4K，在市場期許中迎接技術(shù)大爆發(fā)

□文 /本刊記者 羅超

話說，從2010年起，高清和智能就是安防行業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。當(dāng)來到2018年的時間節(jié)點，高清和智能依然是主流。高清的前沿技術(shù)是以4K為代表的超高清監(jiān)控，智能化成為了人工智能大應(yīng)用的新天地。本文從4K監(jiān)控入手，看其成為當(dāng)下主流前沿技術(shù)的價值體現(xiàn)與意義所在。

4K為行業(yè)帶來新價值

對清晰度的無限追求是永恒話題，因此4K的存在就有其巨大市場應(yīng)用價值，從而帶來行業(yè)監(jiān)控產(chǎn)品線的全線升級。

其一，更高清晰度的鏡頭應(yīng)用。4k技術(shù)需要支持更高清的鏡頭，配置超高清成像的鏡頭順理成章是流行趨勢，這樣也能充分發(fā)揮出4K技術(shù)的優(yōu)勢。騰龍的4K監(jiān)控鏡頭最能代表當(dāng)下的鏡頭前沿技術(shù)，他們產(chǎn)品對應(yīng)的傳感器靶面最大為1/1.8"，這也是目前4K監(jiān)控攝像機最為常見的大靶面尺寸。同時，他們的鏡頭可滿足搭載1/1.8"，并向下兼容1/2"、1/3"靶面?zhèn)鞲衅鞯臄z像機的使用，也意味著4K之下分辨率的攝像機，都可搭配此鏡頭。此外，騰龍4K監(jiān)控鏡頭采用了非球面鏡片及LD（低色散）鏡片技術(shù)，能有效抑制色差，以拍攝出色彩飽滿、圖像銳利的圖像。從結(jié)構(gòu)看，騰龍的4K監(jiān)控鏡頭共有3組鏡片，最前端為固定安裝，在陽光下，從其折射的紫光來看，鏡頭鍍膜層數(shù)、厚度、均勻度都到位，能有效杜絕鬼影現(xiàn)象出現(xiàn)，第二組鏡片在鏡筒內(nèi)自由伸縮，從外往內(nèi)看，在一片清澈的透視中給人以強烈的深邃感。而第三組鏡片為由聚焦環(huán)控制的鏡片組，用于將光影像投射到傳感器上。

值得一提的是，現(xiàn)在有些4K大場景監(jiān)控是通過多目鏡頭拼接完成，比如：去年新銳產(chǎn)品大華四目全景網(wǎng)絡(luò)攝像機由4個鏡頭為1/2.8"200萬超低照度CMOS圖像傳感器、3mm定焦特制鏡頭組合，分別拍攝四個角度，通過大華智能算法，自動識別四組畫面之間的重疊部分，并自動矯正及拼接，輸出4096×1800的4K全景畫面，從而做到水平180°、垂直87°的大視野呈現(xiàn)，且拼接畫面平整無畸變，視頻效果更直觀，超高清監(jiān)控一目了然。像這種多目鏡頭拼接在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用也較為常見，對單個4K監(jiān)控鏡頭其實也帶來不小的市場挑戰(zhàn)。

其二，4K具有更高性能的編碼芯片。隨著H.265等最新編碼的應(yīng)用與普及，有不少廠家開始針對安防行業(yè)的特殊應(yīng)用場景對H.264編碼器進(jìn)行優(yōu)化，使之也可以在4K分辨率下保持較低的碼率。比如在2016年索尼北京安防展會記者就有所接觸，采訪中得知索尼對H.264編碼性能進(jìn)行深度優(yōu)化，可以在4K分辨率下保持每秒6M碼流。與此同時，索尼利用ROI降低帶寬，他們獨有的智能編碼和智能剪裁兩大絕技。智能編碼有助于減小比特率、降低存儲/網(wǎng)絡(luò)帶寬和一張圖像中的不同壓縮率，而智能剪裁的高效監(jiān)控能減少數(shù)據(jù)存儲，降低更多的存儲/網(wǎng)絡(luò)帶寬，能讓用戶縱觀全局，形成焦點感興趣區(qū)域。有了這些技術(shù)，索尼的4K監(jiān)控攝像機能游刃有余的在H.264編碼基礎(chǔ)上實現(xiàn)4K監(jiān)控。

當(dāng)然，行業(yè)現(xiàn)在主流的肯定是H.265編碼算法，甚至有行業(yè)有觀點認(rèn)為H.265就是為4K而生。H.265確實解決了超高清產(chǎn)品的存儲和帶寬的成本問題，但要想真正將4K應(yīng)用起來，各廠家就必須要給用戶提供一站式的超高清&H.265產(chǎn)品解決方案。即從最前端的支持H.265編碼的4K攝像機，到可以存儲H.265編碼的NVR/CVR，能夠解碼H.265的解碼器/視頻綜合平臺，以及能夠接入H.265視頻流的中心平臺軟件。只有這樣，4K和H.265才能真正結(jié)合，真正得到項目的實際應(yīng)用。

其三，智能存儲開始應(yīng)用。為確保攝像機的4K（3840 x 2160）的畫質(zhì)，最低碼流8M/s，一分鐘480M；帶寬允許下可以用16M/s，一分鐘960M。如此來看，4K帶來了存儲的問題。通過智能存儲的應(yīng)用，解決4K占用超大存儲空間的問題。除了提高壓縮比，應(yīng)用智能存儲方法也是一種有效解決4K占用超大存儲空間的方法。智能存儲是指變碼流存儲，即在指定目標(biāo)出現(xiàn)時高碼流，無指定目標(biāo)時低碼流的存儲方式，這樣可以有效達(dá)到節(jié)省存儲空間的目的。但是同樣是由于技術(shù)原因，這樣的存儲方式還沒有得到完全普及，之后關(guān)于智能存儲技術(shù)會在4K存儲介紹中涉及。

其四、后端解碼和顯示能力大幅提升。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。這是一個新的挑戰(zhàn)，是4K后端顯示能否普及的關(guān)鍵之一，另外一點是如何壓縮成本，推出親民價格。

以上四點是4K在安防行業(yè)應(yīng)用帶來的價值，促發(fā)了相關(guān)配套的產(chǎn)品和技術(shù)的升級，更是安防行業(yè)又一次的技術(shù)飛躍，使視頻監(jiān)控行業(yè)朝著超高清監(jiān)控邁出了堅實一步。以下我們從產(chǎn)品角度來分析4K的前沿技術(shù)。

攝像機的4K之道

如果將4K監(jiān)控技術(shù)產(chǎn)品化，最為普及和徹底的就是前端監(jiān)控攝像機。追根溯源，行業(yè)第一臺4K監(jiān)控攝像機要追溯到2014年由安訊士發(fā)布了全球首款4K分辨率網(wǎng)絡(luò)攝像機AXIS P1428 E，該產(chǎn)品可提供每秒30FPS 3840x2160的解析度，專門面向戶外與高要求的室內(nèi)環(huán)境用戶而設(shè)計。光從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來看，4K攝像機有其天然的優(yōu)勢，能應(yīng)用于公安、交通、廣場、大廳等監(jiān)控范圍廣，細(xì)節(jié)內(nèi)容豐富的場景，能夠在足夠大的監(jiān)控視野下，依然保證有足夠清晰的監(jiān)控畫面。4K攝像機由于像素是1080P攝像機的4倍。因此，其更適合應(yīng)用于對細(xì)節(jié)內(nèi)容要求更高的場景，也引領(lǐng)了行業(yè)技術(shù)潮流。

首先，顯示分辨率的提升，使得畫面更加精細(xì)，影響畫面的精細(xì)度有兩個重要關(guān)鍵因素，一個是畫面的像素，另一個是畫面的垂直分辨率。畫面的像素越高，在相同尺寸的畫面上的像素就越精細(xì)，晶格就越小。而因為人眼對于影像的垂直分辨率相當(dāng)敏感，越高的垂直分辨率，人眼就能辨識越多的細(xì)節(jié)與層次。

其次，色彩層次與細(xì)節(jié)的增強，使得畫面更接近真實生活。從標(biāo)清到高清顯示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，實際上主要是分辨率方面的升級，在色彩方面并沒有太過明顯的提升。不過進(jìn)入到4K超高清的時代，畫面方面的變化除了分辨率出現(xiàn)飛躍之外，色彩方面的變化是相當(dāng)引人注目的。這一部分都體現(xiàn)在ITU-R最新頒布的BT.2020超高清廣播標(biāo)準(zhǔn)之中。

最后，4K視頻系統(tǒng)處理的是10位，甚至是12位編碼的視頻信號。而現(xiàn)階段高清或全高清系統(tǒng)通常采用的是8位的視頻系統(tǒng)，而4K攝像機則采用10位甚至12位的視頻系統(tǒng)。因此，無論是灰階層次過渡還是色深的層次表現(xiàn)，都比高清系統(tǒng)有較大的提升。

從上可以看出，如果要研發(fā)一款優(yōu)秀的4K監(jiān)控攝像機，其場景應(yīng)用的復(fù)雜性和技術(shù)的難度都不簡單。以大華的2017新銳產(chǎn)品舉例，4K星光級人臉識別網(wǎng)絡(luò)攝像機，基于超大靶面的1100萬4/3英寸CMOS圖像傳感器，這不僅為4K監(jiān)控提供了最為堅實的保障，并在大華專利的ISP核心處理算法的配合下，使該攝像機獲得4K超星光級的監(jiān)控效果，能達(dá)到0. 001Lux@F1.4(彩色模式)；0.0001Lux@F1.4(黑白模式)。以超大靶面sensor為根本，來支撐4K超星光級監(jiān)控效果。

華為是安防行業(yè)的后來者，倚借ICT方面的超強資源和創(chuàng)新至上的理念，華為在安防行業(yè)的技術(shù)能力以五星級速度在飆升。依托業(yè)界領(lǐng)先的自研芯片平臺以及卓越的硬件設(shè)計制造能力，選用超大靶面的4/3英寸背照式CMOS感光元件及超高解析度光學(xué)變焦鏡頭，在安防行業(yè)領(lǐng)先推出4K星光級球機，憑借無與倫比的全天候超清畫質(zhì)將4K視頻監(jiān)控帶入星光時代。在圖像處理方面，華為深刻理解行業(yè)應(yīng)用的需求，自主研發(fā)的ISP圖像處理引擎支持多種圖像增強算法，包括多幀寬動態(tài)，多級3D降噪、光學(xué)透霧，強光抑制，6軸防抖等，大大提高了攝像機在全天候環(huán)境與復(fù)雜光線條件下的圖像質(zhì)量。有了4K，華為的該機能全天候適用于各種苛刻環(huán)境，在交通、公安、銀行、軍隊對于畫面細(xì)節(jié)的提取，有莫大的幫助，極大提供了產(chǎn)品的實戰(zhàn)能力。

在2017深圳安博會上，一線巨頭都不同程度推出了4K監(jiān)控攝像機產(chǎn)品，一股行業(yè)的4K技術(shù)風(fēng)潮，由4K攝像機所引領(lǐng)。

4K存儲開始大行其道

4K提升了行業(yè)價值，也帶來挑戰(zhàn)，最為明顯一點就是存儲壓力成幾何倍數(shù)提升，其原因是因為4K本身的圖像更加清晰，細(xì)節(jié)更加豐富所造成的存儲壓力，其次是在當(dāng)下隨著智慧城市、雪亮工程的火熱，攝像機點位越來越多，存儲產(chǎn)品不僅要應(yīng)付4K的存儲壓力，也需要面對海量攝像機資源的存儲的壓力。此外，4K還帶來了存儲成本的增加。在存儲容量方面，由于碼流翻倍、磁盤消耗翻倍，也就意味著相同的點位數(shù)需要投入兩倍于原先的硬盤數(shù)量。另一方面，每個IPSAN或NVR都存在寫入/讀取的性能限制，在碼流翻倍的情況下同一臺設(shè)備能并發(fā)處理的路數(shù)會減半，需要更多的IPSAN或NVR?？偠灾捎谠诰幋a技術(shù)上的限制導(dǎo)致碼流的翻倍，而碼流的翻倍則需要投入成倍的硬盤、IPSAN、NVR，無形中4k的存儲建設(shè)成本又增加了不少。

為此，行業(yè)的4K存儲產(chǎn)品需要解決低碼流的問題。傳統(tǒng)的DVR不可能能勝任4K存儲，普通的高清NVR也難以實現(xiàn)4K超高清視頻監(jiān)控的技術(shù)要求。為了解決行業(yè)對4K存儲的渴望和多點數(shù)的接入，今年韓華推出了4K H.265 64路嵌入式NVR。該產(chǎn)品支持H.265和H.264視頻編碼方式，支持最大64路H.265解碼輸出，這是產(chǎn)品一大亮點，能滿足中小規(guī)模應(yīng)用場景的同時觀看需要。相對H.264，H.265在保證畫質(zhì)相當(dāng)?shù)那闆r下，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求減少50%左右，對存儲需求也相應(yīng)減少50%左右，讓超高清畫質(zhì)及低帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲與顯示得以完美呈現(xiàn)。同時支持三星WiseStream編碼攝像機接入，碼流再次降低50%，相比H.264總帶寬減少75% 。此外，產(chǎn)品還能通過攝像機元數(shù)據(jù)進(jìn)行智能搜索，通過與Hanwha攝像機寫作，通過使用縮略圖可以快速搜索到關(guān)聯(lián)攝像機的數(shù)據(jù)。同時也支持興趣區(qū)域、排他區(qū)域、虛擬越線以縮小搜索范圍。韓華安防的算法具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，可適應(yīng)多種復(fù)雜場景，測試發(fā)現(xiàn)識別準(zhǔn)確可靠，這就是之前提到的智能存儲方式。

對于以DVR起家并成為行業(yè)龍頭的海康來說，4K存儲早已有之，也是在2014年?？低瞥隽藰I(yè)界第一款4K NVR。該產(chǎn)品支持4K 顯示，解決了4K監(jiān)控存儲和顯示輸出的瓶頸，和4K IPC、4K顯示器一起形成完美的?？?K解決方案。

從以上來看，在服務(wù)器、IPSAN、NVR、解碼器的性能問題上，通過H.265編碼來緩解高碼流的帶寬壓力是目前最為有效的技術(shù)方式。此外，在IT企業(yè)級存儲中還可以通過計算機硬件技術(shù)的發(fā)展來徹底解決4K存儲問題。在企業(yè)級存儲市場，計算機硬件技術(shù)作為發(fā)展最迅猛的技術(shù)之一，硬件的性能每年都在提升，這對于安防行業(yè)來說是另一種解決低碼流的存儲技術(shù)手段。

談到存儲，不得不提監(jiān)控硬盤。就在今年5月份新銳產(chǎn)品評測的東芝硬盤，就符合4K存儲的技術(shù)要求。他們的產(chǎn)品存儲容量高達(dá)10 TB，適合高清攝像頭視頻源，最多支持 64 個高清攝像頭；旋轉(zhuǎn)振動補償技術(shù)，適用于 RAID環(huán)境；256MiB大容量緩沖區(qū)/緩存，改善視頻流性能；0℃—70℃的外蓋溫度范圍，確保硬盤可以適應(yīng)各種嚴(yán)苛環(huán)境；平均無故障間隔時間高達(dá)100萬小時的超強穩(wěn)定性；工作負(fù)載率為每年共傳輸 180 TB，滿足了安防行業(yè)7*24小時無間斷監(jiān)控的需求，可以用于多場景應(yīng)用。東芝的該產(chǎn)品最大亮點是搭載第二代GMA磁頭，該磁頭在以往磁頭基礎(chǔ)上加入了一款微動，可以精準(zhǔn)控制磁頭定置，保證硬盤讀寫數(shù)據(jù)時能及時響應(yīng)。由于采用了從上到下移動的技術(shù)，能夠提供更加精準(zhǔn)的位置，準(zhǔn)確性方面大約提升了30%左右；新的SoC架構(gòu)，能為視頻監(jiān)控優(yōu)化的firmware，相較上一代MD04系列，性能更優(yōu)。有了這些黑科技，東芝監(jiān)控硬盤在4K存儲時的寫入/讀取的性能限制問題將不復(fù)存在。

在以4K為代表的超高清監(jiān)控技術(shù)趨勢之下，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控存儲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)DASNASSAN也在發(fā)生變化。當(dāng)然SAN的主導(dǎo)地位依舊不變，也出現(xiàn)了一些DASNAS的新應(yīng)用，這些應(yīng)用結(jié)合NVR的小規(guī)模存儲，構(gòu)成了云存儲的基礎(chǔ)層，讓4K的云存儲方案得以實現(xiàn)。比如：浪潮視頻云存儲方案就是針對平安城市4K監(jiān)控海量需求，可實現(xiàn)近EB的存儲容量，單套可支持50萬個監(jiān)控終端，滿足平安城市中4K大存儲壓力及海量視頻文件的存儲與處理需求。從720P到1080P的提升，數(shù)據(jù)量接近翻一番，而從1080P到4K的分辨率，存儲容量需求則是4倍左右的增長，公安部門感知城市交通、社會治安等各種動態(tài)，就必須用到海量數(shù)據(jù)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。同時，浪潮視頻云存儲方案除了超高清和規(guī)模化應(yīng)用特點以為，結(jié)合智能應(yīng)用也是智能存儲的要求之一。該產(chǎn)品能將視頻監(jiān)控、消防報警、短信報警、GPS衛(wèi)星定位等技術(shù)集合起來協(xié)同工作，進(jìn)行信息交換和通信，完成智能化識別、定位、跟蹤和監(jiān)控的安防管理，成為新一代智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向并逐漸落地。

除了平安城市，雪亮工程建設(shè)也在全國火熱進(jìn)行中。華為基于強大IT背景，其監(jiān)控視頻4K云存儲方案突出應(yīng)對大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)和警務(wù)模式由被動向主動轉(zhuǎn)變、由事中事后向事前轉(zhuǎn)變的要求，創(chuàng)新性提出“一云、一池、一平臺”的雪亮工程4K解決方案，將4K存儲的方案應(yīng)用落地到實戰(zhàn)。具體做法是在一個城市集中建設(shè)一朵視頻云，物理分散，邏輯集中，實現(xiàn)資源彈性調(diào)度；將不同雪亮工程基層的感知設(shè)備和不同來源的數(shù)據(jù)連通融合起來建設(shè)一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)池，支撐數(shù)據(jù)高效應(yīng)用。

總之，與4K存儲相關(guān)的產(chǎn)品與技術(shù)研發(fā)已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛重視，一系列的新產(chǎn)品和新技術(shù)應(yīng)用將大行其道。但需要指出的，在4K監(jiān)控云存儲方面?zhèn)鹘y(tǒng)安防企業(yè)較為滯后，可能與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)積累有關(guān)，也可以理解為4K監(jiān)控云存儲方案，已經(jīng)跨界到IT領(lǐng)域，傳統(tǒng)安企在這方面的競爭力還尚顯不足。

4K后端顯示之路任重道遠(yuǎn)

顯示后端的超高清化已是板上釘釘之事，是4K監(jiān)控解決方案不可缺少的一環(huán)。對于后端顯示企業(yè)而言，液晶屏和LED拼接大屏基本上以三星、LG、夏普為主。單個監(jiān)控顯示器必須具有4K的物理像素，才能無損的呈現(xiàn)4K圖像的效果。在拼接顯示方面，由于LDE和LCD兩種拼接技術(shù)實現(xiàn)不了經(jīng)濟性高的4K監(jiān)控顯示產(chǎn)品，所以在后端顯示方面要走的路還很長。與此同時，對于后端解碼顯示能力，處理4K分辨率視頻需要更多的計算處理能力。目前安防行業(yè)主流采用NVIDIA的Kepler架構(gòu)、AMD的GCN架構(gòu)，集顯平臺則以Intel的Haswell架構(gòu)處理器或者是AMD的KaveriAPU為主。

所以，能看出4K后端顯示的核心技術(shù)都受制于人。由于4K的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從廣電和家電行業(yè)而來，因此在安防行業(yè)還是創(chuàng)維和TCL的4K后端顯示產(chǎn)品較為突出，但市場場景應(yīng)用極少，看來在技術(shù)提升和價格親民方面還有太多努力的空間。

結(jié)束語

盡管以4K為代表的超高清監(jiān)控已經(jīng)開始應(yīng)用，但總體而言4K在安防，想說愛你卻不太容易，這是市場應(yīng)用的心聲。但活在當(dāng)下，從技術(shù)前沿方面看，之于安防，人工智能，我所欲也；4K，亦我所欲也。