近兩年來，4K技術(shù)逐漸從廣播電視領(lǐng)域拓展到安防及其它領(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)計的4K產(chǎn)品逐漸開始完善，部分安防企業(yè)開始推出4K產(chǎn)品。但是，在高清尚未完全普及的今天，作為超高清技術(shù)的4K是否有推廣的必要?4K超高清的關(guān)鍵技術(shù)是什么?4K超高清監(jiān)控產(chǎn)品的出現(xiàn)會對監(jiān)控系統(tǒng)提出哪些要求?本文將就4k技術(shù)的概念、發(fā)展以及在安防中的應(yīng)用進行一些闡述。

　　4K是什么

　　4K技術(shù)首先發(fā)展于電視領(lǐng)域。2012年5月，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了BT.2020“超高清電視UHDTV”標(biāo)準(zhǔn)的建議，將屏幕物理分辨率達(dá)到3840×2160及以上的電視稱之為超高清電視，因此4K又稱為2160P。

　　值得留意的是，BT.2020標(biāo)準(zhǔn)也將8K(7680×4320)納入超高清標(biāo)準(zhǔn)。同時可以發(fā)現(xiàn)所有超高清標(biāo)準(zhǔn)的影像都是基于逐行掃描的，經(jīng)歷近百年的隔行掃描技術(shù)在超高清時代退出了歷史舞臺。在色彩方面，BT.2020標(biāo)準(zhǔn)相對于之前的Rec.709標(biāo)準(zhǔn)作出了大幅度的改進。比如色深方面由Rec.709標(biāo)準(zhǔn)的8bit提升至10bit或12bit，其中10bit針對的是4K系統(tǒng)，12bit則是針對8K系統(tǒng)。這一提升對于整個影像在色彩層次與過渡方面的增強起到了關(guān)鍵的作用。色深標(biāo)準(zhǔn)的變化同時導(dǎo)致調(diào)整畫面最佳動態(tài)范圍的標(biāo)準(zhǔn)也產(chǎn)生了變化。BT.2020標(biāo)準(zhǔn)定義的超高清系統(tǒng)除了在分辨率、刷新率、色彩深度上進行了提高，還在色彩空間、伽瑪校正等方面進行了調(diào)整，特別是色域三角形方面的擴展，使畫面的色彩表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于高清系統(tǒng)。

　　傳輸接口方面，支持4K的傳輸接口目前主要有HDMI和Display Port(DP接口)兩種，其中HDMI 1.4a可以支持的4K分辨率規(guī)格最高為4096×2160@24Hz或3840×2160@30Hz;最新的HDMI2.0則可以支持60Hz的4K分辨率傳輸;而DP1.2標(biāo)準(zhǔn)最高可以支持60Hz的4096×2160以及3840×2160分辨率。

　　另外，提到4K技術(shù)，不得不提及HEVC。因為伴隨高分辨率而來的是高的傳輸帶寬以及大容量的存儲需求，4K技術(shù)的推出，給視頻數(shù)據(jù)的存儲和傳輸帶來了很大的壓力，而HEVC就是在視頻應(yīng)用不斷向高清晰度、高幀率、高壓縮率方向發(fā)展的背景下應(yīng)運而生。2013年1月25日，ITU-T正式宣布HEVC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。新的HEVC標(biāo)準(zhǔn)仍然基于傳統(tǒng)的混合視頻編碼框架，但該框架中每個模塊都有技術(shù)創(chuàng)新，包括靈活的塊劃分模式、基于競爭的運動視頻預(yù)測、高效的自適應(yīng)算術(shù)編碼以及波形并行處理技術(shù)等——這些新技術(shù)使得HEVC的壓縮效率比其前一代

　　H.264/AVC提高了近一倍。另外，H.265最高支持8K(8192×4320)超高清視頻，在資源充足的場景下可以提供更舒適的視頻及應(yīng)用效果。

　　4K的行業(yè)發(fā)展

　　4K技術(shù)的發(fā)展在4K電視上表現(xiàn)得最為活躍。近幾年來，隨著4K標(biāo)準(zhǔn)的確定，創(chuàng)維、長虹、康佳、夏普、索尼、三星、海信等傳統(tǒng)電視廠商紛紛推出4K電視，2013年尤為突出，得益于4K液晶屏的批量化，4K電視市場出現(xiàn)了百花齊放的局面。另外值得注意的是，近一段時間以來，不少通信和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如樂視、愛奇藝、小米等也在盡力通過進入4K電視搶占“客廳”市場，推出低價的4K互聯(lián)網(wǎng)電視，對傳統(tǒng)電視形成了不小的沖擊。目前市面上4K電視的價格甚至低到3000以內(nèi)，價格的下降也在一定程度上帶動了用戶需求的增多，而且隨著市場的逐步普及，將會形成價格和應(yīng)用之間的一個良性循環(huán)。

　　除了電視以及顯示終端的普及外，縱觀消費類電子和廣電行業(yè)，4K技術(shù)可以說是發(fā)展迅猛，這在近幾年的CES消費電子展上就可以看出來，4K一直是這幾屆CES展會的一大主題，各種4K設(shè)備層出不窮。比如，在4K攝像機方面，Sony、佳能、red one等廠家都已經(jīng)推出支持4K的專業(yè)攝像機和家用攝像機，甚至一些消費類電子廠家如GoPro亦推出了支持4K分辨率的頭戴式攝像機產(chǎn)品。芯片廠家如高通、NVIDIA、Broadcom、MTK、愛立信等近兩年都推出了支持4K分辨率的芯片，而且大部分都支持HEVC解碼。一些廠商，如高通和MTK甚至在最新的芯片產(chǎn)品中聲稱支持HEVC的4K×2K編碼。

　　支持4K芯片的量產(chǎn)促進了整個4K行業(yè)的蓬勃發(fā)展，市面上開始大量涌現(xiàn)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(lán)光播放器、甚至支持4K的手機終端等產(chǎn)品。此外，傳統(tǒng)的PC芯片或顯卡廠家如Intel、AMD、NVIDIA等也紛紛在其GPU中集成4K的處理能力，這些對于完善整個4K應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈，加速4K應(yīng)用的普及都起到了很好的推動作用。

　　4K在安防領(lǐng)域的應(yīng)用

　　隨著4K技術(shù)在廣電和消費類電子行業(yè)如火如荼的發(fā)展，安防行業(yè)也逐漸開始了對4K技術(shù)的重視。因為對于視頻監(jiān)控而言，圖像清晰度是最關(guān)鍵的特性之一，圖像越清晰，細(xì)節(jié)越明顯，觀看體驗越好。因此近幾年來，眾多安防企業(yè)在追求畫面清晰度上進行了孜孜不倦地探索，4K技術(shù)代表了高清視頻目前的最高點，已開始逐漸進入人們的視野。

　　4K超高清攝像機可以很好的縱覽全局，當(dāng)隨機事件發(fā)生，各個業(yè)務(wù)部門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，經(jīng)過多級放大后，仍能得到高清的細(xì)節(jié)畫面。因此4K攝像機可以在不改變攝像機數(shù)量、焦距、角度的條件下，進行全天候、全場景下的監(jiān)控。4K畫面的豐富細(xì)節(jié)，可以讓我們各個業(yè)務(wù)部門進行信息共享，同一個場景下，不用為了看清不同區(qū)域而架設(shè)多臺攝像機，另一方面也節(jié)約投資成本。讓可視化管理更高效、聯(lián)動響應(yīng)更及時、安全系統(tǒng)更有保障。近年來不少廠家開始紛紛推出4K的IPC產(chǎn)品，包括各類槍機、魚眼攝像機、甚至支持變焦的球機等等。

　　其實，4K最早在安防的實際應(yīng)用應(yīng)該從交通道路智能監(jiān)控開始，因為在交通領(lǐng)域，需要較大分辨率的攝像機來

　　監(jiān)控多個車道的車輛情況，這樣可以提高對車道的覆蓋范圍。從2011年開始，國內(nèi)的一些智能交通廠家開始陸續(xù)推出800萬像素，甚至千萬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，一般只能實現(xiàn)5-15幀/秒的處理能力。

　　近兩年來，隨著支持4K編碼的低成本SoC芯片的推出，以及支持800萬像素的CMOS傳感器的推出，4K攝像機也逐漸開始普及，目前，國內(nèi)主流的安防廠家都已經(jīng)推出了支持4K×2K的IPC產(chǎn)品，而且隨著4K在消費類行業(yè)中應(yīng)用的風(fēng)生水起，安防行業(yè)對4K的期望也開始越來越高。

　　然而，4K與安防究竟能否很快地實現(xiàn)結(jié)合，4K在安防行業(yè)內(nèi)能否快速部署和應(yīng)用，應(yīng)該說還是需要進行全面分析和探索的。就像由標(biāo)清時代過渡到高清1080P對監(jiān)控行業(yè)的影響一樣，相對于1080P高清，4K技術(shù)對圖像采集、編解碼、傳輸、顯示、存儲和處理等環(huán)節(jié)都提出了更高的要求。

　　1、更高解像力的鏡頭：作為4K×2K的IPC產(chǎn)品配套鏡頭至少需要達(dá)到800萬以上解像力，才能充分發(fā)揮出4K攝像機的效果，目前真正達(dá)到800萬以上解像力的鏡頭很少且成本高，適合安防應(yīng)用的支持變焦機芯鏡頭更是鳳毛麟角;

　　2、更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和更大的存儲容量：在安防應(yīng)用中，一般傳輸1080P高清H.264碼流，需要4Mbps左右的帶寬;在H.264編碼下，4K分辨率目前至少也需要12Mbps甚至更高的帶寬才能達(dá)到較好的圖像效果。同樣，高帶寬的視頻對存儲空間也提出更高的要求;

　　3、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編碼性能進行深度優(yōu)化，或者依賴于新的HEVC編碼標(biāo)準(zhǔn)的普及。目前，有不少廠家開始針對安防行業(yè)的特殊應(yīng)用場景對H.264編碼器進行優(yōu)化，使之也可以在4K分辨率下保持較低的碼率。而對于HEVC，由于其編碼復(fù)雜度較高，目前幾個主流的安防行業(yè)芯片廠家如海思、TI及安霸都還沒有HEVC的芯片方案推出，HEVC的編碼還需要依賴高性能DSP或高成本的FPGA實現(xiàn)，這對于追求性價比的安防行業(yè)顯然是難以接受的;

　　4、更強的后端解碼和顯示能力：對于后端解碼顯示設(shè)備，處理4K分辨率視頻需要更多的計算處理能力。目前采用NVIDIA的Kepler架構(gòu)、AMD的GCN架構(gòu)或者更新架構(gòu)的獨立顯卡都能支持輸出4K分辨率的解碼顯示，集顯平臺方面則要用到Intel的Haswell架構(gòu)處理器或者是AMD的Kaveri APU;

　　5、更大分辨率的顯示設(shè)備：顯示設(shè)備必須至少具有4K物理像素，才能無損的呈現(xiàn)4K圖像的效果。在拼接顯示方面，由于DLP和PDP兩種拼接技術(shù)實現(xiàn)不了經(jīng)濟可靠的4K產(chǎn)品，4K拼接短期內(nèi)很難普及，雖然4K液晶拼接是現(xiàn)在的一個熱點，但是對于在大型拼接墻中單一的單元分辨率提升的價值，業(yè)界看法并不一致;

　　6、更強的視頻處理能力：對于4K分辨率的監(jiān)控圖像，畫面中的物體像素數(shù)更多，細(xì)節(jié)呈現(xiàn)更充分，但同時也需要更大計算能力處理這些更豐富的細(xì)節(jié)，這對于安防應(yīng)用中對圖像的處理如圖像增強、去霧等，以及對視頻的智能分析如視頻濃縮、數(shù)據(jù)檢索、人臉識別等都將提出更高的要求。

　　從前面應(yīng)用分析可以看出，目前4K技術(shù)從采集、編解碼、傳輸?shù)胶蠖孙@示上墻等整個產(chǎn)業(yè)鏈還沒有完善，特別在4K圖像的采集和編碼方面還存在較大的技術(shù)瓶頸，從技術(shù)層面上說，4K在安防行業(yè)的推廣將和HEVC的普及緊密相關(guān)。其次，由于在安防應(yīng)用中，4K技術(shù)不會帶來革命性的差異化，而且目前720P和1080P高清的安防應(yīng)用普及程度還很一般，更多的已建安防系統(tǒng)還停留在標(biāo)清的水平上。因此我們認(rèn)為，4K對于安防領(lǐng)域而言，由于技術(shù)與成本的問題短期內(nèi)將不會產(chǎn)生很大的影響。

　　結(jié)語

　　安防行業(yè)高清化以及高清產(chǎn)品分辨率的不斷提升是安防行業(yè)的必然趨勢。4K技術(shù)與安防的結(jié)合，無疑是將高清化深度發(fā)展的必然結(jié)果。對于4K技術(shù)，盡管目前在安防行業(yè)應(yīng)用中存在技術(shù)和成本方面的瓶頸，但這并不影響它的應(yīng)用和發(fā)展。我們認(rèn)為，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4K產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，有理由相信，在未來的幾年內(nèi)，4K產(chǎn)品帶來的細(xì)致入微的超清晰監(jiān)控效果，將會引領(lǐng)視頻監(jiān)控市場進一步步入高清、超高清時代。

　　(文/鄢仁祥 蘇州科達(dá)科技股份有限公司系統(tǒng)部副經(jīng)理 )