淺析4K技術(shù)的集成應用

　　隨著(zhù)4K技術(shù)在廣播電視領(lǐng)域如火如荼的發(fā)展，近兩年4K技術(shù)也開(kāi)始拓展到安防領(lǐng)域，4K超高清監控引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，圍繞安防行業(yè)設計的4K產(chǎn)品逐漸開(kāi)始完善，各大主流安防企業(yè)開(kāi)始推出4K產(chǎn)品。那么4K技術(shù)要想真正集成進(jìn)視頻監控領(lǐng)域，還需要哪些技術(shù)儲備和產(chǎn)品支持呢?本文將就4K技術(shù)的起源、4K技術(shù)的應用落地化以及配套4K系統產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步討論。

　　一、4k的來(lái)源及優(yōu)勢

　　4K最早起源于電視行業(yè)，4K超高清電視的概念早在幾年前就被提出，并宣傳的如火如荼，因此人們對于4K的概念其實(shí)并不陌生。很多時(shí)候，我們視頻監控行業(yè)的發(fā)展也是緊隨著(zhù)電子消費類(lèi)市場(chǎng)的腳步，例如電視機分辨率的演變經(jīng)歷了標清的CRT顯像管電視→720P高清背投電視→1080P全高清平板電視，再到現在非常熱門(mén)的4K超高清電視;而反觀(guān)我們視頻監控行業(yè)攝像機的發(fā)展也經(jīng)歷了標清的模擬攝像機→720p高清網(wǎng)絡(luò )攝像機→1080p全高清網(wǎng)絡(luò )攝像機，現在各大廠(chǎng)商也相繼推出了自己的4K超高清網(wǎng)絡(luò )攝像機產(chǎn)品。因此，不管在哪個(gè)領(lǐng)域，人類(lèi)對于高清的追求都是永無(wú)止境的。

　　4K常見(jiàn)的分辨率有3840×2160和4096×2160像素2種規格。“4K”名稱(chēng)就來(lái)源于其水平方向的像素數，4K分辨率相當于4個(gè)1080P或8個(gè)720P。4K攝像機就是分辨率為800萬(wàn)像素的攝像機，其超高清的分辨率讓其在未來(lái)的監控市場(chǎng)發(fā)展中具有非常大的優(yōu)勢。首先，4K攝像機可以很好地縱覽全局，當隨機事件發(fā)生，各個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)可以用同一臺攝像機在同一幅圖像中找到各自感興趣的點(diǎn)，并且在經(jīng)過(guò)多級放大后，仍能得到高清的細節畫(huà)面。因此4K攝像機可以在不改變攝像機數量、焦距、角度的條件下，進(jìn)行全天候、全場(chǎng)景下的監控。4K畫(huà)面的豐富細節，可以讓我們各個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)進(jìn)行信息共享，同一個(gè)場(chǎng)景下，不用為了看清不同區域而架設多臺攝像機，在一定程度上也節約了投資成本，讓可視化管理更高效、聯(lián)動(dòng)響應更及時(shí)、安全系統更有保障。

　　二、4k面臨的主要問(wèn)題

　　目前4K技術(shù)的普及面臨的最主要問(wèn)題，是其超高清分辨率帶來(lái)的超大帶寬占用和超高存儲成本。而現有的編碼算法H.264從其發(fā)布至今已經(jīng)有十多個(gè)年頭了，但在未來(lái)的超高清時(shí)代，利用現有的編碼方式，可能需要8-16M的超大碼率才能保證圖像質(zhì)量，這對于帶寬或存儲都是很大的壓力。在這樣的背景下，需要有比H.264更高效的視頻壓縮標準來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)視頻高清化的發(fā)展。

　　早在2010年初，JVT-VC小組就正式開(kāi)始著(zhù)手下一代視頻壓縮標準的定制，并于2013年定稿發(fā)布，命名為HEVC(HighEfficiencyVideoCoding),隨后分別被ITU-T和ISO/IEC采納成為國際標準,也就是H.265視頻壓縮標準。最新的H.265標準基本繼承了H.264的框架，但是其中采用了大量全新的技術(shù)。在高清分辨率下，這些新技術(shù)的使用可以使H.265的壓縮性能相比H.264提升一倍，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是相同視頻質(zhì)量下，高清視頻所需要的傳輸帶寬或者存儲空間則為H.264的一半左右。從客觀(guān)效果測試提升上來(lái)看，測試結果表明，H.265在1080P分辨率下相比H.264碼率降低40%～50%，在720p下相比降低30%～40%。

　　而且，更值得我們欣慰的是，H.265由于其算法本身的特點(diǎn)，在4K這種更高分辨率的編碼處理上效率會(huì )更高。由此可以看出，H.265必然會(huì )成為未來(lái)4K，甚至8K分辨率的最佳選擇。其實(shí)，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有支持H.265的4K攝像機和4K的NVR推出了，相信未來(lái)也會(huì )成為4K領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

　　三、4k系統的發(fā)展要求與前景

　　4K在廣播電視行業(yè)興起時(shí)，得益于4K芯片的量產(chǎn)，再到大量涌現支持4K解碼顯示的機頂盒或互聯(lián)網(wǎng)電視盒子、4K投影儀、4K藍光播放器，甚至支持4K的手機終端等產(chǎn)品。此外，傳統的PC芯片或顯卡廠(chǎng)家如Intel、AMD、NVIDIA等也紛紛在其GPU中集成4K的處理能力，正是由于這些4K應用產(chǎn)業(yè)鏈的完善，才加速4K應用的普及。

　　那么，在安防領(lǐng)域，4K最早應該算是從智能交通行業(yè)開(kāi)始，因為在交通領(lǐng)域，需要較大分辨率的攝像機來(lái)監控多個(gè)車(chē)道的車(chē)輛情況，這樣可以提高對車(chē)道的覆蓋范圍。從2011年開(kāi)始，國內的一些智能交通廠(chǎng)家開(kāi)始陸續推出800萬(wàn)像素，甚至千萬(wàn)像素的高清電警卡口相機，但是由于傳感器能力以及后端Soc芯片處理能力的限制，一般只能實(shí)現5-15幀/秒的處理能力。

　　近兩年來(lái)，隨著(zhù)支持4K編碼的低成本SoC芯片以及支持800萬(wàn)像素的CMOS傳感器的推出，4K攝像機也逐漸開(kāi)始普及，目前，國內主流的安防廠(chǎng)家都已經(jīng)推出了支持4K的IPC產(chǎn)品。

　　不過(guò)，4K技術(shù)要想真正與視頻監控行業(yè)完美融合，還需要一些磨合和探索。因為4K要解決的不是單個(gè)產(chǎn)品，而要集成整套視頻監控系統。高清到超高清所跨越的也不僅僅只是分辨率上的難關(guān)，4K技術(shù)對圖像采集、編解碼、傳輸、顯示、存儲和處理等一系列集成環(huán)節都提出了更高的要求。擁有齊全的4K一站式產(chǎn)品解決方案，已經(jīng)成為4K普及化的最重要的基礎。那么，何為齊全的4K一站式產(chǎn)品解決方案?

　　第一，更高解像力的鏡頭。4K攝像機配套鏡頭至少需要達到800萬(wàn)以上解像力，才能充分發(fā)揮出4K攝像機的效果，如果用200萬(wàn)像素的鏡頭去搭配4K的攝像機，那么我們得到的畫(huà)面將仍然是200萬(wàn)像素的。而目前市場(chǎng)上真正達到800萬(wàn)以上解像力的鏡頭很少而且成本高，適合安防應用的更是鳳毛麟角。所幸有些具有鏡頭自主研發(fā)實(shí)力的大廠(chǎng)家，通過(guò)自主光學(xué)設計，推出了國產(chǎn)品牌的、適用于安防行業(yè)的專(zhuān)業(yè)級超高清鏡頭，既滿(mǎn)足了4K攝像機的匹配需求，同等效果下，價(jià)格上也比國際品牌更具競爭力。

　　第二，更高的網(wǎng)絡(luò )傳輸帶寬和更大的存儲容量。在安防應用中，一般傳輸1080P高清H.264碼流，需要2-4Mbps左右的帶寬，在H.264編碼下，4K分辨率目前至少也需要8-16Mbps甚至更高的帶寬才能達到較好的圖像效果。同樣，高帶寬的視頻對存儲空間也提出更高的要求。

　　第三，更高性能的編碼芯片。要想緩解4K分辨率造成的高帶寬和大存儲容量的壓力，就需要對目前的H.264編碼性能進(jìn)行深度優(yōu)化，或者依賴(lài)于新的H.265編碼標準的普及。目前，已有廠(chǎng)家開(kāi)始針對安防行業(yè)的特殊應用場(chǎng)景對H.264編碼器進(jìn)行優(yōu)化，使之也可以在4K分辨率下保持較低的碼率。而后續隨著(zhù)支持H.265編碼的4K芯片的普及，超高清編碼性能將得到質(zhì)的提升，是整體升級、一步到位的解決方案。

　　第四，更強的后端解碼和顯示能力。對于后端解碼顯示設備，處理4K分辨率視頻需要更多的計算處理能力。隨著(zhù)性能的提升，縱然現在的解碼設備還不具備解碼多路4K攝像機的能力，但集中力量解一路視頻還是沒(méi)問(wèn)題的。另外，各大主流監控廠(chǎng)商已相繼推出了自己的4KNVR產(chǎn)品，作為4K超高清攝像機的完美搭檔，能夠接入4K分辨率的超清網(wǎng)絡(luò )攝像機，在不進(jìn)行縮放的前提下對4K圖像進(jìn)行預覽、錄像、解碼回放和顯示輸出。4K顯示輸出，相當于每個(gè)1/4分割畫(huà)面，都會(huì )支持200萬(wàn)像素，這對于NVR領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，也是一個(gè)新的高度。

　　第五，更高分辨率的顯示設備。由于4K在電視機行業(yè)的快速發(fā)展，4K監控系統中最早出來(lái)的就是4K的大屏，84英寸的4K面板解決方案已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，大尺寸顯示屏要想實(shí)現畫(huà)面的精細顯示，超高分辨率是必備要素，因此4K的顯示屏成為了整個(gè)4K系統的先行者。

　　第六、更強的視頻處理能力。4K相當于4個(gè)1080p的分辨率，同樣大小的物體像素數比1080p多了4倍，因此能夠更充分地顯示細節，但同時(shí)要處理這些更豐富的細節也需要更強的計算處理能力，比如對圖像增強、透霧、3D降噪等圖像方面，以及對視頻濃縮播放、視頻后檢索、人臉識別、車(chē)牌識別等視頻的智能分析如都將提出更高的要求。

　　通過(guò)前面的分析可以看出，目前4K技術(shù)從視頻采集、編解碼、傳輸到后端顯示上墻等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都在逐步完善中，在個(gè)別環(huán)節如鏡頭、編碼技術(shù)等方面還存在一些技術(shù)瓶頸有待突破，但是我們有理由想信，4K的前景還是美好的，4K的普及化、集成化也不會(huì )太遙遠。

　　四、結語(yǔ)

　　人們對高清的追求是永無(wú)止境的，4K只是順應時(shí)代需求的必然產(chǎn)物。理論上來(lái)說(shuō)，4K仍是高清浪潮的延續，但是4K帶來(lái)的卻不僅僅只是分辨率的增加，因為要真正實(shí)現4K的超高清監控，是需要集成一系列視音頻編解碼、圖像處理、智能分析等技術(shù)來(lái)支撐的，這也從另一方面推動(dòng)了整個(gè)監控行業(yè)技術(shù)的快速變革。目前4K產(chǎn)品在安防中處于高端產(chǎn)品的地位，隨著(zhù)HEVC芯片的推出和普及以及整個(gè)4K產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，有理由相信，在未來(lái)的幾年內，4K產(chǎn)品帶來(lái)的細致入微的超清晰監控效果，將會(huì )引領(lǐng)視頻監控市場(chǎng)進(jìn)一步步入高清、超高清時(shí)代。