4K在安防行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

□ 文 /許小思

視頻監(jiān)控作為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡陌卜涝O(shè)備之一，在傳統(tǒng)的背景單一、人流量較小的情況下，也會(huì)存在視頻畫(huà)面模糊的情況，更何況是在機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等人流量密集的場(chǎng)景下，視頻的監(jiān)控效果更會(huì)大不如前。因此，圖像呈現(xiàn)的清晰度便成為視頻數(shù)據(jù)反饋的關(guān)鍵性指標(biāo)。伴隨著安防行業(yè)的一步步成長(zhǎng)，以及用戶對(duì)于清晰度的更高要求，傳統(tǒng)的百萬(wàn)像素高清攝像機(jī)已無(wú)法適應(yīng)環(huán)境的變化，安防領(lǐng)域的超高清已經(jīng)到來(lái)。4K超高清成為當(dāng)代新寵。這不僅意味著畫(huà)面清晰度及用戶體驗(yàn)的提升，更代表著未來(lái)安防“超高清”的時(shí)代觸手可及。

4K技術(shù)的起源

4K技術(shù)首先發(fā)展于電視領(lǐng)域。2012年5月，國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布了BT.2020“超高清電視UHDTV標(biāo)準(zhǔn)的建議，將大屏幕的物理分辨率達(dá)到3840×2160(4K×2K)及以上的電視稱(chēng)之為超高清電視，因此4K又稱(chēng)為2160p。此外，BT.2020標(biāo)準(zhǔn)也將8K(7680×4320)納入超高清標(biāo)準(zhǔn)。BT.2020標(biāo)準(zhǔn)定義的超高清系統(tǒng)除了在分辨率、刷新率、色彩深度上進(jìn)行了提高，還在色彩空間、伽瑪校正等方面進(jìn)行了全方位的調(diào)整，特別是色域三角形方面的擴(kuò)展，使得畫(huà)面的色彩表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于高清系統(tǒng)。

不論是家電行業(yè)還是安防領(lǐng)域，對(duì)于4K的定義都是一致的?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的200萬(wàn)像素，即1080P高清，分辨率為1920*1080，而4K（超高清）分辨率為3840*2160，4K的分辨率相當(dāng)于4個(gè)1080P，即一部4K監(jiān)控?cái)z像機(jī)可以當(dāng)4個(gè)準(zhǔn)高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)用，使用超高分辨率為視頻監(jiān)控采集超高清圖像，即使圖片放大了也不會(huì)造成圖片模糊不清的狀況。

4K技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

4K技術(shù)表現(xiàn)最明顯之處在于，其顯示分辨率的提升，使得畫(huà)面更加精細(xì)。影響畫(huà)面的精細(xì)度有兩個(gè)重要關(guān)鍵因素，一個(gè)是畫(huà)面的像素，另一個(gè)是畫(huà)面的垂直分辨率。畫(huà)面的像素越高，在相同尺寸的畫(huà)面上的像素就越精細(xì)，晶格就越小。而因?yàn)槿搜蹖?duì)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(shí)越多的細(xì)節(jié)與層次。4K技術(shù)在采集圖像設(shè)備領(lǐng)域里能實(shí)現(xiàn)的就是在提高像素的同時(shí)，又增強(qiáng)了畫(huà)面的垂直分辨率，使得畫(huà)面的細(xì)節(jié)和層次更加精準(zhǔn)。其次，色彩層次與細(xì)節(jié)的增強(qiáng)，使得畫(huà)面更接近真實(shí)生活。

其次，色彩層次與細(xì)節(jié)的增強(qiáng)，使得畫(huà)面更接近真實(shí)生活。從標(biāo)清到高清顯示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上主要是分辨率方面的升級(jí)，在色彩方面并沒(méi)有太過(guò)明顯的提升。不過(guò)進(jìn)入到4K超高清的時(shí)代，畫(huà)面方面的變化除了分辨率出現(xiàn)飛躍之外，色彩方面的變化尤其引人注目。

此外，4K視頻系統(tǒng)處理的是10位，甚至是12位編碼的視頻信號(hào)?，F(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超高清則采用10位甚至12位的視頻系統(tǒng)，對(duì)于色澤的處理非常分明，無(wú)論是灰階層次過(guò)渡還是色深的層次表現(xiàn)都優(yōu)于高清系統(tǒng)，色彩層次感和畫(huà)面感增強(qiáng)，更加真實(shí)地還原生活。

考慮到4K的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)畫(huà)質(zhì)相比于200萬(wàn)像素，垂直分辨率更高，畫(huà)面細(xì)節(jié)層次更精準(zhǔn)，顯示更清晰、更干凈細(xì)膩，它的應(yīng)用場(chǎng)景也便一目了然。4K攝像機(jī)能實(shí)現(xiàn)更廣角度的監(jiān)控，縱覽全局，可監(jiān)控更廣闊的區(qū)域。同時(shí)，對(duì)視頻查看、檢索、分析應(yīng)用提供了更豐富、更有價(jià)值的圖像素材，讓可視化管理更高效、聯(lián)動(dòng)響應(yīng)更及時(shí)、安全系統(tǒng)更有保障；基于超高清的視頻源，人臉識(shí)別、車(chē)牌識(shí)別等智能分析結(jié)果也將更加精確；同時(shí)，4K畫(huà)面豐富的細(xì)節(jié)可以讓各個(gè)部門(mén)進(jìn)行信息共享，不用為了看清不同區(qū)域而架設(shè)多臺(tái)攝像機(jī)，達(dá)到節(jié)約投資成本的目的。例如在火車(chē)站廣場(chǎng)前使用1個(gè)4K攝像機(jī)，監(jiān)控范圍基本能夠覆蓋到整個(gè)站前廣場(chǎng)，同時(shí)基本能夠看清行人的面貌；如果抓拍車(chē)牌，高清攝像機(jī)能拍下一條車(chē)道，4K則可以直接拍攝4條車(chē)道；在十字路口安裝一臺(tái)4K攝像機(jī)，能夠覆蓋到路口4個(gè)方向的車(chē)輛監(jiān)控。

4K應(yīng)用下的高效視頻壓縮算法

雖然視頻清晰度的提升給安防領(lǐng)域帶來(lái)了不小的變化，但伴隨而來(lái)的超大帶寬占比和超高存儲(chǔ)成本也成為新的問(wèn)題。為此，更加高效的視頻壓縮算法應(yīng)運(yùn)而生。HEVC是新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265可保證相同視頻質(zhì)量的前提下，降低40%-50%的編碼比特率，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，高清視頻所需要的傳輸帶寬或存儲(chǔ)空間將為H.264的一半。H.265基本繼承了H.264的框架，同時(shí)對(duì)一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)，并使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。與H.264相比，H.265提高壓縮效率、提高魯棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、降低復(fù)雜度等好處。由于H.264只可以低于1Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送；而H.265則可以實(shí)現(xiàn)利用1～2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。更令人高興的是，H.265由于其本身算法的特點(diǎn)，在4K這種更高分辨率的編碼處理上效果會(huì)更高，充分解決4K時(shí)代視頻編碼的瓶頸。

高壓縮率

H.265采用多樣的宏塊二叉樹(shù)的編碼分隔方式、幀內(nèi)預(yù)測(cè)方向和幀間預(yù)測(cè)技術(shù)，具有更好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理方式和矢量預(yù)測(cè)方法，編碼更加靈活，編碼數(shù)據(jù)大幅降低。相比H.264，H.265編碼可將碼流降低40～50%，壓縮比達(dá)到400:1，編碼耗時(shí)降低70～80%，這將使存儲(chǔ)成本大大降低，優(yōu)勢(shì)極為明顯。

高清晰度

H.265支持4K和8K（8192*4320）超高清分辨率，計(jì)算能力不再受到制約，跟上了顯示屏高分辨率的腳步，給客戶更高的視頻清晰度體驗(yàn)，避免了碼流幾何倍數(shù)增長(zhǎng)的尷尬局面，增強(qiáng)用戶的視覺(jué)體驗(yàn)。

存儲(chǔ)便捷

隨著用戶對(duì)安防監(jiān)控中高清視頻的需求越來(lái)越高，所需存儲(chǔ)空間急劇上升。與H.264編碼技術(shù)相比，H.265的高壓縮率可以節(jié)省一半的存儲(chǔ)空間，通過(guò)降低碼流來(lái)為客戶節(jié)省存儲(chǔ)成本，降低硬盤(pán)的存儲(chǔ)空間。

智能互聯(lián)

在這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的時(shí)代，各部門(mén)的信息共享尤為重要。原H.264時(shí)代，由于分辨率的限制，各部門(mén)只能獨(dú)立獲取有效數(shù)據(jù)，造成采集點(diǎn)的冗余，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息共享。而H.265的超高清攝像機(jī)，采集視角廣泛，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)業(yè)務(wù)的采集需求，減少同區(qū)域范圍內(nèi)的采集節(jié)點(diǎn)，有效提高了信息共享的效率。

經(jīng)濟(jì)實(shí)用

高分辨率可以降低采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，同時(shí)高壓縮率致使存儲(chǔ)空間下降。降低硬盤(pán)數(shù)目，這會(huì)大大降低客戶系統(tǒng)的建設(shè)成本。同時(shí)，在保證畫(huà)面質(zhì)量不變的前提下，H.265的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的明顯降低，對(duì)交換機(jī)的要求不再苛刻，也為用戶節(jié)省了投資成本。

4K高清監(jiān)控解決方案

4K高清監(jiān)控一直是一個(gè)整體系統(tǒng)而不是單個(gè)設(shè)備或環(huán)節(jié)。從前端采集到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶蠖私獯a、存儲(chǔ)以及顯示都需要配套的產(chǎn)品，每個(gè)環(huán)節(jié)均滿足4K的要求，才能更好的展示出4K超高清的效果。

目前，由于4K在電視行業(yè)發(fā)展快速，因而在安防監(jiān)控系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的是4K的大屏，84英寸4K面板都已上市，大尺寸顯示屏是整個(gè)4K系統(tǒng)中的先行者。國(guó)內(nèi)的諸多監(jiān)視器廠家也紛紛發(fā)布4K監(jiān)視器產(chǎn)品。隨著前端4K設(shè)備的跟進(jìn)，視頻源已經(jīng)不是問(wèn)題。

其次，要實(shí)現(xiàn)4K超高清體驗(yàn)和應(yīng)用，高像素的監(jiān)控?cái)z像機(jī)是必不可少的條件，普通的百萬(wàn)級(jí)像素高清攝像機(jī)無(wú)法體現(xiàn)和滿足4K超高清的需求，因而800萬(wàn)至1200萬(wàn)像素的攝像機(jī)逐漸被采用，行業(yè)內(nèi)推出了800萬(wàn)乃至更高像素的監(jiān)控?cái)z像機(jī)。同時(shí)，芯片技術(shù)的發(fā)展，也將推動(dòng)能夠匹配4K或8K超高清攝像機(jī)的豐富發(fā)展。

在后端存儲(chǔ)設(shè)備方面，由于超高清所帶來(lái)的超大數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)DVR已難以負(fù)荷，普通高清NVR也難以實(shí)現(xiàn)4K超高清視頻監(jiān)控的需求，因而針對(duì)4K超高清的NVR產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，在不進(jìn)行縮放的前提下對(duì)4K圖像進(jìn)行預(yù)覽、錄像、解碼回放和顯示輸出，這對(duì)于NVR來(lái)說(shuō)也是到達(dá)了一個(gè)新的高度。

安防行業(yè)高清化以及產(chǎn)品分辨率的不斷提升是安防行業(yè)的必然趨勢(shì)，4K的發(fā)展以及在安防中的應(yīng)用也必將推動(dòng)整個(gè)安防視頻監(jiān)控行業(yè)往高清化方向普及，同時(shí)也能促進(jìn)智能分析等配套產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，盡管4K技術(shù)在安防行業(yè)中存在技術(shù)及成本上的瓶頸，但我們相信，在不久的將來(lái)，4K產(chǎn)品帶來(lái)的超高清監(jiān)控效果，將會(huì)引領(lǐng)市場(chǎng)步入超高清時(shí)代，為高清安防廠商帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。