在4K顯示市場，在以84英寸貴族型號開路后，55英寸等更適于普通家庭的4K產(chǎn)品在2013席卷市場，在經(jīng)過2014 各大國內(nèi)外的電視廠商的大力宣傳，4K電視進(jìn)入了普及期，在過去的兩年，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。

　　4K來源

　　4K最早來自于DCI數(shù)字電影推進(jìn)聯(lián)盟(Digital Cinema Initiative)，于2004年定義的數(shù)字影院清晰度DCI 4K(4096×2160像素，每秒24幀)。2012年，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了超高清電視(Ultra HDTV)的國際標(biāo)準(zhǔn)：ITU-RBT.2020，其標(biāo)志著UHD超高清開始步入正軌。實際上4K和UHD均是“超高清分辨率”(Ultra High Definition，縮寫為UHD或Ultra HD)。UHD超高清視頻系統(tǒng)定義為4K與8K兩個階段，其中4K的物理分辨率為3840×2160，總約830萬像素;而8K則為7680×4320，總約3320萬像素。4K支持幀率從24幀到120幀。在色深方面，由BT.709標(biāo)準(zhǔn)的8bit提升至10bit或12bit。這一提升對于整個視頻在色彩層次與過渡方面的增強(qiáng)起到了關(guān)鍵的作用。

　　在4K顯示市場，在以84英寸貴族型號開路后，55英寸等更適于普通家庭的4K產(chǎn)品在2013席卷市場，在經(jīng)過2014 各大國內(nèi)外的電視廠商的大力宣傳，4K電視進(jìn)入了普及期，在過去的兩年，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。

　　4K的優(yōu)勢

　　4K技術(shù)表現(xiàn)最顯著之處在于，其顯示分辨率的提升，使得畫面更加精細(xì)。影響畫面的精細(xì)度有兩個關(guān)鍵因素：一個是畫面的像素，另一個是畫面的垂直分辨率。畫面的像素越多，在相同尺寸的畫面上的像素就越精細(xì)，晶格就越小。而因為人眼對于視頻的垂直分辨率相當(dāng)敏感，越高的垂直分辨率，人眼就能辨識越多的細(xì)節(jié)與層次。4K技術(shù)在監(jiān)控領(lǐng)域里在提高像素的同時，又增強(qiáng)了畫面的垂直分辨率，使得畫面的細(xì)節(jié)和層次更加精準(zhǔn)。圖像更加清晰，細(xì)節(jié)更加豐富的4K高清攝像機(jī)可以創(chuàng)造出更多的客戶需求，那么對于安防廠商就意味著更多的市場機(jī)會，挖掘出一個新的營收或是利潤的增長點。

　　對安防廠商來說主要有如下幾點優(yōu)勢：

　　目前4K處于高速發(fā)展時期，4K的話題相當(dāng)熱門，但市場上4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本處于宣傳階段，真正量產(chǎn)的并不多。主要因為4K超高清圖像傳感器、圖像處理芯片、配套的鏡頭及相應(yīng)的4K顯示屏的成本較高。4K像素的增大導(dǎo)致芯片的計算能力大大增加也帶來了監(jiān)控設(shè)備功耗高、發(fā)熱量大等問題，非?？简灁z像機(jī)廠商的硬件設(shè)計能力。

　　其次，安防廠商，尤其是民用安防市場目前大多處于低端產(chǎn)品的價格血拼中，民用安防市場已經(jīng)處于一片紅海之中，利潤率不斷下滑，2014年不斷傳來小廠商破產(chǎn)的消息。4K超高清的需求或者說4K超高清的應(yīng)用，眾多廠商尚未找到真正的應(yīng)用場景。但4K超高清時代已經(jīng)來臨，這是不爭的事實。4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)最大的特點就是分辨率、解析度高，圖像畫質(zhì)細(xì)膩，監(jiān)控范圍廣，使其可以圖像處理技術(shù)對圖像局部信息綜合利用，提高圖像價值。4K攝像機(jī)非常適合于廣場、運動場館、機(jī)場、車站碼頭、海灘等人流密集場所的角范圍的監(jiān)控應(yīng)用;還有醫(yī)療手術(shù)中的高清視頻教學(xué)，風(fēng)景區(qū)及森林防火等對圖像清晰度有較高要求的場景，故4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)也極具應(yīng)用價值。

　　4K超高清設(shè)備比現(xiàn)有的高清1080P更高的清晰度，可以更有利于用戶對監(jiān)控信息進(jìn)行分析處理，獲取更多的有用信息。例如基于4K超高清的視頻分析：人臉識別，車牌設(shè)別等職能分析的結(jié)果會更加精確。4K超高清圖像的像素點的大大增加大大提高了視頻分析的計算量，十分考驗廠商的軟件設(shè)計能力。4K的發(fā)展以及在安防產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用必將推動整個安防視頻監(jiān)控行業(yè)進(jìn)一步普及，為高清安防帶來新的利潤增長點。

　　4K的挑戰(zhàn)

　　和民用4K不同，僅僅更換4K的顯示設(shè)備或攝像機(jī)是無法體驗到4K高清監(jiān)控帶來的清晰畫質(zhì)。4K技術(shù)在安防中普及和應(yīng)用需要一個全套的解決方案，他需要從采集、ISP處理、傳輸、顯示、存儲整套系統(tǒng)的支持。下面筆者從整個系統(tǒng)分析4K主要面臨的挑戰(zhàn)。

　　更強(qiáng)解像力的鏡頭

　　作為4K IPC產(chǎn)品配套鏡頭至少需要達(dá)到800萬以上解像力，才能發(fā)揮出4K攝像機(jī)的效果，而為了照顧到圖像四周的清晰度，真正充分體現(xiàn)4K效果，實際使用的鏡頭需是圖像分辨率的2倍以上，也就是1600萬。目前市場真正達(dá)到800萬甚至1600萬以上解像力的鏡頭很少且成本高，適合安防市場的鏡頭就更加稀少了。

　　更強(qiáng)的ISP處理能力

　　隨著像素的增多，對ISP處理芯片的處理能力有了更高的要求，現(xiàn)階段這類芯片比較少，主要是安霸的S2、S3和海思的3516A，相對與支持1080P的芯片來說成本較高，暫時還沒有成為市場上的主力。

　　更寬的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和更大的存儲容量

　　在主流的安防市場中，傳輸一路1080P高清H.264碼流，至少需要4Mbps左右的帶寬，在H.264編碼下，按照圖像大小計算，4K目前至少也需要16Mbps甚至更高的帶寬才能達(dá)到較好的圖像效果。同樣，高帶寬的視頻對存儲空間也提出更高的要求。但隨著H.265的推出，網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲容量問題相信會被逐漸解決，但現(xiàn)階段的H.265編碼在運動物體的細(xì)節(jié)方面還存在一定的問題。

　　更高性能的編碼芯片

　　相對于1080P圖像，4K的圖像像素增加了4倍，簡單計算的話，編碼的壓力也增加了四倍，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TI、安霸和海思等都還沒有相應(yīng)的芯片方案推出，設(shè)備廠商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，現(xiàn)階段主推的H.265編碼是解決這個問題的另一個思路。

　　更大分辨率的顯示設(shè)備

　　后端的顯示設(shè)備要完美展示4K圖像的優(yōu)質(zhì)畫質(zhì)，至少需要4K的物理像素。SONY等顯示器廠商推出的4K顯示屏正是市場上的熱點，但相對于普通的1080P顯示器，成本要高得多，要在安防市場大規(guī)模普及，還需要等待技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

　　更強(qiáng)的視頻智能處理能力

　　對于4K分辨率的監(jiān)控視頻，畫面中像素的增多，圖像中細(xì)節(jié)會呈現(xiàn)得更加充分，這要求有更加強(qiáng)大的計算能力來處理圖像，如針對實時圖像的圖像增強(qiáng)、除霧和3D降噪等，還有針對視頻的智能分析如視頻濃縮、視頻檢索、流量統(tǒng)計和人臉識別等。

　　現(xiàn)階段主要需要解決的是最重要的成本問題。4K監(jiān)控的各部分都采用最新技術(shù)和最優(yōu)產(chǎn)品，是可以推出一套完整的4K監(jiān)控方案的，但相對于1080P等高清監(jiān)控來說成本太高。對于安防這個非常注重性價比的市場來說，還是無法普及的。

　　4K的出路

　　在電子消費類市場，4K技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入了人們的生活，應(yīng)用于4K超高清電視、4K的高清醫(yī)療視頻展示、4K超高清的賽事(如2014年巴西世界杯足球賽的4K試播)盛況直播等等，都給人們帶來了超高清的生活體驗和更多智能化的應(yīng)用。

　　而在安防監(jiān)控領(lǐng)域，4K技術(shù)才剛剛起步，但其未來卻不可小覷，可應(yīng)用于平安城市的全景監(jiān)控、超寬車道的監(jiān)控、公安GIS地圖的指揮調(diào)度中等等。未來，4K帶來的變革是多方面的，一方面它給我們帶來視頻分辨率上超高清、極清的體驗，另一方面，它將很有可能改變我們傳統(tǒng)的監(jiān)控應(yīng)用模式。

　　人們對高清的追求是永無止境的，4K只是順應(yīng)時代需求的必然產(chǎn)物。理論上講，4K仍是視頻監(jiān)控高清浪潮的延續(xù)，但是4K帶來的絕不僅僅只是分辨率的增加，因為要真正實現(xiàn)4K的超高清監(jiān)控，需要一系列視音頻編解碼、圖像處理、智能分析等技術(shù)來支撐，這也從另一方面推動了整個監(jiān)控行業(yè)技術(shù)的快速變革。

　　現(xiàn)階段對4K高清監(jiān)控影響最大是H.265編解碼技術(shù)的大力發(fā)展。H.265標(biāo)準(zhǔn)的成熟，會給視頻帶來更高的壓縮比，降低網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)建設(shè)成本。根據(jù)安防系統(tǒng)建設(shè)模型，網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備通常占據(jù)建設(shè)投資60%以上。如何最大效率地降低網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲空間，其需要從視頻壓縮編碼入手來解決，采用H.265標(biāo)準(zhǔn)壓縮效率可以比H.264提升50~60%，根據(jù)估算可能帶來的投資節(jié)省高達(dá)30~35%。特別在一些原有標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，可以在原有傳輸和網(wǎng)絡(luò)情況下升級到高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，實現(xiàn)了“窄帶能跳寬帶舞”。另外很多視頻監(jiān)控系統(tǒng)，特別是公共安全類視頻監(jiān)控系統(tǒng)對錄像的存儲時長有較大需求。通過使用H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)可以在不增加存儲設(shè)備和成本的前提下，將原有1個月的存儲時長增加到3個月，實現(xiàn)“錄像免費增存儲”。

　　H.265是由ITU-T的視頻編碼專家組VCEG和ISO/IEC的運動圖像專家組MPEG共同推出的最新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計目標(biāo)是比上一代H.264標(biāo)準(zhǔn)提高一倍的壓縮效率，也即在同等視頻質(zhì)量下其碼率僅為H.264的一半。根據(jù)2014年4月結(jié)束的第17次JCT-VC會議上發(fā)布的視頻主觀質(zhì)量測試結(jié)果，在碼率降低52~64%的情況下，H.265編碼視頻的主觀質(zhì)量與H.264編碼視頻近似甚至更好，平均可以降低59%。以1080P分辨率為例，4Mbps的H.265編碼碼流即可達(dá)到10Mbps的H.264編碼碼流主觀質(zhì)量，1.5Mbps的H.265碼流即可達(dá)到4Mbps的H.264碼流主觀質(zhì)量。

　　筆者公司的技術(shù)團(tuán)隊逐項攻破H.265編碼質(zhì)量提升、DSP平臺性能提升、多核并行編碼效率優(yōu)化、碼率控制優(yōu)化、多芯片協(xié)同工作、超低照度圖像質(zhì)量優(yōu)化、結(jié)構(gòu)散熱性能優(yōu)化、防雷等級提升等關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點。2014年6月18日，經(jīng)過不斷反復(fù)的實驗對比和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)量測試，筆者公司第1臺采用H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)正式下線。隨后，技術(shù)團(tuán)隊又快速與公安部三所交流，在7月份又完成了對國內(nèi)首款H.265攝像機(jī)的型式檢驗。在9月份召開的南京合作伙伴大會上，正式發(fā)布了全球首款H.265高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

　　2014年9月，海思公司推出了支持4K的Hi3516A。預(yù)計在2015年1月配套推出業(yè)界第一顆專業(yè)H.265/HEVC超高清視頻監(jiān)控存儲和顯示產(chǎn)品NVR處理器Hi3536。該Hi3536處理器采用海思半導(dǎo)體高性能的視頻編解碼器，最高可實時解碼16路1080P H.265/HEVC視頻流或者4路4K H.265/HEVC視頻流，支持視頻以4K@60fps的速率顯示，或者同時支持多達(dá)9路1080P@30fps高清顯示輸出。安霸公司Ambarella 2014年10月24日宣布推出S3，安全I(xiàn)P攝像機(jī)系統(tǒng)級晶片SoC系列新的H.265或HEVC(高效視頻編碼)支援視頻標(biāo)準(zhǔn)。S3的全面達(dá)成H.265壓縮標(biāo)準(zhǔn), 提供目前的H.264 IP攝像機(jī)SoC的高達(dá)兩倍的壓縮效率，提供出色的視頻質(zhì)量超低的碼率來優(yōu)化網(wǎng)路頻寬利用率，降低存儲成本。S3可以提供在高達(dá)4K@30fps分辨率下的H.265編碼的視頻，或H.264高達(dá)4K@60fps的視頻，并且提供與現(xiàn)有網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性。SoC芯片的大力發(fā)展必將極大地推動著4K超高清監(jiān)控的快速發(fā)展。

　　結(jié)語

　　人們追求更高清的愿望沒有止境，生產(chǎn)廠商追求利潤的愿望沒有止境，技術(shù)的發(fā)展沒有止境。過去的2014年，各大廠商紛紛推出了4K的相關(guān)產(chǎn)品，而各大的SoC廠商也逐步推出相關(guān)的芯片，相信在新的2015年中，4K超高清設(shè)備會逐步商用，完整的4K解決方案也會逐步推出，4K超高清監(jiān)控已經(jīng)不太遙遠(yuǎn)。

[功能測評]科達(dá)(KEDACOM)4K超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

4K安防應(yīng)用 是噱頭還是發(fā)展大趨勢?