文/程瑋

隨著4K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(jiān)控引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，圍繞安防行業(yè)設(shè)計(jì)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)要想真正應(yīng)用，還需要哪些技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn)品支持呢？本文就4K技術(shù)的起源、4K技術(shù)的應(yīng)用落地化以及配套4K系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步討論。

4K的來(lái)源及優(yōu)勢(shì)

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，并宣傳得如火如荼，因此人們對(duì)于4K的概念其實(shí)并不陌生。很多時(shí)候，我們視頻監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展也是緊隨著電子消費(fèi)類市場(chǎng)的腳步，例如電視機(jī)分辨率的演變經(jīng)歷了標(biāo)清的CRT顯像管電視→720P高清背投電視→1080P全高清平板電視→目前非常熱門(mén)的4K超高清電視，而反觀我們視頻監(jiān)控行業(yè)攝像機(jī)的發(fā)展也經(jīng)歷了標(biāo)清的模擬攝像機(jī)→720p高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)→1080p全高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，現(xiàn)在，各大廠商也相繼推出了自己的4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品。因此，不管在哪個(gè)領(lǐng)域，人類對(duì)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(guī)格?！?K”名稱就來(lái)源于其水平方向的像素?cái)?shù)，4K分辨率相當(dāng)于4個(gè)1080P，8個(gè)720P。4K攝像機(jī)就是分辨率為800萬(wàn)像素的攝像機(jī)，其超高清的分辨率讓其在未來(lái)的監(jiān)控市場(chǎng)發(fā)展中具有非常大的優(yōu)勢(shì)。首先4K攝像機(jī)可以很好的縱覽全局，當(dāng)隨機(jī)事件發(fā)生，各個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)可以用同一臺(tái)攝像機(jī)在同一幅圖像中找到各自感興趣的點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多級(jí)放大后，仍能得到高清的細(xì)節(jié)畫(huà)面。因此4K攝像機(jī)可以在不改變攝像機(jī)數(shù)量、焦距、角度的條件下，進(jìn)行全天候、全場(chǎng)景下的監(jiān)控。4K畫(huà)面的豐富細(xì)節(jié)，可以讓各個(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(qū)域而架設(shè)多臺(tái)攝像機(jī)，在一定程度上節(jié)約投資成本。讓可視化管理更高效、聯(lián)動(dòng)響應(yīng)更及時(shí)、安全系統(tǒng)更有保障。

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(chǔ)成本。而現(xiàn)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(xiàn)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(duì)于帶寬或存儲(chǔ)都是很大的壓力。在這樣的背景下，需要有相比H.264更高效的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)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)始著手下一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的定制，并于2013年定稿發(fā)布，命名為HEVC(High Efficiency Video Coding),然后分別被ITU-T和ISO/IEC采納成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),也就是H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。最新H.265標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)空間則為H.264的一半左右。從客觀效果測(cè)試提升上來(lái)看，測(cè)試結(jié)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)相繼推出了支持H.265的4K攝像機(jī)和4K的NVR，相信未來(lái)也會(huì)成為4K領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

4K的系統(tǒng)組成

在安防領(lǐng)域，4K最早應(yīng)該是從智能交通行業(yè)開(kāi)始，因?yàn)樵诮煌I(lǐng)域，需要較大分辨率的攝像機(jī)來(lái)監(jiān)控多個(gè)車道的車輛情況，這樣可以提高對(duì)車道的覆蓋范圍。從2011年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的一些智能交通廠家開(kāi)始陸續(xù)推出800萬(wàn)像素，甚至千萬(wàn)像素的高清電警卡口相機(jī)，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(xiàn)5-15幀/秒的處理能力。

近兩年來(lái)，隨著支持4K編碼的低成本SoC芯片的推出，以及支持800萬(wàn)像素的CMOS傳感器的推出，4K攝像機(jī)也逐漸開(kāi)始普及，目前，國(guó)內(nèi)主流的安防廠家都已經(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(jiān)控行業(yè)完美融合，還需要一些磨合和探索。因?yàn)?K要解決的不是單個(gè)產(chǎn)品，而是整套視頻監(jiān)控系統(tǒng)。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(duì)圖像采集、編解碼、傳輸、顯示、存儲(chǔ)和處理等一系列環(huán)節(jié)都提出了更高的要求。能否擁有齊全的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(chǔ)。

第一、更高解像力的鏡頭。4K攝像機(jī)配套鏡頭至少需要達(dá)到800萬(wàn)以上解像力，才能充分發(fā)揮出4K攝像機(jī)的效果，因?yàn)槿绻?00萬(wàn)像素的鏡頭去搭配4K的攝像機(jī)，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(dá)到800萬(wàn)以上解像力的鏡頭很少而且成本高，適合安防應(yīng)用的更是鳳毛麟角。所幸有些具有鏡頭自主研發(fā)實(shí)力的大廠家，通過(guò)自主光學(xué)設(shè)計(jì)，推出了國(guó)產(chǎn)品牌的、適用于安防行業(yè)的專業(yè)級(jí)超高清鏡頭，既滿足了4K攝像機(jī)的匹配需求，同等效果下，價(jià)格上也比國(guó)際品牌更具競(jìng)爭(zhēng)力。如安防行業(yè)龍頭企業(yè)?？低暎?014年10月發(fā)布了一款大靶面（1/1.7英寸）4K鏡頭，這款鏡頭支持1200萬(wàn)像素，能提供超清晰的圖像細(xì)節(jié)，同時(shí)達(dá)到165度超廣視角，很適合于廣場(chǎng)、道路等場(chǎng)景的監(jiān)控需求。

第二、更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和更大的存儲(chǔ)容量。在安防應(yīng)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(dá)到較好的圖像效果。同樣，高帶寬的視頻對(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)容量的壓力，就需要對(duì)目前的H.264編碼性能進(jìn)行深度優(yōu)化，或者依賴于新的H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)的普及。目前，已有廠家開(kāi)始針對(duì)安防行業(yè)的特殊應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)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(xù)，隨著支持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(jí)，一步到位的解決方案。

第四、更強(qiáng)的后端解碼和顯示能力。對(duì)于后端解碼顯示設(shè)備，處理4K分辨率視頻需要更多的計(jì)算處理能力。隨著性能的提升，縱然現(xiàn)在的解碼設(shè)備還不具備解碼多路4K攝像機(jī)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(jiān)控廠商已相繼推出了自己的4K NVR產(chǎn)品，作為4K超高清攝像機(jī)的完美搭檔，能夠接入4K分辨率的超清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，在不進(jìn)行縮放的前提下對(duì)4K圖像進(jìn)行預(yù)覽、錄像、解碼回放和顯示輸出。4K顯示輸出，相當(dāng)于每個(gè)1/4分割畫(huà)面，都會(huì)支持200萬(wàn)像素，這對(duì)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(shè)備。由于4K在電視機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，4K監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)畫(huà)面的精細(xì)顯示，超高分辨率是必備要素，因此4K的顯示屏成為整個(gè)4K系統(tǒng)的先行者。

第六、更強(qiáng)的視頻處理能力。4K相當(dāng)于4個(gè)1080p的分辨率，同樣大小的物體像素?cái)?shù)比1080p多了4倍，因此能夠更充分地顯示細(xì)節(jié)，但同時(shí)要處理這些更豐富的細(xì)節(jié)也需要更強(qiáng)的計(jì)算處理能力，比如對(duì)圖像增強(qiáng)、透霧、3D降噪等圖像方面，以及對(duì)視頻濃縮播放、視頻后檢索、人臉識(shí)別、車牌識(shí)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?shù)胶蠖孙@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(jié)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，但是我們有理由相信，4K的前景還是美好的，4K的普及化、集成化也不會(huì)太遙遠(yuǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

人們對(duì)高清的追求是永無(wú)止境的，4K只是順應(yīng)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(xù)，但是4K帶來(lái)的卻不僅僅只是分辨率的增加，因?yàn)橐嬲龑?shí)現(xiàn)4K的超高清監(jiān)控，是需要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(jiān)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(nèi)，4K產(chǎn)品帶來(lái)的細(xì)致入微的超清晰監(jiān)控效果，將會(huì)引領(lǐng)視頻監(jiān)控市場(chǎng)進(jìn)一步步入高清、超高清時(shí)代。