4K超高清監控的前瞻

文/陳乾

人們對于清晰度的追求是永無止境的，這個從目前鋪天蓋地的4K電視廣告中可見一斑。4K電視能在一夜之間成為人們關注的焦點，一部分原因是人們對于新興技術的好奇，更多的原因在于4K技術帶來的前所未有的超高清視覺體驗。

不僅在民用電視行業，在視頻監控領域，人們對于清晰度的追求同樣從未停步。在2010年之前，視頻監控還處于“標清時代”，監控系統大都采用標清攝像機，其D1甚至CIF的畫質越來越難滿足用戶對清晰度的要求。所以從2010年開始，視頻監控大步跨入“高清時代”，1080P和720P高清攝像機取代了原來的標清攝像機，高清畫質得到了用戶的廣泛認可，“高清改造”也成為了這一階段視頻監控領域最熱的詞。但當人們還沉浸在“高清時代”帶來的全新體驗中時，安防業界的大廠商都相繼推出了4K超高清攝像機；而NHK，作為安防產業上游廠家，已經開發出了一款8K的CMOS圖像傳感器，并在今年5月舉行的“NHK技研展2014”上進行了公開展示，這一切似乎都預示著“超高清時代”的來領。

誠然，超高清能帶來高清所沒有的好處，最大的一點也是最直觀的一點：看得更清楚。以4K為例，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。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攝像機和1080P攝像機拍攝相同視場角下的同一場景，4K攝像機會用4倍于1080P攝像機所用的信息量去還原場景，畫面自然更清晰、更貼近真實，如下圖所示，1080P圖像中遠處的車牌信息已經模糊，而4K圖像中依然可以清晰分辨。

另外還有兩個不那么明顯的優勢是從“用”的角度來講。一方面，由于4K畫面的信息量是1080P的四倍，基于更多的信息量，就能實現更準確的智能分析，4K一旦大規模部署，智能分析的準確率就能上升一個臺階，而且也會有更豐富更令人驚喜的智能應用得到實現。另一方面，在保證相同清晰度的情況下，4K攝像機覆蓋的區域其實是1080P攝像機覆蓋區域的4倍，也就是說在一個場景中，如果你覺得1080P的畫面足夠清晰了，你可以用一臺4K攝像機替換掉4臺1080P攝像機，節省點位數量、降低整體成本。

超高清監控需攻破的技術壁壘

雖然好處很多，且也有4K攝像機不斷推出，但是超高清技術是否真的已經成熟了呢？超高清攝像機是否可以大規模投入使用了呢？其實不然，超高清監控從來不只是監控攝像機的超高清，超高清監控是一整個監控系統的超高清，涉及到采集、編碼、傳輸、存儲、解碼顯示五個方面，進入“超高清時代”還存在很多的技術壁壘需要攻破，在以下五個方面都有涉及。

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是，由于Sensor上集成像素點的增加，在正常光照環境下4K攝像機能提供更高清的圖像，細節還原更貼近真實。但由于Sensor靶面面積的限制，隨著像素點數量增加，單個像素點的感光面積反而減小，所以在超低照度成像上4K攝像機遠遠不如目前的1080P攝像機，這是目前所有4K攝像機面臨的一個嚴重問題，自然，8K攝像機的彩色超低照成像效果會更不盡人意。

編碼——H.265芯片限制

從技術方面來講，H.265標準是在現有的主流視頻編碼標準H.264的基礎上做了升級：保留成熟的技術，同時對一些其他的技術進行改進，旨在低帶寬下傳輸更高質量的視頻流。結果表明，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量的視頻，同時H.265標準也完美支持4K和8K超高清視頻的傳輸編碼需求，可以說，H.265標準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編碼技術已經日漸成熟，在H.265編碼技術的落腳點——芯片上，卻還存在很大限制。一方面，H.265技術新出來不久，市場化比較低，很多芯片廠商都只是試水這個市場，并未大規模投入生產；另一方面，就目前已發布的幾款H.265芯片來看，相關的軟硬件成本偏高，還涉及到大量的研發及測試成本，性價比達不到用戶的要求，還不能被監控市場接受。所以我們依然在用H.264作為主流高清編碼技術， H.265技術要成為主流還需要時間。

傳輸——基礎網絡成瓶頸

H.264已經是非常成熟的編碼標準了，特別是H.264 HP能把主流的1080P高清視頻流編成4M甚至2M的碼流進行傳輸，效果非常不錯，可一旦前端全部升級到超高清攝像機之后，以4K舉例，通過H.264 HP編碼也還需要至少10M的帶寬。

對于這么大的碼流，單只提供一路實況+一路存儲，已經讓部分監控網絡望而卻步了；若一旦發生突發事件，更多的客戶端來并發請求某一路實況流，傳統的流媒體架構會出現很大的性能問題，流媒體服務器的轉發性能、出入口帶寬都亟待提高；在很多的行業中，監控系統還有明顯的上下級架構，以金融行業為例，在總行與分行、分行與各網點之間就是最常見的上下級域關系，目前的情況是大部分的域間帶寬不足，還不能支持多路4K碼流的調用，4K應用要進入這些行業需要對基礎網絡做整體升級。

存儲——成本倍增

首先在存儲容量方面，由于碼流翻倍，磁盤消耗翻倍，也就意味著相同的點位數需要投入兩倍于原先的硬盤數量；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備能并發處理的路數會減半，也就是說需要更多的IPSAN或NVR了。總而言之，由于在編碼技術上的限制導致碼流的翻倍，而碼流的翻倍需要投入成倍的硬盤、IPSAN、NVR，無形中整體建設成本又增加了不少。

解碼——4K解碼未成熟

最后在解碼顯示端，細分成解碼與顯示兩個部分。

目前的高清解碼器普遍以1080P、720P、標清解碼輸出為主，4K解碼才剛起步不久，整個市場中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圖像的解碼器還離我們非常遙遠。

在顯示端，雖然4K電視非常火熱，大大小小的品牌任君挑選，但在安防界，目前還沒有4K監視器或拼接屏，所以在監控室里4K圖像解碼上墻暫時還需要通過其他途徑來解決。

行業解決之道

從前面的分析看來，似乎超高清監控的普及還有非常遙遠的一段路要走，悲觀的人看到這里怕是要把4K、8K丟進角落再不理睬了。但其實知道技術難點在哪里就已經成功了一半，剩下的就是找到對應的解決方法，而在整個安防界的不斷探索中，上面這些難點的解決之道也已經漸漸清晰了。

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”技術時，也只是在標清攝像機上做了應用，沒能在高清設備上普及的主要問題就是像素越高技術實現越難。但是兩年后的今天1080P的彩色超低照成像已經非常成熟，相信不久之后，4K的彩色超低照成像問題也能得到解決。

其次在H.265芯片上，從目前的技術發展來看，H.265芯片的成熟只是時間問題，一旦H.265芯片產品成熟，前端超高清攝像機出來的將會是低帶寬高質量的視頻流，監控網絡及后端存儲性能上的問題也會得到緩解。

而在服務器、IPSAN、NVR、解碼器的性能問題上，除了通過H.265編碼來緩解，最終可以通過計算機硬件技術的發展來徹底解決。而計算機硬件技術是發展最迅猛的技術之一，性能每年都在提升，相信過了H.265技術帶來的這個緩沖時間段，一切硬件性能問題都將不復存在。

最后在顯示端，從技術角度來講，家用電視與監控大屏并沒有太多的差異，4K電視的成熟必定會帶來安防監視器及拼接屏的發展，在不久的將來，監控室里4K大屏也將得到批量應用。

可以看到前文提到的這些技術壁壘都可以在一定時間后得到解決，可以說在未來超高清監控的應用不是問題，那么在當下是否有超高清監控應用的可行性呢？答案是有的，這也是為什么有部分大廠家已經推出了4K超高清攝像機的原因。

在一個監控系統中，對前端成百上千個監控點位按重要性排序，必然能提取出最最關注的幾個重要點位，可能是一個廣場、可能是一條主干道、可能是一個警戒區……對于普通的點位以1080P或者720P的清晰度已經足夠滿足現階段用戶的需求了，而對于這些重要點位，使用4K超高清攝像機就能達到非常好的視覺效果，在夜晚的時候配合補光燈也不會影響低照成像；在編碼上，目前并沒有很好的方法優化，但很多監控系統的建設都是從無到有的，在設計基礎網絡的時候就可以考慮到這幾個點位的高碼流情況，所以在使用時不會帶來網絡性能瓶頸，而個別點位的高碼流對整體存儲的影響也微乎及微；在顯示端，大屏拼接技術已經非常成熟，而4K圖像的上墻完全可以通過4塊1080P大屏2*2的拼接來解決，也能獲得不錯的上墻顯示效果。

結束語

技術的更迭，更高清產品的出現、更替是大勢所趨。4K超高清攝像機自面世以來，已在部分項目中的重要點位推廣使用，配合領先的全交換架構技術，解決網絡壓力問題，用戶只需要投入少量的存儲成本就能獲得超高清體驗。相信隨著時間推移，技術及配套設施的進一步提高，4K將以更成熟的姿態成為安防主流技術，展示超高清帶來的更多價值。