4K近在眼前 突破技术壁垒未来道路清晰
- 来源：数字音频网工程
- 2014/11/18 9:14:591861
超高清监控技术的优越性
4K摄像机指的是800万像素级的超高清摄像机，其分辨率有3840×2160和4096×2160像素2种规格。4K分辨率相当于4个1080P或者8个720P的分辨率。画面自然更清晰、更贴近真实。1080P图像中远处的车牌信息已经模糊，而4K图像中依然可以清晰分辨。
除此意外，4K技术还有两方面的优势。一方面，由于4K画面的信息量是1080P的四倍，基于更多的信息量，就能实现更准确的智能分析，4K一旦大规模部署，智能分析的准确率就能上升一个新台阶，而且也会有更丰富更令人惊喜的智能应用得以实现；另一方面，在保证相同清晰度的情况下，4K摄像机覆盖的区域其实是1080P摄像机覆盖区域的4倍，也就是说在一个场景中，如果你觉得1080P的画面足够清晰了，你可以用一台4K摄像机替换掉4台1080P摄像机，节省点位数量从而降低整体成本。
亟待突破的技术壁垒
虽然好处多多，但超高清技术是否真的已经成熟了呢?超高清摄像机是否可以大规模投入使用了呢?其实不然！4K摄像机普及面临的主要问题是其超高清分辨率带来的超大带宽占用和超高存储成本。超高清监控从来都不只是监控摄像机的超高清，而应该是整个监控系统的超高清，其涉及到采集、编码、传输、存储、解码显示五个方面，进入“超高清时代”仍存在很多的技术壁垒需要攻破，这主要体现在五个方面。
采集——超低照度时，彩色图像效果不佳
以4K为例。从4K的定义中可以很明显看到的一点是，由于Sensor上集成像素点的增加，在正常光照环境下4K摄像机能提供更高清的图像，细节还原更贴近真实。但受到Sensor靶面面积的限制，随着像素点数量增加，单个像素点的感光面积反而减小，所以在超低照度成像上4K摄像机远远不如目前的1080P摄像机，这是目前所有4K摄像机面临的一个关键问题。自然，8K摄像机的彩色超低照成像效果会更不尽如人意。
编码——H.265芯片限制
从技术方面来讲，H.265标准是在现有的主流视频编码标准H.264的基础上做了升级：保留成熟的技术，同时对一些其他的技术进行改进，旨在低带宽下传输更高质量的视频流。结果表明，在压缩率上H.265相较于H.264提高了近一倍，即仅需原先的一半带宽即可传输相同质量的视频，同时H.265标准也满足4K和8K超高清视频的传输编码需求。可以说，H.265标准让视频编码跟上了采集端与显示端的“超高清化”的脚步。
但即便H.265编码技术已经日渐成熟，在H.265编码技术的落脚点——芯片上，却还存在诸多掣肘：一方面，H.265技术新出来不久，市场化比较低，很多芯片厂商都只是试水这个市场，并未大规模投入生产;另一方面，就目前已发布的几款H.265芯片来看，相关的软硬件成本偏高，还涉及到大量的研发及测试成本，性价比达不到用户的要求，还不能被市场接受。所以我们目前依然在用以H.264为主流的高清编码技术，H.265技术要成为主流仍需待以时日。
H.264已经是非常成熟的编码标准了，特别是H.264HighProfile能把主流的1080P高清视频流压缩成4M甚至2M的码流进行传输，效果非常不错，可一旦前端全部升级到超高清摄像机之后，以4K举例，通过H.264HighProfile编码也还需要至少10M的带宽，
对于这么大的码流，仅一路实况加一路存储，已经让监控网络望而却步了。若一旦发生突发事件，更多的客户端来并发请求某一路实况流，传统的流媒体架构会出现很大的性能问题，流媒体服务器的转发性能、出入口带宽都亟待提高。在很多行业中，监控系统还有明显的上下级架构，以金融行业为例，在总行与分行、分行与各网点之间就是常见的上下级域关系，目前的情况是大部分的域间带宽不足，不能支持多路4K码流的调用，4K应用要进入这些行业需要对基础网络做整体升级。
存储——成本倍增
在存储容量方面，由于码流翻倍、磁盘消耗翻倍，也就意味着相同的点位数需要投入两倍于原先的硬盘数量。另一方面，每个IPSAN或NVR都存在写入/读取的性能限制，在码流翻倍的情况下同一台设备能并发处理的路数会减半，也就是说需要更多的IPSAN或NVR了。总而言之，由于在编码技术上的限制导致码流的翻倍，而码流的翻倍则需要投入成倍的硬盘、IPSAN及NVR，无形中整体建设成本又增加了不少。
解码——4K解码尚未成熟
后在解码显示端，可细分成解码与显示两个部分。
目前的高清解码器普遍以1080P、720P及标清解码输出为主，4K解码才刚起步不久，整个市场中4K解码器还并不多。除了款型的选择不多外，4K解码器的性能也偏弱，能并发解16路1080P图像的解码器已经非常成熟，但能并发解16路4K图像的解码器还离我们非常遥远。
在显示端，虽然4K电视异常火爆，大大小小的品牌任君挑选，但在安防行业，目前还没有4K监视器或拼接屏，所以在监控室里4K图像解码上墙暂时还需要通过其他途径来解决。
解决之道日渐清晰
从前面的分析来看，似乎超高清监控的普及还有非常遥远的一段路要走，但知道技术难点在哪里就已经成功了一半，剩下的就是找到对应的解决方法。
首先在彩色超低照成像方面。两年前安讯士刚推出“觅光者”技术时，也只是在标清摄像机上应用，没能在高清上普及的主要原因就是像素越高技术实现越难，但两年后的今天，1080P的彩色超低照成像已经非常成熟，相信不久之后，4K的彩色超低照成像问题也能得到解决。
其次在H.265芯片上，从目前的技术发展来看，H.265芯片的成熟只是时间问题，一旦H.265芯片产品成熟，前端超高清摄像机出来的将会是低带宽高质量的视频流，监控网络及后端存储性能上的问题也会得到缓解。而在服务器、IPSAN、NVR、解码器的性能问题上，除了通过H.265编码来缓解，终可以通过计算机硬件技术的发展来彻底解决。而计算机硬件技术作为发展迅猛的技术之一，硬件的性能每年都在提升，相信过了H.265技术带来的这个缓冲时间段，一切硬件性能问题都将不复存在。
后在显示端，从技术角度来讲，家用电视与监控大屏并没有太大差异，4K电视的成熟必定会促进安防监视器及拼接屏的发展，预计在不久的将来，监控室里4K大屏也将得到批量应用。
可以看到前文提到的这些技术壁垒都可以在一定时间后得到解决，可以说在未来超高清监控的应用不是问题，那么在当下超高清监控应用是否具有可行性呢?答案是肯定的，这也是为什么有部分大厂商相继推出4K超高清摄像机的原因。
在一个监控系统中，对前端成百上千个监控点位按重要性排序，必然能提取出受关注的几个重要点位，可能是一个广场，可能是一条主干道，可能是一个警戒区等等，对于普通的点位以1080P或者720P的清晰度已经足够满足现阶段用户的需求了，而对于这些重要点位，使用4K超高清摄像机就能达到非常好的视觉效果，在夜晚配合补光灯也不会影响低照成像。
在编码上，目前并没有很好的方法优化，但很多监控系统的建设都是从无到有的，在设计基础网络的时候就可以考虑到这几个点位的高码流情况，所以在使用时便不会带来网络性能瓶颈，而个别点位的高码流对整体存储的影响也微乎其微;在显示端，大屏拼接技术已经非常成熟，而4K图像的上墙完全可以通过4块1080P大屏以2×2的拼接方式来解决，也能获得不错的上墙显示效果。
结语
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。