèn)題都將不復(fù)存在。

最后在顯示端，從技術(shù)角度來(lái)講，家用電視與監(jiān)控大屏并沒(méi)有太多的差異，4K電視的成熟必定會(huì)帶來(lái)安防監(jiān)視器及拼接屏的發(fā)展，在不久的將來(lái)，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(shí)間后得到解決，可以說(shuō)在未來(lái)超高清監(jiān)控的應(yīng)用不是問(wèn)題，那么在當(dāng)下是否有超高清監(jiān)控應(yīng)用的可行性呢？答案是有的，這也是為什么有部分大廠家已經(jīng)推出了4K超高清攝像機(jī)的原因。

在一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)前端成百上千個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位按重要性排序，必然能提取出最最關(guān)注的幾個(gè)重要點(diǎn)位，可能是一個(gè)廣場(chǎng)、可能是一條主干道、可能是一個(gè)警戒區(qū)……對(duì)于普通的點(diǎn)位以1080P或者720P的清晰度已經(jīng)足夠滿(mǎn)足現(xiàn)階段用戶(hù)的需求了，而對(duì)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(jué)效果，在夜晚的時(shí)候配合補(bǔ)光燈也不會(huì)影響低照成像；在編碼上，目前并沒(méi)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(wú)到有的，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候就可以考慮到這幾個(gè)點(diǎn)位的高碼流情況，所以在使用時(shí)不會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸，而個(gè)別點(diǎn)位的高碼流對(duì)整體存儲(chǔ)的影響也微乎及微；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(guò)4塊1080P大屏2*2的拼接來(lái)解決，也能獲得不錯(cuò)的上墻顯示效果。

結(jié)束語(yǔ)

技術(shù)的更迭，更高清產(chǎn)品的出現(xiàn)、更替是大勢(shì)所趨。4K超高清攝像機(jī)自面世以來(lái)，已在部分項(xiàng)目中的重要點(diǎn)位推廣使用，配合領(lǐng)先的全交換架構(gòu)技術(shù)，解決網(wǎng)絡(luò)壓力問(wèn)題，用戶(hù)只需要投入少量的存儲(chǔ)成本就能獲得超高清體驗(yàn)。相信隨著時(shí)間推移，技術(shù)及配套設(shè)施的進(jìn)一步提高，4K將以更成熟的姿態(tài)成為安防主流技術(shù)，展示超高清帶來(lái)的更多價(jià)值。