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高清视频监控技术的现状及发展趋势 (1)

作者:shuaishuai  时间:2020-01-16 09:19
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  本文详细介绍了目前高清视频监控系统的主要技术环节,以及应用现状,对高清视频监控技术的发展方向进行了展望。

引言

  近年来,高清视频监控技术逐步进入人们的眼帘,成为未来安防监控领域技术发展的方向之一。“让我们看得更清楚些”、“还给人们一个清晰的世界”这样的呼声和口号也日愈高涨,体现出来的是一种需求和趋势。在这种趋势下,“高清”这一名词,不再像人们以前感觉到的那么遥远。越多来越多的厂商开始推出“高清”化的产品。透过市场上品类繁多的“高清产品”,我们发现,我们的目光应该不仅仅是停留在“高清”概念上,而应更多地关注“高清”产品的出现给系统的应用价值带来的提升空间。

1、高清视频监控系统的发展过程及现状

  最初,“高清”概念与标准是广播电视业提出的。上世纪60年代,日本国家广播公司NHK开始研究高清,90年代初期,NHK和索尼完成了研究并开始试播模拟制式的高清电视。但由于多种原因,欧洲并不接受日本的研究成果,80年代中期,飞利浦等公司也联合完成一个高清研究计划。然而在1990年,美国一举推出数字高清电视HDTV,后来居上超越日本和欧洲,也是从那时起,大家承认了数字式电视是未来高清的发展方向。目前市场上的高清数字电视可以分为两大阵营,分别是欧洲的数字电视广播联盟DVB和美国的先进电视系统联盟ATSC。

  我国的高清数字电视的研制始于1998年,其中经历了几个阶段。1999年10月1日,以高清转播国庆庆典取得了巨大成功。2006年,我国公布了地面数字电视传播标准DMB-TH。《国家“十一五”时期文化发展规划纲要》中明确指出:2008年开播数字高清电视,标志现代科技成果之一的数字高清电视必将得到前所未有的发展。

  视频监控系统的发展经历了从模拟到数字的不同时期,其视频清晰度也相应地得到了不断的提高。并且随着CCD的不断发展,模拟视频监控和数字视频监控的清晰度又在纵向提高,模拟摄像机的水平分辨率从380线发展到540线,数字摄像机像素从25万发展到1600万。在模拟时代,一般认为摄像机的水平分辨率只要高于480线,即可称为高清晰摄像机;在网络摄像机(IP Camera)方兴未艾时,则一般认为720P以上即可称为高清摄像机。而因CCD、DSP等技术的进步,目前网络数字摄像机在高清视频监控领域正扮演着越来越重要的角色。

  高清对于视频监控并不是件容易的事情。它涉及到监控系统的颇多环节,从前端摄像机到传输,再到记录存贮和显示设备,为了到达“高清”指标都需要做出相应调整,只要一个环节满足不了要求,就达不到“高清”要求。

2、监控行业高清标准

  高清视频监控近年来得以迅速发展,主要是为了解决人们在正常监控过程中“细节”看不清的问题。“高清”即“高分辨率”,关于高清的定义,最早来源于数字电视领域,高清电视,又叫“HDTV”,是由美国电影电视工程师协会确定的高清晰度电视标准格式。电视的清晰度,是以水平扫描线数作为计量的,它的集中高清划分方式如下:

  (1)1080i格式,是标准数字电视显示模式。1125条垂直扫描线,1080条可见垂直扫描线,16:9,分辨率为1920×1080,隔行/60Hz,行频为33.75KHz。

  (2)720p格式,是标准数字电视显示模式。750条垂直扫描线,720条可见垂直扫描线,16:9,分辨率为1280×720,逐行/60Hz,行频为45KHz。

  (3)1080p格式,是标准数字电视显示模式。1125条垂直扫描线,1080条可见垂直扫描线,16:9,分辨率为1920×1080逐行扫描,专业格式。

  高清电视,就是指支持1080i、720p和1080p的电视标准。

  

      目前,在安防行业传统监控系统最高可达标准清晰度,进行数字编码后,一般可以达到4CIF或D1的分辨率,约为44万像素,清晰度在300至500电视线之间;采用高清网络摄像机的IP监控,如果要达到800电视线的清晰度,那么网络摄像机的分辨率至少要达到1280x720的标准,约90多万像素;若采用200万像素的网络摄像机,就达到了超高清图像的要求,宽高比为16:9的网络摄像机,对应分辨率为1920x1080,宽高比为4:3的网络摄像机,对应分辨率为1600x1200。安防行业更多的是借用电视领域的高清划分标准,俗称为“高清”和“标清”。安防市场中已经出现了分辨率能够达到1080i和720p的网络摄像机,这是因为网络给高清视频的传输提供了一个很高的保障。当然,也有具有高清传输接口的模拟摄像机,如具有Y/Pb/Pr和VGA接口的枪机或一体机。

      所以,这里借用一下广电标准:能达到百万像素的摄像机,配套以1080p分辨率的显示设备及相应的传输通道,就可以形成一套可称之为高清的监控系统。安防视频监控行业目前还没有通用的高清标准。有厂家认为图像达到D1就是高清,也有厂家认为超过480线就是高清,众说纷纭。这里我们可以看看DVR国家标准。2006年国家质量监检总局发布的《视频安防监控数字录像设备国家标准 GB 20815-2006》规定,DVR的等级划分A级(分辨率不小于4CIF)和B级(分辨率小于4CIF)。如果按照以上厂家的评价标准要求来看,DVR中A级产品为高清产品,B级为通用产品,即4CIF(分辨率为704×576)为高清,CIF(分辨率为352×288)为普通清晰度。

  随着科学技术的进步,“高清”技术必然引入视频监控领域,视频监控行业的高清标准也会不断完善。

3、高清前端采集技术

  高清的视频效果的保证首先来源于高清信息的采集,如果没有前端高清视频采集,无法谈及后端的高清效果。无论是枪机、一体机还是网络摄像机、模拟摄像机,采集的原理都是一致的,只是技术和器件上的区别。对于高清监控系统,前端采集设备一般使用网络摄像机。我们知道,摄像机的清晰度主要取决于感光芯片的性能,主要有CCD和CMOS两种,在高清监控领域,也都有所应用。

  CCD 英文全名 Charge Coupled Device,感光耦合元件。CCD为数位相机中可记录光线变化的半导体,它是一种半导体成像器件,因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。CCD对监控场景的适应性更佳,在低照度下效果表现更好。CCD由以前1/4英寸到现在1/3英寸、1/2英寸甚至2/3英寸等,代表了其技术的不断发展,再经过图像处理芯片的配合,能够达到分辨率720P甚至1080i的输出。

  CMOS英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互补性氧化金属半导体,CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体,而随着CMOS在制造工艺和影像处理技术上的不断突破,业内对CMOS的前景预测也越来越乐观。高清数字影像的普及更是CMOS技术发展的一个难得机遇。而且,与CCD相比,CMOS的制造原理更加简单,体积更小,功耗可以大大的降低,种种迹像表明:图像传感器的领域正面临着一个重大转折,尽管从目前的状况看,CMOS与CCD图像传感器的应用市场仍然有一个分界,但这个界限似乎越来越模糊。有专家预言,随着300万像素的CMOS图像传感器的上市,图像传感器即将进入“CMOS时代”。CMOS在高像素方面有着一定的优势。

  

      另外,镜头要能够保证进光量和角度,同时还要有一个适宜调焦和光圈来配合感光元器件的成像,因为高清的视频通常依赖于一个调焦的操作。对于焦距和光圈不满足实际需求来说,高清摄像机也惘然。在一体机中通常配合较高的变倍来更好的体现高清的效果。当然,评价一个高清摄像机,除了清晰度外,还有其他许多影响图像质量的因素,如超宽动态、自动白平衡、自动测光补偿等等。

4、高清编码标准

  除了采集外,高清图像编码也是重要环节,高清视频编码最常用的编码格式是MPEG2-TS、MPEG4、H.264和VC-1这四种算法。

  MPEG2由MPEG(Moving Picture Experts Group)运动图像专家组制定,这是国际标准化组织(ISO)于1988年成立的专责制定有关运动压缩编码标准的工作组,制定的标准是国际通用标准。DVD即是MPEG2编码,随着技术的改进,它在高清视频方面也得到了应用。MPEG2最大的缺点就是文件体积过大,不过它也有一个优点,那就是相对于另外两种编码,它对于系统资源的消耗是最小的。但是随着硬件技术的发展,H.264和VC-1的解码必然会成为DVD那样,任何主流的配置都能流畅播放。

  MPEG4主要用于低带宽应用和交互式图形应用(游戏等合成内容)、交互式多媒体( W W W 等内容分发和访问技术)应用, MPEG专家组成立了MPEG4工作组,以促进上述三个领域的集成。1999年初,定义标准框架的MPEG4(第一版)成为国际标准(ISO/IEC 14496-1),提供多种算法和工具的第二版已于1999年底成为国际标准(ISO/IEC 14496-2)。

  H.264也许是最有前途的一个了,相对于MPEG2、 MPEG4而言,其压缩效率是三种编码中最高的。H.264标准由国际电信联盟电信标准化部(ITU-T)和国际标准化组织/国际电工委员会(ISO/IEC)共同研究发布,因此H.264有两个名称,一个是沿用 ITU-T组织的H.26x名称,叫“H.264”,另一个则是A V C ( 高级视频编码)。H.264格式的最大特点是在保证画面质量的情况下,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。所以其更高的压缩比、更好的IP和无线网络信道的适应性,在数字视频通信和存储领域得到越来越广泛的应用。但是需要注意的是,H.264获得优越性能的代价是计算复杂度增加,因此H.264的硬件要求是最高的。

  微软公司在2003年9月提出了VC-1编码格式(开发代号Corona),目前已经得到了 MovieBeam、Modeo等不少公司的采纳,同时也包含在HD DVD和蓝光中,包括华纳和环球等影业公司也有采用这种格式的意向。VC-1基于微软windows Media Video9 ( WMV9 )格式, 而WMV9格式现在已经成为VC-1标准的实际执行部分。VC-1是最后被认可的高清编码格式,因为有微软的后台,所以这种编码格式不能小窥,相对于MPEG2,VC-1的压缩比更高;但相对于H.264而言,编码解码的计算则要稍小一些。

  

      AVS是基于我国自主创新技术和国际公开技术所构建的标准,主要面向高清晰度和高质量数字电视广播、网络电视、数字存储媒体和其他相关应用,具有性能高(与H.264相当)、复杂度低(算法复杂度比H.264明显低)、我国掌握主要知识产权、专利授权模式简单且费用低等特点。基于此,可以认为AVS标准是能够支撑国家数字音视频产业发展的重要标准,也是安防监控行业应该采纳的重要标准。

  JPEG2000 是一种图像编码格式, 而并不是视频编码格式, 设计之初是用于取代JPEG , 而视频序列的每一帧画面也相当于是一幅图像,与其前辈JPEG相比, JPEG2000放弃了以离散余弦变换DCT为主的区块编码方式, 而改为采用以小波变换为主的多解析编码方式, 压缩率比JPEG 高约 30 左右, 同时JPEG2000支持有损和无损压缩。JPEG2000有几个重要特性, 支持“渐进传输”及“感兴趣区域编码”。在清晰度方面, 它可以先解码一副画面的四分之一尺寸, 然后再二分之一, 最后解码出整幅画面;在图像质量方面, 它可以先传输图像的轮廓, 然后逐步传输数据, 不断提高图像质量, 让图像由朦胧到清晰显示;“感兴趣区域”是指用户可以任意指定图像上感兴趣区域的压缩质量, 还可以选择指定的部份先解压缩, 便于突出重点。但JPEG2000计算量太大,压缩率不高,目前很难在嵌入式实时系统中实现,对存储传输也提出了较高的要求,目前仅有一些高清专用系统采用了这个算法。

  在编码芯片上,一般有DSP、ASIC等可供选择。DSP方案,如达芬奇数字媒体处理器TMS320DM6467,是基于DSP的SOC(片上系统),集成了300MHz的ARM内核和600MHz的DSP内核,并采用高清视频协处理器,在执行H.264 HP@L4(1080p 30fps、1080i 60fps、720p 60fps)的同步多格式高清编码、解码与转码方面,表现出色。还有一款高清入门级的TI芯片DM355,它内置了编解码算法实现,能够以720p格式与每秒30帧的速度提供高清MPEG4 SP编解码能力,是快速开发入门级高清编码产品的不错选择。ASIC方案,如海思3511的处理器,一款基于ARM9处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器,具有高集成、可编程、支持H.264和MJPEG(Motion JPEG是一种视频压缩格式,其中每一帧图像 都分别使用JPEG 编码)等多协议的优点,可广泛应用于实时视频通信、数字图像监控、网络摄像机等领域。

5、高清传输技术

  监控系统传输技术主要有视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线平衡传输和宽频共缆传输六种传输方式。每种传输技术都有其自身特点,有各自的应用层面,对于一个复杂的监控系统往往根据不同的传输距离,不同的监控要求,采用不同的传输方式。面对高清应用的超大数据量,以及实时性的要求,采用光纤传输是解决长距离视频监控高速传输系统的最佳解决方式,通过把视频及控制信号转换为光信号在光纤中传输。光纤传输具有衰减小、频带宽、不受电磁波干扰、重量轻、保密性好等一系列优点,广泛应用于国家及省市级的主干通信网络、有线电视网络及高速宽带计算机网络。而在视频监控系统中,光纤传输也已成为长距离音视频及控制信号传输的首选方式。但光纤传输需专门的技术人员负责光纤熔接及设备维护方面的工作,另外对于近距离监控信号传输不够经济。

  举例来说,高清意味着需要更高带宽。一般认为,H.264编码D1(720×576)画质的码流为2M左右,那么以1080P计算,画面尺寸约是D1的5倍,简单计算,码流也是5倍。因此,H.264编码的一个1080P高清画面所用带宽约为10M,与D1画质的MPEG2相当。由此可以看出,对于“高清”,网络传输并没有特别的要求。不过有一点必须指出,目前的互联网是不能够承载高清画质的,必须是专网甚至光纤。相比模拟传输,数字网络传输高清视频具有得天独厚的优势。

  

      当然,由于高清占用了更高的网络带宽,在组建高清系统特别是大路数高清系统时对于网络带宽的使用还是应该精打细算。例如,如果使用100M以太网,实际上同时只能承载5路左右的高清图像(考虑到以太网的碰撞侦听特性)。如果同一视频源有多个用户访问,占用的带宽会更大。因此对于系统设计、组播、转发等技术的使用就显得尤为重要。

6、高清显示技术

  后端的显示设备一般分为CRT、LCD、PDP三种。受高清电视技术发展的影响,监控显示设备的高清化速度非常快。

  CRT器件以其亮度高、反差大、色彩还原好、图像细腻等优势,一直保持着高指标、高质量的水平,是三种器件中观看效果最好的。但由于受到自身重量、体积等因素影响,CRT监视器一般用于技术监看,适用于对图像总体质量的最终把握。而LCD、PDP器件由于采用逐点显示方式,没有回扫线,具有图像细腻、无闪烁现象,不易造成视觉疲劳的优势。其中,LCD监视器以轻薄、省电为特色,PDP以高亮度、大尺寸闻名。

  但三种显示器件也都存在各自的缺点。CRT最主要的问题是体积庞大、耗电高、容易磁化。PDP的主要问题是小尺寸屏幕加工困难、屏幕发热、有烧蚀。LCD的主要问题是亮度不高、有延时。

  高清效果必须使用大尺寸显示器才能表现出来。真正达到1920×1080分辨率的监视器,LCD最小尺寸至少20英寸,PDP最小50英寸,CRT至少20英寸以上。

  在轨道交通、平安城市等大型图像联网指挥中心,大都使用了拼接大屏。目前拼接屏中DLP最成熟,但LCD的拼接系统也在逐渐抢占市场。LCD拼接系统目前有个2cm左右缝技术没有解决,因此在高端使用有些受限。单从清晰角度来说,LCD完全可以满足1080p的使用要求。

  现在一些新的显示技术带来了产品的不断升级,如索尼OLED高清屏仅0.3mm厚,日本NICT推出裸眼可视3D显示产品,还有适用于柔性显示的EPD等技术将逐渐把各种显示技术应用到产品,适应于工作、生活的各方面。这些产品无一不把高清放在最重要的位置,未来的高清显示产品将会拥有更加地多种多样、多姿多彩的市场,也必将渗透到监控领域之中。

  同时,高清接口也有了DVI或HDMI等数字多媒体接口。

  DVI信号的传输完全采用了数字格式,保证了视频源到显示终端的传输过程中资料的完整性,可以得到更快捷的传输速度以及更清晰的影像。所以,具备DVI接口的显示终端都是数字显示终端。DVI接口有三种,分别是DVI-Digital(DVI-D)、DVI-Analog(DVI-A)和DVI-Integrated(DVI-I)。其不同之处在于DVI-D只支持数字显示的设备;而DVI-A类似于VGA接口,采用模拟信号传输;而 DVI-I则是同时支持数字显示和模拟显示,并且可以兼容使用DVI-D的设备。

  HDMI避免了DVI有着接口面积过大、不能传输音频等缺点,HDMI其最高传输速度虽然小于DVI(DVI可达8Gbps,HDMI为5Gbps,最高画质的HDTV信号传输需要2Gbps),但还支持八声道96kHz或单声道的192kHz的数码音频传输(支持Dolby Digital/DTS格式),无需单独使用音频连接线。同时其连接线的长度也可以达到20多米(DVI线在8米以上就会影响画质)。HDMI接口为19针,在针脚上和DVI兼容,只是采用了不同的封装,可以通过转换器兼容DVI接口。与DVI接口相比,HDMI不仅拥有更高带宽和更高分辨力等特性,还能集视频传输和音频传输于一身,大大简化了线缆连接设置。HDMI还能够向下兼容DVI,只要增加一个转接器,就能够实现两者的互连。因此,HDMI已于2007年取代了DVI在数字视频接口的统治地位。

7、高清的发展方向和前景

  首先,来看超高清技术的发展。日本在上世纪90年代就已研究出画面分辨率为7680x4320像素的超高清晰视频系统UHDV了,画质好得令人难以置信。因其扫描行可达4000以上,故新系统被命名为4000(4K行)扫描线超高清晰度视频系统。超高清是在高清基础上的发展,其清晰度比目前市场上最先进的高清电视还要高出16倍。当然,新一代超高清主要还是为大屏幕电视或电视墙设计,因为在常规尺寸的电视上,肉眼无法分辨超高清电视技术带来的画面质量的改善。在安防监控领域,采用JPEG2000编码技术的1600万像素IPC已经问世,可达到4872×3248的超高分辨率。

  其次,是激光显示技术的发展。显示技术在历经黑白、彩色和数字高清显示时代后,将迎来大色域显示时代。三枪CRT使显示产品由黑白显示走向彩色显示,较好地再现了客观世界。随着数字技术的发展,高解析度视频图像的压缩、传输以及解码技术在图像领域的广泛应用,视频信号也由模拟信号转变为数字信号,从而解决了高分辨率画面的传输带宽和画面稳定问题。然而,由于显示发光光源的制约,前三代显示技术仅能再现人眼所能识别的色彩空间的30,致使70的色彩无法通过显示让人们来感知,因此颜色的真实再现是下一代显示的关键。激光显示技术是以红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色激光为光源的显示技术,其充分利用激光波长可选择性和高光谱亮度的特点,使显示图像具有更大的色域表现空间,可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩,提供更具震撼的表现力。激光显示色域覆盖率可达90%,色彩饱和度为传统显示的100倍以上,同时完全继承数字高清时代的高分辨率、数字信号等特征,实现人类有史以来最完美的色彩还原。我国激光显示技术研究是国家863计划项目,目前技术上与世界同步。预计在2010年以后,激光显示大屏即将面世。

  再次,高清技术的发展将推动图像识别和智能分析技术的发展和应用,叫好不叫座的图像识别和智能分析技术一直未能得到业界普遍期待的大规模应用。主要原因是识别的精确度离用户的期待还有不小的差距,而图像的分辨率则是影响识别精确度的主要因素,高清监控技术的发挥和大规模市场应用将会为图像识别和智能分析技术的推广应用带来前所未有的机遇。如人脸识别技术的应用,目前主要应用于经特别设计的出入口通道等场合,每次也只能识别一张人脸,高清监控技术的应用将大大提高识别效率,拓展应用场合,如城市治安监控、银行营业厅监控、车站广场监控中的应用。

  此外,要注意的是,安防监控画面与电视电影画面的要求有着很大的差别。比如,在画面内容方面,电视讲究好看,色彩丰富,场景壮观;而监控则要求画面真实,关注的对象细致可察,并不讲究好看不好看。16:9的画面比例是国内外高清电视标准相同的指标,符合黄金分割,也符合人眼观赏的舒适感。但是,安防监控要的是对场景、目标的关注,对行为细节的体现,16:9是否真的符合监控场景需求还值得商榷。目前国内安防行业没有对高清监控的标准定义,许多厂家都在宣传自己的产品“高清”。对于电视而言,如果分辨率能达到1080p,就可以算是高清,但这一标准却未必完全适用于安防。高清是监控发展的必然趋势,但将来会有什么样的标准,或者说大家公认的高清会是什么概念,目前还没有定论。且让我们拭目以待,相信在未来三年,我们就能找到答案。

8、结束语

  随着不断提高的监控技术的发展,高清作为监控技术发展的主要方向之一,结合网络技术带来新的变革,在不断满足市场竞争需求的同时,趋向于一种理性的思考,高清监控正是以一种高姿态、高要求进入我们的世界。在不断发展的监控技术领域,高清监控也将是一颗璀璨的明星,它的光芒在重新审视着我们周围的世界。

 

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