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論視頻監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)的清晰度問(wèn)題

資訊頻道文章B

    在現(xiàn)實(shí)生活中,我們經(jīng)??梢钥吹狡胀ㄊ謾C(jī)拍攝的圖像質(zhì)量會(huì)優(yōu)于多數(shù)公共部門(mén)的視頻監(jiān)控系統(tǒng),這是為什么呢?本文從提出問(wèn)題,到提供解決方案,論述了視頻監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)的清晰度問(wèn)題,供讀者參考。


    目前普遍從CCTV模擬視頻系統(tǒng)中截取并放大用于識(shí)辨恐怖分子的圖像非常不清晰,質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如只有基本配置的、最簡(jiǎn)單的數(shù)碼攝像機(jī)所提供的圖像。在2006年德國(guó)舉辦世界杯足球賽期間,幾乎所有球場(chǎng)都還在使用這些已經(jīng)過(guò)時(shí)的模擬視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)來(lái)提供安保。只有凱徹斯勞滕賽場(chǎng)采用了目前為止最先進(jìn)的、高分辨率的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。


    只要把這兩種系統(tǒng)提供的圖像作一個(gè)簡(jiǎn)單比較,就能發(fā)現(xiàn)圖像清晰度的差異有多大:即使一個(gè)最簡(jiǎn)單的數(shù)碼照相機(jī)所存儲(chǔ)的圖像也能達(dá)到大約300萬(wàn)像素,而“傳統(tǒng)”的視頻技術(shù)所提供的像素只是它的1/30,即101000像素或0.1百萬(wàn)像素。如今有哪位即使是最新手的業(yè)余攝影愛(ài)好者還會(huì)購(gòu)買(mǎi)如此低分辨率的模擬攝像機(jī)?盡管如此,這種系統(tǒng)直到現(xiàn)在仍然在95%的公共安防系統(tǒng)中被普遍使用。


癥結(jié)所在
    這些用于公共安防的圖像質(zhì)量之所以低劣,原因并不如人們所想像的那樣,是因?yàn)槭艿疆?dāng)今技術(shù)水平的限制,而是因?yàn)槿藗內(nèi)藶榈剡x用50年前的電視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)部署系統(tǒng)。這種系統(tǒng)所提供的實(shí)時(shí)圖像最高不會(huì)超過(guò)40萬(wàn)像素。再由于技術(shù)和成本的制約,這些系統(tǒng)的圖像在存儲(chǔ)時(shí)像素被進(jìn)一步降低到1/4,即只有10萬(wàn)像素。這樣一來(lái),把圖像局部放大用以識(shí)別罪犯面部特征就幾乎不可能了。


    不管是哪個(gè)廠家生產(chǎn)的,模擬視頻攝像機(jī)能提供的最高分辨率是40萬(wàn)像素。既然如此,為什么我們不以40萬(wàn)像素的分辨率保存原始圖像,而只有10萬(wàn)像素呢?雖然也有一些錄像機(jī)可以按40萬(wàn)像素的分辨率保存圖像,但這些設(shè)備成本太高,且清晰度也不足以用于人臉識(shí)別。這也歸結(jié)于早已過(guò)時(shí)的電視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——視頻流以“半幀”傳輸。恰如其名,清晰度也只有一半。由這樣隔行掃描生成的兩個(gè)半幀組合起來(lái)的圖像必然會(huì)導(dǎo)致快速移動(dòng)物體的圖像產(chǎn)生邊緣模糊,也即梳狀失真,而移動(dòng)物體恰恰是安防監(jiān)控所要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。


    CIF格式圖像的10萬(wàn)像素是怎樣計(jì)算而來(lái)的?模擬視頻攝像機(jī)提供的圖像有576線,即縱向有576行。它由兩個(gè)半幀組成。每個(gè)半幀為288線,隔行顯示。這兩個(gè)半幀被相繼攝錄后逐幀傳輸。由于技術(shù)和成本的限制,目前95%的系統(tǒng)只對(duì)一個(gè)半幀進(jìn)行數(shù)字化處理并存儲(chǔ)。為了使寬高比適中,288線中的每一行被分成352個(gè)水平像素。這樣就生成了一個(gè)具有352×288=101000像素(相當(dāng)于10萬(wàn)像素)的CIF格式圖像。

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問(wèn)題頻出
    那么使用2CIF或4CIF格式是否能使圖像更清晰呢?答案是:2CIF或4CIF格式雖然成倍地增加了像素,但并不能有效地提高圖像的清晰度。2CIF格式的圖像縱向也只有288線,但每行的水平像素卻翻了一倍,即704個(gè)水平像素。因此,圖像像素大約為20萬(wàn)像素。雖然每一行的像素增加了,但由于整幅圖像中每隔一行即被忽視,因此,仍然丟失了大量重要信息。所以,我們看到的圖像恰如其名只是半幀或半圖。


    4CIF格式的圖像由兩個(gè)時(shí)間上連續(xù)的隔行掃描半圖像拼合而成,這種格式的實(shí)際像素達(dá)到704×576=40萬(wàn),但由于兩個(gè)半幀是在不同瞬間生成的,所以行與行之間會(huì)發(fā)生錯(cuò)位(如圖1所示)。這樣會(huì)導(dǎo)致所謂的梳狀失真,這就是4CIF格式很難在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用的原因。即使在德國(guó)世界杯足球賽這樣的重要場(chǎng)合,也只存儲(chǔ)CIF或2CIF半幀圖像。


    現(xiàn)有的視頻技術(shù)還存在一個(gè)問(wèn)題,那就是回放或存儲(chǔ)圖像時(shí)刷新率(幀頻)很低。同樣由于技術(shù)和成本的原因,95%的現(xiàn)有系統(tǒng)不會(huì)超過(guò)每秒1到3幀的幀頻范圍。由于“快照”的刷新率太低,所以罪犯面對(duì)攝像機(jī)的瞬間很難碰巧有圖像被拍攝下來(lái),即很難找到可用于面部識(shí)別的圖像。


    幀頻之所以這樣低,是因?yàn)橐粋€(gè)視頻存儲(chǔ)設(shè)備(通常是一臺(tái)帶視頻管理軟件的計(jì)算機(jī))要負(fù)責(zé)對(duì)多臺(tái)攝像機(jī)攝錄的視頻進(jìn)行數(shù)字化和存儲(chǔ)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力一般只夠兩臺(tái)模擬攝像機(jī)之用,因此當(dāng)需要存儲(chǔ)的攝像機(jī)超過(guò)兩臺(tái)時(shí),幀頻就必須相應(yīng)降低。由于計(jì)算機(jī)有限的處理能力,所以MPEG-4視頻格式也不適于攝錄高分辨率視頻——計(jì)算機(jī)的處理能力是絕對(duì)無(wú)法應(yīng)對(duì)多臺(tái)攝像機(jī)的。


    為何不使用分辨率更高的攝像機(jī)?為什么傳統(tǒng)攝像機(jī)生產(chǎn)商不在他們的攝像機(jī)中使用分辨率更高的圖像傳感器?答案很簡(jiǎn)單,但不令人愉快:這些系統(tǒng)所依托的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有五十年的歷史了,讓傳統(tǒng)的視頻傳輸線纜處理高分辨率的圖像,從技術(shù)角度講是根本不可能的。這個(gè)過(guò)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)最后導(dǎo)致整個(gè)視頻行業(yè)技術(shù)上停止不前,經(jīng)濟(jì)上蒙受損失??紤]到公眾利益,技術(shù)革新勢(shì)在必行。

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數(shù)字產(chǎn)品帶來(lái)契機(jī)
    新興的數(shù)字技術(shù)為年輕創(chuàng)新型企業(yè)帶來(lái)了契機(jī)。他們開(kāi)發(fā)了功能極高的微型計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件,并將它們嵌入攝像機(jī)內(nèi)。通過(guò)在高分辨率攝像機(jī)中集成多種智能,諸如視頻處理﹑動(dòng)態(tài)偵測(cè)和視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理等任務(wù)都可以由這個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立完成。視頻控制中心的計(jì)算機(jī)可得到大幅減荷。


    圖2便是一個(gè)令人信服的證據(jù),它比較了某攝像機(jī)所存儲(chǔ)的960線、130萬(wàn)像素和一個(gè)288線、10萬(wàn)像素圖像的用于辨認(rèn)車牌的局部放大圖像的效果。

 


    現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是,用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理所有攝像機(jī)的設(shè)置,并在攝像機(jī)攝錄存儲(chǔ)圖像的同時(shí),遠(yuǎn)程調(diào)取實(shí)時(shí)圖像和存儲(chǔ)在攝像機(jī)內(nèi)部的歷史圖像。當(dāng)然這些攝像機(jī)應(yīng)連接在已有的公司局域網(wǎng)上,或通過(guò)防火墻安全連接于因特網(wǎng)中。這樣,如果在火車站、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所發(fā)生意外或有可疑情況,就可以立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將圖像調(diào)取到控制中心來(lái)進(jìn)行分析,而不必派遣人員到現(xiàn)場(chǎng),也不必中止存儲(chǔ)記錄和實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果有新開(kāi)發(fā)的或升級(jí)版的軟件,可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方便地加載到攝像機(jī)中。


    近年來(lái),高分辨率智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。人們不僅能在美國(guó)的大使館、英國(guó)的機(jī)場(chǎng)、日本的水庫(kù)大壩或以色列的郵政大樓中看到這種攝像機(jī),也可在沙特阿拉伯的輸油管道和麥加的停車場(chǎng)旁找到它們的身影。


    2004年,Bosch公司為德國(guó)的第一家監(jiān)獄(JVA)安裝了多臺(tái)此類攝像機(jī)。2006年在德國(guó)凱徹斯勞滕足球場(chǎng)安裝了77臺(tái)該廠家提供的攝像機(jī)。德國(guó)鐵路公司已在許多火車站和鐵路路段使用了該類產(chǎn)品。其應(yīng)用極為廣泛,有用于保障旅客安全的,有用于準(zhǔn)確播報(bào)火車進(jìn)出站時(shí)刻的,等等。


    經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)總體成本的核算,可以發(fā)現(xiàn),新興的攝像機(jī)技術(shù)實(shí)際上比目前的標(biāo)準(zhǔn)視頻技術(shù)更節(jié)省成本。通過(guò)使用960線(而不是傳統(tǒng)的288線),該類攝像機(jī)中存儲(chǔ)的圖像清晰度要比一般系統(tǒng)的圖像高12倍,這意味著,對(duì)于同樣的監(jiān)視面積,所需的攝像機(jī)用量更少。例如,一臺(tái)這種攝像機(jī)可以監(jiān)視體育場(chǎng)館的多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)式檢票口。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的90度廣角鏡頭,僅用一臺(tái)攝像機(jī)就能完成對(duì)整個(gè)房間的監(jiān)控,而且清晰度比一般的系統(tǒng)更高。

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    隨著IT標(biāo)準(zhǔn)在全世界范圍內(nèi)的實(shí)施,價(jià)廉物美的標(biāo)準(zhǔn)連接元件可方便地用于攝像機(jī)連接:銅線、光纖或WLAN無(wú)線連接。由于該類攝像機(jī)不需加熱保溫防霧,所以可終年通過(guò)網(wǎng)線供電,而不需專門(mén)敷設(shè)電源。這就是為什么在凱徹斯勞滕的世界杯足球場(chǎng)安裝的77臺(tái)攝像機(jī)僅靠500W的中心穩(wěn)壓電源就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的原因。該類攝像機(jī)廠商開(kāi)發(fā)的新型存儲(chǔ)技術(shù)只需極少的存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)就能實(shí)現(xiàn)高清流暢視頻流的存儲(chǔ)。攝像機(jī)中的內(nèi)部緩存可橋接數(shù)分鐘的網(wǎng)絡(luò)故障,避免信息遺失。系統(tǒng)能根據(jù)移動(dòng)偵測(cè)的結(jié)果自動(dòng)調(diào)整幀頻,這更進(jìn)一步節(jié)省了存儲(chǔ)空間。由于該類攝像機(jī)避免使用機(jī)械活動(dòng)部件和自動(dòng)光圈鏡頭,整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)需求低,性能可靠。


    將288線的CIF圖像和960線的該類攝像機(jī)圖像做個(gè)比較,兩者在質(zhì)量和清晰度上的差別便一目了然(如圖3所示)。百萬(wàn)像素圖像的清晰度要比CIF圖像高12倍,因此,僅占圖像面積1/40的面部仍能清晰可辨。如果再進(jìn)行適當(dāng)處理,圖像質(zhì)量還可以進(jìn)一步提高。與之形成鮮明對(duì)比的是,從CIF圖像中提取的圖像不可辨識(shí),因此沒(méi)有使用價(jià)值。


    與該類攝像機(jī)不同,市面上大多數(shù)所謂的數(shù)字IP攝像機(jī)(網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī))在原理上使用的仍是陳舊的模擬技術(shù),它只是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)數(shù)字化處理后的圖像。它們的構(gòu)造是,以模擬攝像部件采集圖像模擬信號(hào),再把模擬信號(hào)數(shù)字化。分辨率還是與以前沒(méi)有兩樣。這真是難以置信,但事實(shí)上,大多數(shù)的IP系統(tǒng)還是處于這種只存儲(chǔ)CIF、半幀的狀態(tài)。


    新型攝像機(jī)采用的分布型存儲(chǔ)技術(shù),使一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能同時(shí)記錄約40路流暢的高分辨率視頻流,這相當(dāng)于舊技術(shù)中的4800幀/秒CIF圖像??墒浅S玫募写鎯?chǔ)型視頻系統(tǒng)中,由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和處理能力有限,攝像機(jī)的許多高分辨率圖像無(wú)法得以完整存儲(chǔ),其整體幀頻往往不會(huì)超過(guò)100-200幀/秒的CIF圖像。

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    該類攝像機(jī)可采用價(jià)廉物美的標(biāo)準(zhǔn)IT存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)視頻。一個(gè)容量為1.4TB的安全防故障磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)器(RAID),其存儲(chǔ)空間足夠讓一臺(tái)晝夜不間斷運(yùn)行的攝像機(jī)以全幀頻記錄百萬(wàn)像素高清視頻附音頻長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月,或者讓10臺(tái)攝像機(jī)連續(xù)記錄六天。如果再由事件驅(qū)動(dòng)自動(dòng)調(diào)整記錄幀頻,那么攝錄時(shí)間還可成倍增加。


    雖然MPEG-4視頻壓縮編解碼目前被廣泛應(yīng)用,但它需要消耗計(jì)算機(jī)大量的運(yùn)算能力,從而妨礙了高分辨率攝像機(jī)的應(yīng)用和普及。視頻標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4只適用于單一視頻流(例如電影)的壓縮和回放,而不適于同時(shí)實(shí)時(shí)顯示多臺(tái)攝像機(jī)的高分辨率視頻流。用MPEG-4編解碼存儲(chǔ)的移動(dòng)對(duì)象圖像分辨率和質(zhì)量都較低,只是由于人眼不能捕捉移動(dòng)對(duì)象的所有細(xì)節(jié),因此在看電影的時(shí)候我們感覺(jué)不到。正是出于這種原因,MPEG-4不適用于安防監(jiān)控領(lǐng)域,因?yàn)榍∏∈且苿?dòng)對(duì)象在安防領(lǐng)域尤為重要,必須保證它們足夠清晰,能夠辨認(rèn)。


    為滿足安防監(jiān)控領(lǐng)域的需要,該類攝像機(jī)廠商開(kāi)發(fā)了視頻編解碼MxPEG,它只需要大約2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率就可顯示和存儲(chǔ)流暢的高分辨率視頻流,反應(yīng)時(shí)間也比MPEG-4短得多。MxPEG標(biāo)準(zhǔn)正被越來(lái)越多的世界各地?cái)z像機(jī)生產(chǎn)商和軟件開(kāi)發(fā)商采用和支持。整套編解碼不需要購(gòu)買(mǎi)許可證,人人可以免費(fèi)使用。

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