高清視頻監控技術的現狀及發展趨勢

　　近年來，高清視頻監控技術逐步進入人們的眼簾，成為未來安防監控領域技術發展的方向之一。“讓我們看得更清楚些”、“還給人們一個清晰的世界”這樣的呼聲和口號也日愈高漲，體現出來的是一種需求和趨勢。在這種趨勢下，“高清”這一名詞，不再像人們以前感覺到的那么遙遠。越多來越多的廠商開始推出“高清”化的產品。透過市場上品類繁多的“高清產品”，我們發現，我們的目光應該不僅僅是停留在“高清”概念上，而應更多地關注“高清”產品的出現給系統的應用價值帶來的提升空間。

　　1、高清視頻監控系統的發展過程及現狀

　　最初，“高清”概念與標準是廣播電視業提出的。上世紀60年代，日本國家廣播公司NHK開始研究高清，90年代初期，NHK和索尼完成了研究并開始試播模擬制式的高清電視。但由于多種原因，歐洲并不接受日本的研究成果，80年代中期，飛利浦等公司也聯合完成一個高清研究計劃。然而在1990年，美國一舉推出數字高清電視HDTV，后來居上超越日本和歐洲，也是從那時起，大家承認了數字式電視是未來高清的發展方向。目前市場上的高清數字電視可以分為兩大陣營，分別是歐洲的數字電視廣播聯盟DVB和美國的先進電視系統聯盟ATSC。

　　我國的高清數字電視的研制始于1998年，其中經歷了幾個階段。1999年10月1日，以高清轉播國慶慶典取得了巨大成功。2006年，我國公布了地面數字電視傳播標準DMB-TH?！秶?ldquo;十一五”時期文化發展規劃綱要》中明確指出：2008年開播數字高清電視，標志現代科技成果之一的數字高清電視必將得到前所未有的發展。

　　視頻監控系統的發展經歷了從模擬到數字的不同時期，其視頻清晰度也相應地得到了不斷的提高。并且隨著CCD的不斷發展，模擬視頻監控和數字視頻監控的清晰度又在縱向提高，模擬攝像機的水平分辨率從380線發展到540線，數字攝像機像素從25萬發展到1600萬。在模擬時代，一般認為攝像機的水平分辨率只要高于480線，即可稱為高清晰攝像機;在網絡攝像機(IP Camera)方興未艾時，則一般認為720P以上即可稱為高清攝像機。而因CCD、DSP等技術的進步，目前網絡數字攝像機在高清視頻監控領域正扮演著越來越重要的角色。

　　高清對于視頻監控并不是件容易的事情。它涉及到監控系統的頗多環節，從前端攝像機到傳輸，再到記錄存貯和顯示設備，為了到達“高清”指標都需要做出相應調整，只要一個環節滿足不了要求，就達不到“高清”要求。

　　2、監控行業高清標準

　　高清視頻監控近年來得以迅速發展，主要是為了解決人們在正常監控過程中“細節”看不清的問題。“高清”即“高分辨率”，關于高清的定義，最早來源于數字電視領域，高清電視，又叫“HDTV”，是由美國電影電視工程師協會確定的高清晰度電視標準格式。電視的清晰度，是以水平掃描線數作為計量的，它的集中高清劃分方式如下：

　　(1)1080i格式，是標準數字電視顯示模式。1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16:9，分辨率為1920×1080，隔行/60Hz，行頻為33.75KHz。

　　(2)720p格式，是標準數字電視顯示模式。750條垂直掃描線，720條可見垂直掃描線，16:9，分辨率為1280×720，逐行/60Hz，行頻為45KHz。

　　(3)1080p格式，是標準數字電視顯示模式。1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16:9，分辨率為1920×1080逐行掃描，專業格式。

　　高清電視，就是指支持1080i、720p和1080p的電視標準。

　　目前，在安防行業傳統監控系統最高可達標準清晰度，進行數字編碼后，一般可以達到4CIF或D1的分辨率，約為44萬像素，清晰度在300至500電視線之間;采用高清網絡攝像機的IP監控，如果要達到800電視線的清晰度，那么網絡攝像機的分辨率至少要達到1280x720的標準，約90多萬像素;若采用200萬像素的網絡攝像機，就達到了超高清圖像的要求，寬高比為16:9的網絡攝像機，對應分辨率為1920x1080，寬高比為4：3的網絡攝像機，對應分辨率為1600x1200。安防行業更多的是借用電視領域的高清劃分標準，俗稱為“高清”和“標清”。安防市場中已經出現了分辨率能夠達到1080i和720p的網絡攝像機，這是因為網絡給高清視頻的傳輸提供了一個很高的保障。當然，也有具有高清傳輸接口的模擬攝像機，如具有Y/Pb/Pr和VGA接口的槍機或一體機。

　　所以，這里借用一下廣電標準：能達到百萬像素的攝像機，配套以1080p分辨率的顯示設備及相應的傳輸通道，就可以形成一套可稱之為高清的監控系統。安防視頻監控行業目前還沒有通用的高清標準。有廠家認為圖像達到D1就是高清，也有廠家認為超過480線就是高清，眾說紛紜。這里我們可以看看DVR國家標準。2006年國家質量監檢總局發布的《視頻安防監控數字錄像設備國家標準 GB 20815-2006》規定，DVR的等級劃分A級(分辨率不小于4CIF)和B級(分辨率小于4CIF)。如果按照以上廠家的評價標準要求來看，DVR中A級產品為高清產品，B級為通用產品，即4CIF(分辨率為704×576)為高清，CIF(分辨率為352×288)為普通清晰度。

　　隨著科學技術的進步，“高清”技術必然引入視頻監控領域，視頻監控行業的高清標準也會不斷完善。

　　3、高清前端采集技術

　　高清的視頻效果的保證首先來源于高清信息的采集，如果沒有前端高清視頻采集，無法談及后端的高清效果。無論是槍機、一體機還是網絡攝像機、模擬攝像機，采集的原理都是一致的，只是技術和器件上的區別。對于高清監控系統，前端采集設備一般使用網絡攝像機。我們知道，攝像機的清晰度主要取決于感光芯片的性能，主要有CCD和CMOS兩種，在高清監控領域，也都有所應用。

　　CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件。CCD為數位相機中可記錄光線變化的半導體，它是一種半導體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。CCD對監控場景的適應性更佳，在低照度下效果表現更好。CCD由以前1/4英寸到現在1/3英寸、1/2英寸甚至2/3英寸等，代表了其技術的不斷發展，再經過圖像處理芯片的配合，能夠達到分辨率720P甚至1080i的輸出。

　　CMOS英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體，CMOS和CCD一樣同為在數碼相機 中可記錄光線變化的半導體，而隨著CMOS在制造工藝和影像處理技術上的不斷突破，業內對CMOS的前景預測也越來越樂觀。高清數字影像的普及更是CMOS技術發展的一個難得機遇。而且，與CCD相比，CMOS的制造原理更加簡單，體積更小，功耗可以大大的降低，種種跡像表明：圖像傳感器的領域正面臨著一個重大轉折，盡管從目前的狀況看，CMOS與CCD圖像傳感器的應用市場仍然有一個分界，但這個界限似乎越來越模糊。有專家預言，隨著300萬像素的CMOS圖像傳感器的上市，圖像傳感器即將進入“CMOS時代”。CMOS在高像素方面有著一定的優勢。

　　另外，鏡頭要能夠保證進光量和角度，同時還要有一個適宜調焦和光圈來配合感光元器件的成像，因為高清的視頻通常依賴于一個調焦的操作。對于焦距和光圈不滿足實際需求來說，高清攝像機也惘然。在一體機中通常配合較高的變倍來更好的體現高清的效果。當然，評價一個高清攝像機，除了清晰度外，還有其他許多影響圖像質量的因素，如超寬動態、自動白平衡、自動測光補償等等。

　　4、高清編碼標準

　　除了采集外，高清圖像編碼也是重要環節，高清視頻編碼最常用的編碼格式是MPEG2-TS、MPEG4、H.264和VC-1這四種算法。

　　MPEG2由MPEG(Moving Picture Experts Group)運動圖像專家組制定，這是國際標準化組織(ISO)于1988年成立的專責制定有關運動壓縮編碼標準的工作組，制定的標準是國際通用標準。DVD即是MPEG2編碼，隨著技術的改進，它在高清視頻方面也得到了應用。MPEG2最大的缺點就是文件體積過大，不過它也有一個優點，那就是相對于另外兩種編碼，它對于系統資源的消耗是最小的。但是隨著硬件技術的發展，H.264和VC-1的解碼必然會成為DVD那樣，任何主流的配置都能流暢播放。

　　MPEG4主要用于低帶寬應用和交互式圖形應用(游戲等合成內容)、交互式多媒體( W W W 等內容分發和訪問技術)應用， MPEG專家組成立了MPEG4工作組，以促進上述三個領域的集成。1999年初，定義標準框架的MPEG4(第一版)成為國際標準(ISO/IEC 14496-1)，提供多種算法和工具的第二版已于1999年底成為國際標準(ISO/IEC 14496-2)。

　　H.264也許是最有前途的一個了，相對于MPEG2、 MPEG4而言，其壓縮效率是三種編碼中最高的。H.264標準由國際電信聯盟電信標準化部(ITU-T)和國際標準化組織/國際電工委員會(ISO/IEC)共同研究發布，因此H.264有兩個名稱，一個是沿用 ITU-T組織的H.26x名稱，叫“H.264”，另一個則是A V C ( 高級視頻編碼)。H.264格式的最大特點是在保證畫面質量的情況下，它可以把文件大小控制在MPEG2格式的二分之一甚至三分之一。所以其更高的壓縮比、更好的IP和無線網絡信道的適應性，在數字視頻通信和存儲領域得到越來越廣泛的應用。但是需要注意的是，H.264獲得優越性能的代價是計算復雜度增加，因此H.264的硬件要求是最高的。

　　微軟公司在2003年9月提出了VC-1編碼格式(開發代號Corona)，目前已經得到了 MovieBeam、Modeo等不少公司的采納，同時也包含在HD DVD和藍光中，包括華納和環球等影業公司也有采用這種格式的意向。VC-1基于微軟windows Media Video9 ( WMV9 )格式， 而WMV9格式現在已經成為VC-1標準的實際執行部分。VC-1是最后被認可的高清編碼格式，因為有微軟的后臺，所以這種編碼格式不能小窺，相對于MPEG2，VC-1的壓縮比更高;但相對于H.264而言，編碼解碼的計算則要稍小一些。

　　AVS是基于我國自主創新技術和國際公開技術所構建的標準，主要面向高清晰度和高質量數字電視廣播、網絡電視、數字存儲媒體和其他相關應用，具有性能高(與H.264相當)、復雜度低(算法復雜度比H.264明顯低)、我國掌握主要知識產權、專利授權模式簡單且費用低等特點。基于此，可以認為AVS標準是能夠支撐國家數字音視頻產業發展的重要標準，也是安防監控行業應該采納的重要標準。

　　JPEG2000 是一種圖像編碼格式, 而并不是視頻編碼格式, 設計之初是用于取代JPEG , 而視頻序列的每一幀畫面也相當于是一幅圖像,與其前輩JPEG相比, JPEG2000放棄了以離散余弦變換DCT為主的區塊編碼方式, 而改為采用以小波變換為主的多解析編碼方式, 壓縮率比JPEG 高約 30% 左右, 同時JPEG2000支持有損和無損壓縮。JPEG2000有幾個重要特性, 支持“漸進傳輸”及“感興趣區域編碼”。在清晰度方面, 它可以先解碼一副畫面的四分之一尺寸, 然后再二分之一, 最后解碼出整幅畫面;在圖像質量方面, 它可以先傳輸圖像的輪廓, 然后逐步傳輸數據, 不斷提高圖像質量, 讓圖像由朦朧到清晰顯示;“感興趣區域”是指用戶可以任意指定圖像上感興趣區域的壓縮質量, 還可以選擇指定的部份先解壓縮, 便于突出重點。但JPEG2000計算量太大，壓縮率不高，目前很難在嵌入式實時系統中實現，對存儲傳輸也提出了較高的要求，目前僅有一些高清專用系統采用了這個算法。

　　在編碼芯片上，一般有DSP、ASIC等可供選擇。DSP方案，如達芬奇數字媒體處理器TMS320DM6467，是基于DSP的SOC(片上系統)，集成了300MHz的ARM內核和600MHz的DSP內核，并采用高清視頻協處理器，在執行H.264 HP@L4(1080p 30fps、1080i 60fps、720p 60fps)的同步多格式高清編碼、解碼與轉碼方面，表現出色。還有一款高清入門級的TI芯片DM355，它內置了編解碼算法實現，能夠以720p格式與每秒30幀的速度提供高清MPEG4 SP編解碼能力，是快速開發入門級高清編碼產品的不錯選擇。ASIC方案，如海思3511的處理器，一款基于ARM9處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成、可編程、支持H.264和MJPEG(Motion JPEG是一種視頻壓縮格式，其中每一幀圖像 都分別使用JPEG 編碼)等多協議的優點，可廣泛應用于實時視頻通信、數字圖像監控、網絡攝像機等領域。