浅析超高清监控技术解决之道

    人们对于清晰度的追求是永无止境的，这个从目前铺天盖地的4K电视广告中可见一斑。4K电视之所以能在一夜之间成为人们关注的焦点，一部分原因是人们对于新兴技术的好奇，更多的原因在于4K技术带来前所未有的超高清视觉体验。
　　不仅在民用电视行业，在视频监控领域，人们对于清晰度的追求同样从未停步。在2010年之前，视频监控还处于“标清时代”，监控系统大都采用标清摄像机，其D1的画质越来越难以满足用户对清晰度的需求。从2010年开始，视频监控大步跨入“高清时代”，1080P和720P高清摄像机取代了原来的标清摄像机，高清画质得到了用户的广泛认可，“高清改造”也成为了这一阶段视频监控领域最热的词。然而，当人们还沉浸在“高清时代”带来全新的视觉体验时，安防业界的大厂商们都相继推出了4K超高清摄像机，NHK作为安防产业上游厂家也已经开发出了一款8K的CMOS图像传感器，并在今年5月举行的“NHK技研展2014”上进行了公开展示，这一切似乎都预示着“超高清时代”渐行渐近。
　　超高清监控技术的优越性
　　以4K为例，国际电信联盟对4K超高清的定义是：水平像素值为3840，垂直像素值为2160，宽高比16：9，总约830万像素。从定义中可以看出4K的分辨率是1080P的4倍，是720P的9倍。如果分别用4K摄像机和1080P摄像机去拍摄相同视场角下的同一场景，4K摄像机会用4倍于1080P摄像机所用的信息量去还原场景，画面自然更清晰、更贴近真实。如图1所示，1080P图像中远处的车牌信息已经模糊，而4K图像中依然可以清晰分辨。
　　另外还有两个不那么明显的优势是从使用的角度来讲。一方面，由于4K画面的信息量是1080P的四倍，基于更多的信息量，就能实现更准确的智能分析，4K一旦大规模部署，智能分析的准确率就能上升一个新台阶，而且也会有更丰富更令人惊喜的智能应用得以实现；另一方面，在保证相同清晰度的情况下，4K摄像机覆盖的区域其实是1080P摄像机覆盖区域的4倍，也就是说在一个场景中，如果你觉得1080P的画面足够清晰了，你可以用一台4K摄像机替换掉4台1080P摄像机，节省点位数量从而降低整体成本。
　　亟待突破的技术壁垒
　　虽然好处多多，但超高清技术是否真的已经成熟了呢？超高清摄像机是否可以大规模投入使用了呢？其实不然！超高清监控从来都不只是监控摄像机的超高清，而应该是整个监控系统的超高清，其涉及到采集、编码、传输、存储、解码显示五个方面，进入“超高清时代”仍存在很多的技术壁垒需要攻破，这主要体现在五个方面。
　　采集――超低照度时，彩色图像效果不佳
　　以4K为例。从4K的定义中可以很明显看到的一点是，由于Sensor上集成像素点的增加，在正常光照环境下4K摄像机能提供更高清的图像，细节还原更贴近真实。但受到Sensor靶面面积的限制，随着像素点数量增加，单个像素点的感光面积反而减小，所以在超低照度成像上4K摄像机远远不如目前的1080P摄像机，这是目前所有4K摄像机面临的一个关键问题。自然，8K摄像机的彩色超低照成像效果会更不尽如人意。
　　编码――H.265芯片限制
　　从技术方面来讲，H.265标准是在现有的主流视频编码标准H.264的基础上做了升级：保留成熟的技术，同时对一些其他的技术进行改进，旨在低带宽下传输更高质量的视频流。结果表明，在压缩率上H.265相较于H.264提高了近一倍，即仅需原先的一半带宽即可传输相同质量的视频，同时H.265标准也完美满足4K和8K超高清视频的传输编码需求。可以说，H.265标准让视频编码跟上了采集端与显示端的“超高清化”的脚步。
　　但即便H.265编码技术已经日渐成熟，在H.265编码技术的落脚点――芯片上，却还存在诸多掣肘：一方面，H.265技术新出来不久，市场化比较低，很多芯片厂商都只是试水这个市场，并未大规模投入生产；另一方面，就目前已发布的几款H.265芯片来看，相关的软硬件成本偏高，还涉及到大量的研发及测试成本，性价比达不到用户的要求，还不能被市场接受。所以我们目前依然在用以H.264为主流的高清编码技术，H.265技术要成为主流仍需待以时日。
　　H.264已经是非常成熟的编码标准了，特别是H.264HighProfile能把主流的1080P高清视频流压缩成4M甚至2M的码流进行传输，效果非常不错，可一旦前端全部升级到超高清摄像机之后，以4K举例，通过H.264HighProfile编码也还需要至少10M的带宽，
　　对于这么大的码流，仅一路实况加一路存储，已经让监控网络望而却步了。若一旦发生突发事件，更多的客户端来并发请求某一路实况流，传统的流媒体架构会出现很大的性能问题，流媒体服务器的转发性能、出入口带宽都亟待提高。在很多行业中，监控系统还有明显的上下级架构，以金融行业为例，在总行与分行、分行与各网点之间就是最常见的上下级域关系，目前的情况是大部分的域间带宽不足，不能支持多路4K码流的调用，4K应用要进入这些行业需要对基础网络做整体升级。
　　存储――成本倍增
　　在存储容量方面，由于码流翻倍、磁盘消耗翻倍，也就意味着相同的点位数需要投入两倍于原先的硬盘数量。另一方面，每个IPSAN或NVR都存在写入/读取的性能限制，在码流翻倍的情况下同一台设备能并发处理的路数会减半，也就是说需要更多的IPSAN或NVR了。总而言之，由于在编码技术上的限制导致码流的翻倍，而码流的翻倍则需要投入成倍的硬盘、IPSAN及NVR，无形中整体建设成本又增加了不少。
　　解码――4K解码尚未成熟
　　最后在解码显示端，可细分成解码与显示两个部分。
　　目前的高清解码器普遍以1080P、720P及标清解码输出为主，4K解码才刚起步不久，整个市场中4K解码器还并不多。除了款型的选择不多外，4K解码器的性能也偏弱，能并发解16路1080P图像的解码器已经非常成熟，但能并发解16路4K图像的解码器还离我们非常遥远。
　　在显示端，虽然4K电视异常火爆，大大小小的品牌任君挑选，但在安防行业，目前还没有4K监视器或拼接屏，所以在监控室里4K图像解码上墙暂时还需要通过其他途径来解决。
　　解决之道日渐清晰
　　从前面的分析来看，似乎超高清监控的普及还有非常遥远的一段路要走，但知道技术难点在哪里就已经成功了一半，剩下的就是找到对应的解决方法。
　　首先在彩色超低照成像方面。两年前安讯士刚推出“觅光者”技术时，也只是在标清摄像机上应用，没能在高清上普及的主要原因就是像素越高技术实现越难，但两年后的今天，1080P的彩色超低照成像已经非常成熟，相信不久之后，4K的彩色超低照成像问题也能得到解决。
　　其次在H.265芯片上，从目前的技术发展来看，H.265芯片的成熟只是时间问题，一旦H.265芯片产品成熟，前端超高清摄像机出来的将会是低带宽高质量的视频流，监控网络及后端存储性能上的问题也会得到缓解。而在服务器、IPSAN、NVR、解码器的性能问题上，除了通过H.265编码来缓解，最终可以通过计算机硬件技术的发展来彻底解决。而计算机硬件技术作为发展最迅猛的技术之一，硬件的性能每年都在提升，相信过了H.265技术带来的这个缓冲时间段，一切硬件性能问题都将不复存在。
　　最后在显示端，从技术角度来讲，家用电视与监控大屏并没有太大差异，4K电视的成熟必定会促进安防监视器及拼接屏的发展，预计在不久的将来，监控室里4K大屏也将得到批量应用。
　　可以看到前文提到的这些技术壁垒都可以在一定时间后得到解决，可以说在未来超高清监控的应用不是问题，那么在当下超高清监控应用是否具有可行性呢？答案是肯定的，这也是为什么有部分大厂商相继推出4K超高清摄像机的原因。
　　在一个监控系统中，对前端成百上千个监控点位按重要性排序，必然能提取出最受关注的几个重要点位，可能是一个广场，可能是一条主干道，可能是一个警戒区等等，对于普通的点位以1080P或者720P的清晰度已经足够满足现阶段用户的需求了，而对于这些重要点位，使用4K超高清摄像机就能达到非常好的视觉效果，在夜晚配合补光灯也不会影响低照成像。
　　在编码上，目前并没有很好的方法优化，但很多监控系统的建设都是从无到有的，在设计基础网络的时候就可以考虑到这几个点位的高码流情况，所以在使用时便不会带来网络性能瓶颈，而个别点位的高码流对整体存储的影响也微乎其微；在显示端，大屏拼接技术已经非常成熟，而4K图像的上墙完全可以通过4块1080P大屏以2×2的拼接方式来解决，也能获得不错的上墙显示效果。
　　结语
　　技术更迭，超高清产品的出现是大势所趋。4K超高清摄像机在安防领域自推出以来，已在部分项目中的重要点位得以应用，有厂家采用全交换架构技术，以解决网络压力问题，用户只需投入少量的存储成本就能获得超高清体验。相信随着时间的推移，与之相应的技术亦会得到快速发展，同时伴随超高清摄像机配套设施的进一步提升，4K在安防业的应用将会越来越广泛。