文/周宇杰 苏州科达科技股份有限公司
最早的4K应用，主要体现在电影后期制作阶段—数字中间片的运作中。它首先用胶片扫描仪将35mm摄像机拍摄的胶片底片扫描成数字图像文件，在将胶片转化为数字图像的过程中，为了最完整地还原胶片拍摄效果，采用了分辨率为4096×3112像素（总像素超过800万）的图像文件。由于其水平分辨率为4096像素，是1080P的4倍，故而被简称为4K。
之后，4K概念被推广并引入了电视行业，被电视厂商迅速接受，但标准细节却略有不同：在已发布的4K电视样机当中，一小部分采用了4097×2160的分辨率，其他则采用了16:9宽屏画面的3840×2160。而在安防行业，4K监控摄像机的分辨率一般采用3840×2160，保持16:9宽屏画面。
4K与超高清的关系
UHD是（Ultra High Definition）的简写，代表“超高清”，是继HD（High Definition高清）、Full HD（全高清）之后的下一代技术。国际电信联盟（ITU）发布的“超高清UHD”标准的建议，将屏幕的物理分辨率达到3840×2160（4K×2K）及以上的显示，统称为超高清，包括4K和8K。这里，我们主要讲4K超高清技术。
4K超高清应用于安防行业，其好处是显而易见的：
① 得益于4K的超高清分辨率，其获得的图像会更加丰富清晰，同样的视野，比1080P摄像机能看到更多的图像细节，比如人脸、车牌等，这些细节在实际应用中往往十分关键；
② 相同的清晰度，4K摄像机的视野更大，安装在十字路口，能够覆盖至少2个以上方向的车辆监控，使用传统720P或1080P摄像机则至少需要4台或更多，无论从实用性还是美观性角度，以及成本来讲，使用4K摄像机都更为出色；
③ 4K摄像机能够解决大场景的监控问题，应用1台4K摄像机就可以覆盖火车站站前广场，同时经过多级放大后，仍能够看清行人的面貌，这在高空瞭望、广场监控、森林防火等实际应用场景中具有非常重要的价值；
④ 4K画面能为大数据智能分析提供更多的图像细节，这些细节对人脸分析、车辆分析等大数据应用中非常重要。
决定4K效果的，除了分辨率还有什么
4K超高清对安防行业的意义，促使业内主流安防厂商早在2年前就争相推出4K摄像机产品，但同样的分辨率，各家呈现出的4K效果却大相径庭，这是为什么呢？一般而言，摄像机的清晰度，与镜头、传感器、ISP密切相关;其中，传感器尤为重要。
传感器的主要功能是将光信号转换成数字信号，它的性能直接决定了图像质量的好坏。分辨率、靶面大小以及宽动态是影响清晰度的几个因素：一般同样大小的分辨率传感器，靶面越大单位面积上的像素点就越少，对图像中的高频成分区分度越高，故拍摄出来的图像也更清晰，所以对4K如此高的分辨率，为保证良好的清晰度，部分厂家会选择大靶面传感器。宽动态的作用则主要表现在某些宽动态场景中，带宽动态功能的sensor能够将暗处与亮处的细节部分还原出来——通过多帧曝光进行融合后输出，长曝光帧保留暗处的细节、短曝光帧保留亮处的细节。
传感器的选择：目前，市场上的图像传感器分为CCD与CMOS两大类，两者之间的构造不同——CCD采用电荷耦合传递方式输出，同一放大器进行信号放大，而CMOS则是每一个像素都有独立的放大器。所以，在相同面积及相同像素点时，CMOS的感光面积要小于CCD，且由于CMOS每个放大器放大系数不一致的原因，在低照度情况下，CCD效果会更好一些，CMOS躁点较大。但是，CMOS可以轻易将周边电路集成到芯片中，工艺较CCD简单，成本较低，且随着工艺的提升，CMOS在高像素、信号处理速度上的优势逐渐体现，以及通过后端ISP对图像效果的提升，让CMOS在高清摄像机中的应用越来越多。
ISP是一种摄像机专用技术，它按照人眼视觉的要求对摄像机拍摄到的数据进行转换处理，目标是使视频或图片适于人眼观看。ISP一般包含很多功能模块，每个模块都会针对原始数据的一种问题进行相应的调整，如降噪模块 可以减少噪声的干扰，颜色调节模块可以使图像的颜色更加真实自然等。随着摄像机像素数目和视频实时性能的不断提升，百万像素已经成为基本配置，千万像素的摄像机在市场上也可以找到，ISP需要处理的数据量急剧增加，复杂度也随之增加，这就要求ISP技术的数据处理能力不断提升。
此外，图像编码技术对摄像机的清晰度也有一定的影响。早期，摄像机的后端芯片一般由ISP和接口芯片组成，ISP用于图像处理，处理后再进行压缩或编码处理，通过不同的接口输出给用户，接口一般分为非压缩输出和压缩输出两种，摄像机也因此分为SDI高清摄像机(非压缩)和网络高清摄像机（压缩）。SDI高清摄像机采用非压缩方式的串行视频信号输出，网络高清摄像机则按照H.264/MPEG/MJPEG算法编码压缩。SDI因非压缩缘故，视频数据清晰度高，对带宽要求也高，传输距离有限，随着网络高清的快速发展，市场占有率不断缩小，但在特定应用场合，SDI仍具备一定的优势。
推不动，4K距离规模化还有多远
如上文所说，决定4K超高清效果的，除了分辨率仍有很多其他因素，这也导致了目前安防市场中，各家4K摄像机的效果良莠不齐，呈现效果远没有1080P成熟。除了实际成像效果外，4K在安防市场的规模化应用还有哪些阻碍？
昂贵的编解码器
一般首先想到的就是网速，也就是编解码技术。
但是，到了今年，主流安防厂商4K摄像机几乎都已搭载了H.265编解码技术，它能将动辄10~15Mbps的4K码流，降低至6~8Mbps，让4K码流在普通带宽下的浏览流畅传输成为可能，大型安防监控项目如平安城市、智能交通中，规模化应用4K也成为了可能。
H.265在占用更少带宽的情况下，可以提供比H.264更优异的图像体验。但这一切并非毫无代价，对H.265编码的视频进行解码，需要更多的计算能力。因此，业内各个编解码芯片厂商也在逐步推出H.265算法的产品，但是居高不下的成本，也从一定方面限制了H.265的普及。
稀缺且昂贵的镜头
4K摄像机配套的镜头至少需要达到800W以上的解像力，才能充分呈现4K的效果。但是目前，真正达到800W以上解像力的镜头不多而且成本较高，适合安防应用的、支持变焦的机芯镜头更是少之又少。
4K监视器的空缺
4K的超高清摄像机对于后端显示设备来说，也是个不小的挑战。虽说现在市场中4K电视已经大量出现，但是在安防行业，显示设备通常使用的是液晶监视器，就目前的市场情况来看，支持4K超高清的监视器还是很少。
昂贵的信号传输线缆
想要完美支持4K码流的传输，HDMI的标准必须支持2.0规范，相对于早期的1.3、1.4HDMI标准，新的规范将传输带宽提升至了18Gbps。同时，由于高清视频图像只能够使用HDMI线缆进行传输，而HDMI线缆的理论传输距离是10~15米，超过这个距离，就需要中继设备的支持，后端投入成本还是比较高的。
略显逊色的低照度效果
由于同样靶面大小的芯片，像素越高，感光性能就会越差，4K摄像机的低照度效果普遍低于同等规格的1080P摄像机，但现在需要24小时监控的场景越来越多，对摄像机的低照度也越来越高，这是4K摄像机的一大痛点。
完整解决方案的缺失
虽然现在不少安防厂商都已经推出了4K产品，但是多数还是前端摄像机系列，后端的存储以及显示环节的产品少之又少，但4K不是解决了前端就OK了，它是一个系统性的问题，需要前后端匹配起来。目前能够提供整体端到端4K产品级解决方案的厂家并不多，而能够针对细分垂直行业，提供4K行业级系统方案的厂家就更少了。
用户反响的低迷
上述原因，同时导致了用户对4K超高清技术的需求不强烈、热情不高，从根本上难以实现规模化应用。
在4K规模化应用的阻碍中，很大一部分都是源于成本，随着4K市场化的进一步成熟，成本的降低是可预期中的事情。但对于研发人员而言，在等待市场的过程中，想办法解决4K应用效果中的低照度难题、存储难题、ISP处理难题等，并定制完善的解决方案，才能给用户呈现最完美的4K效果。
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