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4K,已经不太遥远

在4K显示市场,在以84英寸贵族型号开路后,55英寸等更适于普通家庭的4K产品在2013席卷市场,在经过2014 各大国内外的电视厂商的大力宣传,4K电视进入了普及期,在过去的两年,4K技术逐渐从广播电视领域拓展到安防及其它领域,4K超高清监控引起了行业的广泛关注。
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  文/王新伟 深圳中兴力维技术有限公司算法工程师

  在4K显示市场,在以84英寸贵族型号开路后,55英寸等更适于普通家庭的4K产品在2013席卷市场,在经过2014 各大国内外的电视厂商的大力宣传,4K电视进入了普及期,在过去的两年,4K技术逐渐从广播电视领域拓展到安防及其它领域,4K超高清监控引起了行业的广泛关注。

  4K来源

  4K最早来自于DCI数字电影推进联盟(Digital Cinema Initiative),于2004年定义的数字影院清晰度DCI 4K(4096×2160像素,每秒24帧)。2012年,国际电信联盟(ITU)发布了超高清电视(Ultra HDTV)的国际标准:ITU-RBT.2020,其标志着UHD超高清开始步入正轨。实际上4K和UHD均是“超高清分辨率”(Ultra High Definition,缩写为UHD或Ultra HD)。UHD超高清视频系统定义为4K与8K两个阶段,其中4K的物理分辨率为3840×2160,总约830万像素;而8K则为7680×4320,总约3320万像素。4K支持帧率从24帧到120帧。在色深方面,由BT.709标准的8bit提升至10bit或12bit。这一提升对于整个视频在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。

  在4K显示市场,在以84英寸贵族型号开路后,55英寸等更适于普通家庭的4K产品在2013席卷市场,在经过2014 各大国内外的电视厂商的大力宣传,4K电视进入了普及期,在过去的两年,4K技术逐渐从广播电视领域拓展到安防及其它领域,4K超高清监控引起了行业的广泛关注。目前,围绕安防行业设计的4K产品逐渐开始完善,部分安防企业开始推出4K产品。

  4K的优势

  4K技术表现最显著之处在于,其显示分辨率的提升,使得画面更加精细。影响画面的精细度有两个关键因素:一个是画面的像素,另一个是画面的垂直分辨率。画面的像素越多,在相同尺寸的画面上的像素就越精细,晶格就越小。而因为人眼对于视频的垂直分辨率相当敏感,越高的垂直分辨率,人眼就能辨识越多的细节与层次。4K技术在监控领域里在提高像素的同时,又增强了画面的垂直分辨率,使得画面的细节和层次更加精准。图像更加清晰,细节更加丰富的4K高清摄像机可以创造出更多的客户需求,那么对于安防厂商就意味着更多的市场机会,挖掘出一个新的营收或是利润的增长点。

  对安防厂商来说主要有如下几点优势:

  目前4K处于高速发展时期,4K的话题相当热门,但市场上4K超高清网络摄像机基本处于宣传阶段,真正量产的并不多。主要因为4K超高清图像传感器、图像处理芯片、配套的镜头及相应的4K显示屏的成本较高。4K像素的增大导致芯片的计算能力大大增加也带来了监控设备功耗高、发热量大等问题,非常考验摄像机厂商的硬件设计能力。

  其次,安防厂商,尤其是民用安防市场目前大多处于低端产品的价格血拼中,民用安防市场已经处于一片红海之中,利润率不断下滑,2014年不断传来小厂商破产的消息。4K超高清的需求或者说4K超高清的应用,众多厂商尚未找到真正的应用场景。但4K超高清时代已经来临,这是不争的事实。4K超高清网络摄像机最大的特点就是分辨率、解析度高,图像画质细腻,监控范围广,使其可以图像处理技术对图像局部信息综合利用,提高图像价值。4K摄像机非常适合于广场、运动场馆、机场、车站码头、海滩等人流密集场所的角范围的监控应用;还有医疗手术中的高清视频教学,风景区及森林防火等对图像清晰度有较高要求的场景,故4K超高清网络摄像机也极具应用价值。

  4K超高清设备比现有的高清1080P更高的清晰度,可以更有利于用户对监控信息进行分析处理,获取更多的有用信息。例如基于4K超高清的视频分析:人脸识别,车牌设别等职能分析的结果会更加精确。4K超高清图像的像素点的大大增加大大提高了视频分析的计算量,十分考验厂商的软件设计能力。4K的发展以及在安防产业的应用必将推动整个安防视频监控行业进一步普及,为高清安防带来新的利润增长点。

  4K的挑战

  和民用4K不同,仅仅更换4K的显示设备或摄像机是无法体验到4K高清监控带来的清晰画质。4K技术在安防中普及和应用需要一个全套的解决方案,他需要从采集、ISP处理、传输、显示、存储整套系统的支持。下面笔者从整个系统分析4K主要面临的挑战。

  更强解像力的镜头

  作为4K IPC产品配套镜头至少需要达到800万以上解像力,才能发挥出4K摄像机的效果,而为了照顾到图像四周的清晰度,真正充分体现4K效果,实际使用的镜头需是图像分辨率的2倍以上,也就是1600万。目前市场真正达到800万甚至1600万以上解像力的镜头很少且成本高,适合安防市场的镜头就更加稀少了。

  更强的ISP处理能力

  随着像素的增多,对ISP处理芯片的处理能力有了更高的要求,现阶段这类芯片比较少,主要是安霸的S2、S3和海思的3516A,相对与支持1080P的芯片来说成本较高,暂时还没有成为市场上的主力。

  更宽的网络传输带宽和更大的存储容量

  在主流的安防市场中,传输一路1080P高清H.264码流,至少需要4Mbps左右的带宽,在H.264编码下,按照图像大小计算,4K目前至少也需要16Mbps甚至更高的带宽才能达到较好的图像效果。同样,高带宽的视频对存储空间也提出更高的要求。但随着H.265的推出,网络带宽和存储容量问题相信会被逐渐解决,但现阶段的H.265编码在运动物体的细节方面还存在一定的问题。

  更高性能的编码芯片

  相对于1080P图像,4K的图像像素增加了4倍,简单计算的话,编码的压力也增加了四倍,由于其编码复杂度较高,目前几个主流的安防行业芯片厂家如TI、安霸和海思等都还没有相应的芯片方案推出,设备厂商的编码还需要依赖高性能DSP或高成本的FPGA实现,这对于追求性价比的安防行业显然是难以接受的,现阶段主推的H.265编码是解决这个问题的另一个思路。

  更大分辨率的显示设备

  后端的显示设备要完美展示4K图像的优质画质,至少需要4K的物理像素。SONY等显示器厂商推出的4K显示屏正是市场上的热点,但相对于普通的1080P显示器,成本要高得多,要在安防市场大规模普及,还需要等待技术的进一步发展。

  更强的视频智能处理能力

  对于4K分辨率的监控视频,画面中像素的增多,图像中细节会呈现得更加充分,这要求有更加强大的计算能力来处理图像,如针对实时图像的图像增强、除雾和3D降噪等,还有针对视频的智能分析如视频浓缩、视频检索、流量统计和人脸识别等。

  现阶段主要需要解决的是最重要的成本问题。4K监控的各部分都采用最新技术和最优产品,是可以推出一套完整的4K监控方案的,但相对于1080P等高清监控来说成本太高。对于安防这个非常注重性价比的市场来说,还是无法普及的。


  4K的出路

  在电子消费类市场,4K技术已经逐步进入了人们的生活,应用于4K超高清电视、4K的高清医疗视频展示、4K超高清的赛事(如2014年巴西世界杯足球赛的4K试播)盛况直播等等,都给人们带来了超高清的生活体验和更多智能化的应用。

  而在安防监控领域,4K技术才刚刚起步,但其未来却不可小觑,可应用于平安城市的全景监控、超宽车道的监控、公安GIS地图的指挥调度中等等。未来,4K带来的变革是多方面的,一方面它给我们带来视频分辨率上超高清、极清的体验,另一方面,它将很有可能改变我们传统的监控应用模式。

  人们对高清的追求是永无止境的,4K只是顺应时代需求的必然产物。理论上讲,4K仍是视频监控高清浪潮的延续,但是4K带来的绝不仅仅只是分辨率的增加,因为要真正实现4K的超高清监控,需要一系列视音频编解码、图像处理、智能分析等技术来支撑,这也从另一方面推动了整个监控行业技术的快速变革。

  现阶段对4K高清监控影响最大是H.265编解码技术的大力发展。H.265标准的成熟,会给视频带来更高的压缩比,降低网络和系统建设成本。根据安防系统建设模型,网络和存储设备通常占据建设投资60%以上。如何最大效率地降低网络带宽和存储空间,其需要从视频压缩编码入手来解决,采用H.265标准压缩效率可以比H.264提升50~60%,根据估算可能带来的投资节省高达30~35%。特别在一些原有标清网络视频监控系统中,可以在原有传输和网络情况下升级到高清网络视频监控,实现了“窄带能跳宽带舞”。另外很多视频监控系统,特别是公共安全类视频监控系统对录像的存储时长有较大需求。通过使用H.265编码标准可以在不增加存储设备和成本的前提下,将原有1个月的存储时长增加到3个月,实现“录像免费增存储”。

  H.265是由ITU-T的视频编码专家组VCEG和ISO/IEC的运动图像专家组MPEG共同推出的最新一代视频编码标准,其设计目标是比上一代H.264标准提高一倍的压缩效率,也即在同等视频质量下其码率仅为H.264的一半。根据2014年4月结束的第17次JCT-VC会议上发布的视频主观质量测试结果,在码率降低52~64%的情况下,H.265编码视频的主观质量与H.264编码视频近似甚至更好,平均可以降低59%。以1080P分辨率为例,4Mbps的H.265编码码流即可达到10Mbps的H.264编码码流主观质量,1.5Mbps的H.265码流即可达到4Mbps的H.264码流主观质量。

  笔者公司的技术团队逐项攻破H.265编码质量提升、DSP平台性能提升、多核并行编码效率优化、码率控制优化、多芯片协同工作、超低照度图像质量优化、结构散热性能优化、防雷等级提升等关键技术节点。2014年6月18日,经过不断反复的实验对比和严谨的质量测试,笔者公司第1台采用H.265编码标准的高清网络摄像机正式下线。随后,技术团队又快速与公安部三所交流,在7月份又完成了对国内首款H.265摄像机的型式检验。在9月份召开的南京合作伙伴大会上,正式发布了全球首款H.265高清网络摄像机。

  2014年9月,海思公司推出了支持4K的Hi3516A。预计在2015年1月配套推出业界第一颗专业H.265/HEVC超高清视频监控存储和显示产品NVR处理器Hi3536。该Hi3536处理器采用海思半导体高性能的视频编解码器,最高可实时解码16路1080P H.265/HEVC视频流或者4路4K H.265/HEVC视频流,支持视频以4K@60fps的速率显示,或者同时支持多达9路1080P@30fps高清显示输出。安霸公司Ambarella 2014年10月24日宣布推出S3,安全IP摄像机系统级晶片SoC系列新的H.265或HEVC(高效视频编码)支援视频标准。S3的全面达成H.265压缩标准, 提供目前的H.264 IP摄像机SoC的高达两倍的压缩效率,提供出色的视频质量超低的码率来优化网路频宽利用率,降低存储成本。S3可以提供在高达4K@30fps分辨率下的H.265编码的视频,或H.264高达4K@60fps的视频,并且提供与现有网路基础设施的兼容性。SoC芯片的大力发展必将极大地推动着4K超高清监控的快速发展。

  结语

  人们追求更高清的愿望没有止境,生产厂商追求利润的愿望没有止境,技术的发展没有止境。过去的2014年,各大厂商纷纷推出了4K的相关产品,而各大的SoC厂商也逐步推出相关的芯片,相信在新的2015年中,4K超高清设备会逐步商用,完整的4K解决方案也会逐步推出,4K超高清监控已经不太遥远。

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4K安防应用 是噱头还是发展大趋势?

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