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做智慧高清 4K的安防應用與挑戰

作者:無錫三革監控公司    時間:2017-01-23 09:13:21    信息來源:本站原創     點擊:

數年之前,百萬高清足夠引人注目;時至今日,超高清4K已經風起云涌;業內更有監控巨頭積極研發8K攝像機,8K攝像機一旦面世,必將再掀風浪??芍^安防視界:沒有超高清,只有更高清;追求清晰的腳步從未停過。8K雛形未見,我們無從討論;而當前眾星捧月的4K是如何在安防行業中拓展呢?值得我們一起探討與關注!

4K的誕生與發展

提到高清,人們第一時間想到的必然是電影;而4K技術的出現,其最直接的驅動因素則是電視屏幕尺寸的增大,再加上電視屏幕制造技術的不斷升級,液晶、等離子、OLED等材料的投入,人們對清晰度的需求不斷得到提升,因而出現從標清CRT顯像管電視到720P高清背投電視,從1080P全高清平板電視再到當前的4K超高清電視的發展演變;相應地,縱觀視頻監控行業的高清發展軌跡:從標清模擬攝像機到720P高清IP攝像機,從1080P全高清IP攝像機再到當前的4K超高清IP攝像機。相似的發展軌跡,其中必有規律可循——視頻監控行業的發展通常是緊隨電子消費類市場的發展(如圖1)。從標清到高清,從高清到超高清;在4K浪潮尚未普及的當下,業內已有監控巨頭積極研發8K攝像機,8K攝像機一旦面世,必將再掀風浪,人類追求清晰的腳步從未停過。

    4K的發展軌跡

那什么是4K超高清?國際電信聯盟對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830萬像素,分辨率是1080P的4倍,720P的9倍。從這個定義中就能看出4K最大的特點就是其800萬的像素組成的超高清畫面,四倍于1080P的分辨率,使得同一場景下4K會用四個像素點去描述1080P畫面中一個像素點描繪的信息,所以4K畫面自然更清晰、更貼近真實。通常在視頻監控系統中主要包括以下的目標監控需求。

1、一般監控(偵測)

一般監控是指對場景進行大概地了解,如廣場的總體人流情況,但沒有對人流中人臉識別的需求;公路的車流情況,但沒有對車牌進行識別的需求。即一般監控通常是對場景進行總體的、概括地了解。

2、目標識別(識別)

目標識別的監控需求,是在一般監控的基礎上,對畫面清晰度(像素數)有更高的要求,比如要求通過監控畫面,能夠對畫面中的發型、表情等人物外貌特征、車牌號等物體細節進行精確地識別。

3、高度清晰細部特征監控(確認)

高度清晰細部特征識別主要用在一些特殊應用場所,比如賭場、ATM機、銀行柜員、商場收銀等場所,要求在目標識別基礎上,得到目標更多的細部特征供參考。

4K攝像機為用戶帶來了全新的視覺體驗,其最大特點就是分辨率高,但在安防領域中并不是視頻監控系統所有的攝像機都有必要選用4K攝像機,應該結合具體的行業應用場景,利用其高分辨率的特點與行業業務管理相融合,如在公安平安城市的全景監控、大型十字路口擁堵狀況監控、超寬車道的無死角監控、公安GIS地圖的指揮調度等。因此,4K在公安和交通行業普及最快,集成商及用戶對4K的接受程度也最高,并且這些行業對新產品、新技術的接受速度本身就要比其他行業更快。反觀4K在其他行業的發展,相較于公安、交通這兩個行業來說會稍顯慢一些,但在一些重要的點位也會優先考慮4K的產品。

實際上,最佳的IP視頻監控解決方案,應該是一個可以支持各種模擬攝像機和IP攝像機的混合系統,讓用戶有效地控制建設成本的同時,又可以享受當前先進技術所帶來的良好體驗。

4K的安防應用與挑戰

要想實現真正的超高清,需要整個監控系統的4K完善,包括前端的4K攝像機、4K鏡頭,后端的4KNVR、集中存儲,中心的4K解碼設備、大屏顯示設備,這樣才能保證最終獲得的是真正的4K超高清監控;其中任何一個環節的缺失,都算不上是真正的超高清系統。

杭州??低晹底旨夹g股份有限公司產品售前經理程瑋為我們分析道:

a、從前端來看,4K攝像機的超高分辨率已經受到了用戶的認可,但從原理上來說,分辨率越高的超高清攝像機往往低照度效果越差,因此目前超高清攝像機的低照度效果還不盡人意,但后續隨著超低照度超高清傳感器的推出,結合各個廠家自身的圖像處理算法,可以很好的解決超高清產品低照度效果差的問題。

b、除了4K攝像機本身之外,還有一個問題很容易被忽視,那就是4K鏡頭,攝像機芯片已經達到了4K分辨率,而市面上配套的4K鏡頭卻不多,筒機和半球這種內置鏡頭更少,即使有,一般以國外品牌為主,成本也是很高的,因此市面上以4K槍機為主,筒機和半球較少,但現在已經有部分國內廠家擁有自主研發設計鏡頭的能力,可以大幅降低整機成本。

c、其次,從4K產品的系統配套來看,解碼器、NVR等,都需要達到足夠的性能才能接入或解碼顯示4K的視頻流,還有待全面的系統升級。浙江宇視科技有限公司IPC高級產品經理陳乾補充道,在解碼顯示端方面,能并發解16路1080P圖像的解碼器已經非常成熟,但能并發解16路4K圖像的解碼器距離我們還非常遙遠,目前的高清解碼器普遍以1080P解碼輸出為主,而且現在的4K解碼器單路解碼成本普遍偏高;另外,在圖像顯示上,由于成本等因素,4K大屏還未能在安防界大范圍使用,目前比較能接受的是通過四塊1080P大屏拼接來解決4K圖像顯示問題,但就用戶體驗來講肯定不如直接使用4K大屏顯示。


d、最后,也是用戶最主要關心的問題:即超高清分辨率帶來的超大帶寬占用和超高存儲成本。要想4K系統能夠普及,這個問題是最亟待解決的。在編碼傳輸端,4K圖像的碼流過高,導致傳輸、存儲的成本普遍提高,雖然目前H.265技術呼聲很高,但在與4K技術的結合上,一直沒有得到實際應用,業界依然還在用H.264作為主流高清編碼技術,4K攝像機的碼流還處在8~10M左右。對于這么大的碼流,通常只提供一路實況+一路存儲,已經讓部分監控網絡望而卻步了,更何況一旦發生突發事件,會有更多的客戶端同時訪問同一路圖像,普通的監控網絡根本承受不住這種負擔,必須要對整個網絡進行升級;而且目前大部分的監控網絡采用流媒體技術,流媒體服務器的轉發性能也亟待提高,否則很容易成為監控網絡中的瓶頸。同時,更大的碼流勢必會帶來更大的存儲需求,而且對存儲設備的并發寫入/讀取性能也提出了更高的要求。

簡而言之,由于在編碼技術上的限制,4K超高清攝像機的大規模使用勢必會帶來更高的網絡傳輸及存儲成本。在這樣的背景下,需要依靠更高效的編碼算法來進一步推動視頻高清化的發展,如:H.265編碼算法,在相同的畫質下相同場景下,H.265編碼算法至少可以比H.264降低一半的碼率。除此之外,已有部分廠家自主研發編碼算法,如:Smart265,這是一項比H.265效率更高的編碼技術,可以在H.265的基礎上繼續將高清碼率降低一半以上;相比較H.265,在運動目標不多的場景,例如像室內茶水間、樓梯間等場景下,Smart265可以降低70%左右的碼率;在運動目標部分時間較多,比如不太繁忙的道路上,碼率可以降低50%倍以上;而如果場景中不斷有目標大幅運動,像火車站等場景下,也會比原有的H.265效果要好。

融合4K發揮IPC極致特性

宇視IPC高級產品經理陳乾為我們解析道,4K技術的融合在未來會讓攝像機更具競爭優勢:不同形態的IPC各有各的特性,結合4K可以將IPC特性發揮到更高的層級。

槍機在監控應用中有著很大的占比,憑借可搭配各種鏡頭使用的優勢,槍機可應用于室內、出入口等近距離監控,也可應用于路面、周界等中距離監控,更可以搭配云臺在城市制高點、森林防火、港口等做超遠距離監控。一旦從1080P升級到4K,分辨率的提升帶來畫面清晰度的提升,槍機就能獲取更豐富的畫面細節,做更好的應用體驗,比如抓拍更高清的人臉效果從而提升人臉識別的準確率,在銀行柜臺等場景可以提供更多的細節從而還原最真實的情況等;而在中距離監控場景,可以利用4K更大監控范圍的優勢,有效降低布點密度。

球機靠內置轉動電機和機芯可以實現全方向、大倍率的監控,所以也在實際項目中占有著很大占比。結合4K技術,球機在短焦上可以提供更高清的圖像,可以兼顧大場景與小細節,如下圖在變電站的應用;在長焦上可以在光學變倍基礎上再做數字變倍,提升監控距離,相較于1080P基礎上的數字變倍,基于4K畫面的數字變倍會更加清晰,更符合監控應用。

魚眼攝像機通過超短焦鏡頭,可以實現360°全向監控,覆蓋超大的范圍,所以在一些特定的場景擁有非常好的監控效果,例如場館、廣場、十字路口等。但由于魚眼攝像機的覆蓋范圍相較于普通攝像機更廣,所以在同等分辨率下,單像素點需要呈現更多的信息量,導致魚眼攝像機的圖像與同等分辨率下的普通攝像機相比畫質更差。不過當魚眼攝像機支持4K后,像素點數量倍增,在超廣的監控視角下,畫面也會保證足夠的清晰度。

做智慧高清拓安防視界

如果說,電視領域中標清到高清的發展,其實質是分辨率的變化,高清僅僅是像素點的增加,與之相關的其他技術標準都是延續著標清時代。那么,安防行業的后高清時代就不僅是像素點的增加,為超高清攝像機產品中嵌入“聰明”的技術,結合豐富的智能應用業務,向智慧高清方向發展,利用超高清的分辨率可以挖掘出更多有效價值的監控數據。杭州??低晹底旨夹g股份有限公司提出三大理論:“聰明”的高清、智能的高清以及智慧的高清。針對這三個高清應用,分別對應了不同的技術要求。

聰明的高清

實時視頻透霧技術針對由煙塵、霧氣等成像特征建模,采用圖像處理技術有效恢復細節和色彩,獲得準確、自然的透霧效果,可應用于周界、跨海大橋、城市霧氣較重的場景;而RegionOfInterest(ROI),感興趣區域編碼算法,在帶寬有限的條件下可增強用戶設置或智能偵測獲取的感興趣區域圖像質量,準確地保留視頻監控目標的關鍵信息。

智能的高清

圖像增強算法可以有效改善由于光照、霧氣等原因造成的圖像質量問題,使圖像細節更為明顯,便于監控人員觀察,從而在公安刑偵、小區物業等夜間監控錄像中得以使用;而圖像復原,聚焦、運動等原因造成圖像模糊的過程進行建模,利用解卷積算法反推原始圖像信息的算法,能部分恢復車牌文字、人臉等關鍵信息。另外智能高清還包括人臉人體屬性分析、三維立體識別以及車臉檢索、熱度圖等。

智慧的高清

建立在云計算及云存儲之上,通過建立專一針對安防監控行業的云存儲,最終實現在快速增長的安防視頻大數據中對有效信息快速檢索、攝取。

很顯然,4K超高清視頻意味著更大的數據量,無論對于編碼芯片、編碼算法、網絡傳輸及存儲系統都帶來巨大的考驗,得益于這些相關領域技術的不斷突破,超高清IP監控才能得以真正地實現。當前的4K有點類似于三四年前1080P讓視頻監控使用者眼前一亮的階段,高清化的“深度”會暫時止步,但“廣度”會擴大,正如三四年前我們在1080P的高清時代下開拓了光學寬動態、強光抑制、星光級低照等,基于4K超高清時代的我們將會創造出什么更具優勢的特性?非常值得期待!

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