高清時代淺析高清視頻監控

        近兩年，是安防行業高速發展的時期，城市的現代化建設和經濟的快速發展，以及構建和諧社會的要求，對城市各行業系統的安防監控工作提出了許多新的要求和課題。同時，平安城市的建設、奧運會的承辦，都為安防行業的發展提供了廣闊的平臺，促進了行業內技術的發展。而安防行業中目前占有非常重要地位的視頻監控產品，在安防市場高速發展的同時，也暴露出許多問題。  
 
　　隨著視頻監控技術的高速發展，用戶對于視頻監控產品的要求也在不斷提高，清晰度要求更高，功能要求更加完善，性能要求更加穩定。如何看清機場、銀行、商場等場所人物的面部特征?如何看清高速行駛車輛的牌照?如何能夠迅速準確找到擁擠喧鬧的火車站、體育場館、廣場等場合的目標?……。這些都是視頻監控產品亟待解決的問題。 

　　縱觀當前的視頻監控產品市場，可以說是一個群雄并起的時代，出現了許多研發實力雄厚、市場占有率高的企業。但是這些企業的產品發展到一定階段，如今都進入到了一個瓶頸時期。一個很重要的表現是市場上視頻監控產品同質化現象嚴重，缺乏讓人“眼睛一亮”的產品。移動偵測、聯動報警、雙碼流、多路D1等產品，這些在一兩年前還是非常先進的技術，而現在幾乎在所有的產品上都能夠實現了。產品同質化帶來的一個問題是，在許多項目上，產品的競爭已經演化為簡單的價格競爭，嚴重擠壓了廠商、工程商的利潤空間。 

　　視頻監控產品在經歷了數字、網絡的兩個重要的發展階段之后，視頻監控產品的發展方向在哪里? 

　　一、高清需求突顯 

　　“讓我們看得更清楚”，這已經是許多用戶在使用視頻監控產品時提出的一個非常迫切的需求。美國權威IT市場調研公司MultiMediaIntelligence的總裁馬克•柯爾斯坦提到了推動視頻監控設備市場發展的四大技術因素:百萬像素攝像機、高性能編解碼器、強大的分析技術、以及便于從閉路電視(CCTV)遷移到IP/聯網視頻監控的所有底層技術。從他的話里我們可以看到，這四大技術因素中的百萬像素攝像機、高性能編解碼器以及IP網絡技術，都與高清產品相關，代表了高清產品中采集、編解碼、網絡傳輸方面的發展方向。 

　　二、何謂高清? 

　　“高清視頻監控”已成為安防行業的熱門話題，越來越多的安防廠商也相繼推出了自己的“高清”監控產品?？v觀市場上的“高清”監控產品，我們發現不同的廠商對高清標準有著不同的理解，“高清”效果也就不盡相同。那么，視頻監控行業“高清”的概念究竟是什么?什么才是真正的“高清”? 

　　我們先看一下數字電視技術對高清的定義。 

　　在廣播電視行業，數字電視高清視頻格式目前主要有三種：720P、1080i、1080P，其畫面寬高比定義為16:9。720P即是1280×720分辨率，1080i與1080P是1920×1080分辨率，后綴“i”和“p”分別表示隔行掃描與逐行掃描。其中，1080P是最高等級的高清視頻清晰度標準。對于快速移動目標的圖像采集，相比隔行掃描，逐行掃描可以獲得更好的動態圖像，隔行掃描將會產生圖像晃動現象。 

　　安防行業對高清還沒有統一的標準，參考廣播電視行業對數字電視高清標準定義，業內人士普遍認同高清至少要達到或超過720P(1280×720分辨率)。 

　　三、網絡化是高清應用的基礎 

　　要實現真正的高清監控，必須從視頻源的采集、視頻信號的編碼壓縮、視頻信號的傳輸、視頻的瀏覽、錄像文件的回放等環節全面支持高清。對客戶而言，高清只有在包含了前端、平臺、存儲、瀏覽、顯示等各個環節時才有意義。 

　　采集后未經壓縮的高清視頻信號有模擬和數字兩種傳輸方式，模擬傳輸一般采用YPbPr分量傳輸，一路高清視頻信號需要三根同軸線纜同時傳輸。數字傳輸一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，不適合用于監控傳輸，而HD-SDI雖可以傳輸百米左右，但對同軸電纜的要求很高，線纜的價格也非常昂貴。但是，如果在前端就對高清視頻進行高效壓縮處理，然后通過IP網絡傳輸的話，其傳輸成本與標清監控網絡化傳輸成本相當。 

　　目前DVR的視頻信號處理，分為視頻采集和視頻編碼兩個部分。在視頻信號采集部分，目前大多數的DVR都是模擬視頻輸入，均采用BNC接口的CVBS(即復合視頻信號)信號輸入。復合視頻信號的最大分辨率是D1，DVR內部對于復合視頻信號是按照D1分辨率采集、量化的。目前DVR均無YPbPr的模擬分量接口，或DVI、HDMI、HD-SDI等數字視頻接口。在編碼部分，DVR對每路采集的視頻信號可以編碼成CIF、2CIF、DCIF、D1等分辨率，但編碼最大分辨率只能為D1，不具備編720p或1080i、1080p的編碼能力。因此，目前的DVR無法實現高清監控。 

　　可見，要實現高清監控，得從整個監控系統考慮高清，而網絡化是高清監控系統應用的基礎。 

　　四、高清網絡攝像機是高清監控的前提 

　　模擬產品與數字化的高清產品相比，存在著許多設計上的缺陷，使得它在目前的技術架構上很難在分辨率、幀率等方面有大的提高。拿清晰度來說，現有的CCTV模擬監控系統，攝像機采集垂直分辨率，PAL制式下625掃描線，現有的超高清產品所達到的540、600線基本已到模擬系統的極限。而網絡攝像機還沒有上限(百萬像素網絡攝像機可以輕松看到1000線以上)。所以目前市場上用于監控的高清攝像機均是網絡攝像機。 

　　高清網絡攝像機是指能按大于12FPS 連續采集最大分辨率大于720P(1280*720)，甚至達到或超過1080P(分辨率1920*1080)的網絡攝像機。滿足上面高清定義中720P標準時，可被理解為百萬像素級別，因此我們也稱高清網絡攝像機為百萬像素網絡攝像機，百萬像素網絡攝像機較傳統模擬攝像機、普通網絡攝像機具如下優勢： 

　　采用百萬像素傳感器，能獲得更多的視頻信息，一般可達1280×1024、1392×1024、1628×1236甚至2048×1536的分辨率;

　　采用百萬像素鏡頭，在同樣的環境中測試普通鏡頭與百萬像素鏡頭，百萬像素鏡頭可以更好地配合百萬像素傳感器，獲取到更清晰的圖像。 

　　圖象顯示質量更高，能夠更好地捕捉細節; 

　　逐行掃描CCD/COMS動態畫面表現更流暢; 

　　可支持HDTV的寬屏輸出模式(16:9); 

　　覆蓋面更廣，相同監視區域可以替代原有的多個固定點攝像機和一個全方位攝像機。 

　　攝像機的清晰度取決于傳感器性能，CCD與CMOS兩種感光元件相比，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪點控制、高質量圖像輸出、動態影像表現方面都要優于COMS，所以模擬攝像機與標清網絡攝像機大多選擇CCD作為感光元件。但CCD的響應速度較低，不適用于高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清網絡攝像機普遍采用CMOS感光元件。 

　　圖像壓縮格式直接決定了對傳輸網絡、錄像存儲、后端處理的要求，也很大程度影響著圖像品質。目前在高清網絡攝像機中被廣泛采用的圖像壓縮技術有JPEG/MPEG-4/H.264三種方式，每種壓縮方式有不同的特點。如JPEG能獲得最高的單幅畫面質量，且對攝像機本身的處理平臺要求也較低，但對連續圖像壓縮占用帶寬最大;H.264可以獲得最高的壓縮比，但對攝像機本身處理平臺要求也最高。為適應各種不同的應用需求和網絡環境，比較高端的高清網絡攝像機都同時具備這三種編碼能力及雙碼流、多碼流功能。
 
　　五、高清監控面臨的問題 

　　高清網絡攝像機使圖像清晰度有了質的飛躍，但是也給高清監控系統帶來了一系列現實的問題：

　　網絡帶寬緊張：分辨率越大、清晰度超高，意味著在進行數據傳輸的時候碼流也會增大，增加網絡帶寬壓力。

　　存儲空間龐大：數據流量的翻倍，增大了錄像容量，給網絡存儲帶來壓力。

　　對中心控制、管理軟件和硬件性能的要求成倍增長;

　　對于記錄視頻圖像的管理和事后分析的工作量也將成倍增長;

　　投資成本高昂。

　　因此，在追求高畫質的同時，我們也要為客戶考慮解決以上問題。

　　六、高清監控按需應用 

　　上述高清監控面臨的技術挑戰可以通過應用來解決。根據目前的現狀，用戶不應該盲目追求高清。如果所有前端監控點都使用高清網絡攝像機，且全部采用實時高清傳輸的話，對后端的存儲和傳輸會造成很大壓力，并造成成本和效率的浪費。所以，應根據用戶的需求設計適合的解決方案，比如在高危場所設計安裝高清百萬像素網絡攝像機，正常情況下只采用普通分辨率(CIF、D1)來傳輸實時視頻圖像，而在報警條件發生時以高像素的JPEG形式傳輸高分辨率的圖像，以便于事后放大觀看，掌控細節。這樣就可以大大緩解網絡壓力、存儲壓力、降低投資成本等。

　　目前市面上出現了三碼流高清網絡攝像機，支持JPEG/MPEG-4/H.264三種不同的視頻壓縮格式，可以根據客戶實際情況設置這三種碼流。比如：將較低碼流的H.264視頻壓縮格式的D1圖像傳向遠端給客戶進行實時的監看，同時將百萬像素的H.264視頻壓縮格式實時圖像傳入存儲服務器進行錄像，另外還可以在報警的時候傳輸百萬像素的JPEG圖像，便于事后進行放大確認，尋找可疑對象等。

      總之，我們要遵循以下原則：在平時傳輸占用帶寬較小的實時圖像，而在關鍵時候傳輸圖像效果好的高清圖像。

　　七、結束語

　　高清監控應用的時代，正在向我們撲面而來!開放、標準是推動高清發展的催化劑。全高清監控應用的普及還有很長一段路要走。聯特微將在年底推出自己的200萬像素的網絡攝像機，走進高清時代。