IP監(jiān)控面對具有挑戰(zhàn)性的戶外環(huán)境時(shí)會(huì)存在圖像質(zhì)量和帶寬管理兩方面的問題，為此筆者就紅外照明對帶寬的影響進(jìn)行了研究，目的是用量化的方法證明在IP監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)用紅外照明的優(yōu)點(diǎn)。測試結(jié)果顯示，在一定范圍的低照度條件下，紅外照明使圖像傳輸比特率大幅下降，只有原來的幾分之一，下降幅度在70%-91%。測試結(jié)果證實(shí)了紅外照明通過降低圖像噪聲來降低比特率，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能，比特率降低同樣也會(huì)減少所需的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)量。

    在美國拉斯維加斯安防行業(yè)協(xié)會(huì)2007國際安防大會(huì)（美國西部國際安防展）上，Extreme CCTV憑借Black Diamond紅外照明技術(shù)榮獲“最佳視頻設(shè)備創(chuàng)新獎(jiǎng)”。該獎(jiǎng)項(xiàng)強(qiáng)調(diào)在任何條件下保持高質(zhì)量圖像的必要性，即便是在條件惡劣的夜間和低照明環(huán)境中也不例外。

    雖然紅外照明是一種經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的技術(shù)，夜視性能高，它除了用于現(xiàn)今的各種監(jiān)控視頻應(yīng)用場合外，還令人驚訝地涉足了另一個(gè)領(lǐng)域：帶寬管理。如今紅外照明可用于降低比特率，因此正逐漸成為提高基于IP的安防系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)性能的必備技術(shù)，其能同時(shí)降低帶寬和存儲(chǔ)需求，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是夜視的必備技術(shù)。

    因此，研究的目的是證實(shí)和量化紅外照明對帶寬的影響。

    為了理解為什么要用比特率來考量紅外照明的效果，有必要先了解一下壓縮算法的基本工作原理?；镜膲嚎s原理是去除多余信息，以降低文件大小，所有壓縮都需要在圖像質(zhì)量和文件大小之間采取折衷。壓縮率越高，則文件越小，但圖像質(zhì)量也越差；相反，壓縮率越低，則圖像質(zhì)量越高，但文件會(huì)更大。

    如今通用的壓縮工具通常包括JPEG、MPEG或M-JPEG，都稱為有損壓縮算法。它們采用以下兩種削減原則之一：
·無關(guān)削減：除去部分肉眼看上去不明顯的視頻信號(hào)，如細(xì)微顏色變化；
·冗余削減：除去相同幀或不同幀中的重復(fù)信息，如大量相同區(qū)域中的顏色或固定對象。

    因此，由AGC引起的噪聲會(huì)對如今在IP攝像機(jī)上廣泛使用的壓縮算法產(chǎn)生干擾，更準(zhǔn)確地說，壓縮算法將AGC增強(qiáng)圖像上的雪花和顆粒理解為有用信息（如圖像細(xì)節(jié)或移動(dòng)），因此無法通過無關(guān)削減或冗余削減來去除雪花和顆粒感，所以夜間圖像的壓縮程度較低，文件通常也更大。從這個(gè)角度來說，顯示夜間性能、壓縮和比特率之間有著直接的聯(lián)系。

    一開始，最便捷的修復(fù)方法似乎可以采用禁用AGC，該策略確實(shí)是降低了比特率，但它以犧牲圖像細(xì)節(jié)為代價(jià)。這樣會(huì)生成質(zhì)量很差的夜間圖像，更有甚者圖像可能根本無法使用。顯然，監(jiān)控系統(tǒng)的夜間性能對于有效的安防工作是至關(guān)重要的。

    確保基于IP的系統(tǒng)具備有效夜間性能的最佳解決方案是在現(xiàn)場應(yīng)用紅外照明，為IP攝像機(jī)提供適當(dāng)數(shù)量的紅外照明將確保夜間圖像信號(hào)增強(qiáng)、噪聲降低，此類情況下，不必啟用AGC，并且壓縮機(jī)理能有效工作。[nextpage]

紅外照明用于IP－基礎(chǔ)
    無論是模擬還是數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，實(shí)際上幾乎所有CCTV攝像機(jī)在照明良好的日間環(huán)境下都能生成可用的監(jiān)控圖像。然而，由于如今的安防系統(tǒng)都需要全天候監(jiān)控，因此夜間性能才是確定總體系統(tǒng)有效性的決定性因素。

    實(shí)際上，CCD和CMOS圖像傳感器是設(shè)計(jì)應(yīng)用于有照明的環(huán)境，并在此過程中生成畫面或視頻，如果沒有照明，則不會(huì)有任何畫面?，F(xiàn)今許多攝像機(jī)的環(huán)境照度等級都非常低，往往在0.1lux范圍內(nèi)，雖然這些攝像機(jī)的規(guī)格數(shù)據(jù)表明在低照度時(shí)能執(zhí)行有效操作，但一般安防行業(yè)的人都知道低照度環(huán)境會(huì)產(chǎn)生有高噪聲、低質(zhì)量的圖像。

    隨著照度下降，對帶寬的需求就會(huì)相應(yīng)上升，這通常用術(shù)語“比特率”來表示，其定義為網(wǎng)絡(luò)在一秒內(nèi)所需的帶寬。一般來說，當(dāng)所有其它因素都不變時(shí)，日間成像需要的帶寬低于夜間成像。

    為了理解低照度對帶寬要求更高的原因，必須考慮AGC（自動(dòng)增益控制），這是一種在低照度條件下增加信號(hào)強(qiáng)度的攝像技術(shù)。AGC的工作原理很簡單，就是放大圖像信號(hào)，但結(jié)果是既放大了視頻信號(hào)也放大了噪聲。當(dāng)某個(gè)場景照度較低時(shí)，AGC會(huì)啟動(dòng)，同時(shí)圖像噪聲也隨之增加。

    而隨著照度越來越低，AGC會(huì)大幅增加，結(jié)果在過程中產(chǎn)生更多噪聲。由于存在雪花和顆粒感，最終生成的夜視圖像模糊不清。此類情況下，對于靜態(tài)固定圖像，比特率可能是日間比特率的許多倍，這樣提高了圖像質(zhì)量，但使文件更大，并伴隨細(xì)微的顏色變化。

    大多數(shù)應(yīng)用場合中，通常會(huì)根據(jù)各種應(yīng)用要求來更改幀率和分辨率。例如，如果網(wǎng)絡(luò)帶寬或存儲(chǔ)空間不足，則常用的策略是降低幀率或分辨率。

    然而，這種方法也存在缺點(diǎn)。犧牲幀率和分辨率會(huì)導(dǎo)致低質(zhì)量的“鋸齒形”視頻，從而錯(cuò)過安防事件關(guān)鍵時(shí)刻的記錄。此外，低幀率和分辨率往往會(huì)導(dǎo)致視頻分析軟件無法運(yùn)行，對于高級別關(guān)鍵安防項(xiàng)目，更好的策略是提高存儲(chǔ)能力和帶寬，以便保持監(jiān)控視頻的完整性。

    額外增加的主動(dòng)紅外照明，通過為攝像機(jī)提供“不可見”光進(jìn)行監(jiān)控，用高逼真度的夜視取代了有噪聲的夜間圖像，且不會(huì)觸發(fā)增益模式，帶寬需求也保持在與日間差不多的水平。

測試結(jié)果
    表1總結(jié)了試驗(yàn)結(jié)果。
    表2測試總體結(jié)果。[nextpage]

 
    圖1為在試驗(yàn)中采集的圖像樣例。

結(jié)論
    比較從低照度場景（<1勒克斯）到采用良好紅外照明的場景中紅外照明的效果時(shí)，測試顯示出比特率下降范圍在48%到91%之間。降低幅度的變化可能主要是由于受環(huán)境可見照度的影響。測試結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境照明條件比較好時(shí)，比特率下降幅度不明顯，即紅外照明對視頻帶寬影響較小。一般情況下，測試中獲得的結(jié)果明確證實(shí)了紅外照明是促使低照度條件下降低比特率的工具。

    從根本上來說紅外照明就是一種光。盡管人眼看到的是一片漆黑的場景，而看不到紅外照明，但紅外照明是現(xiàn)代監(jiān)控?cái)z像機(jī)可用于生成圖像的一種形式的光。準(zhǔn)確地說因?yàn)榧t外照明本身就是光，它防止生成噪聲圖像，也隨之防止了會(huì)導(dǎo)致高比特率的一串事件的發(fā)生。測試結(jié)果顯示，低噪聲圖像（即可視為高質(zhì)量的圖像）較之噪聲（低質(zhì)量）圖像要求的帶寬要低得多。

    根據(jù)研究，筆者發(fā)現(xiàn)回到了基礎(chǔ)問題，IP領(lǐng)域亦不例外，實(shí)現(xiàn)良好監(jiān)控的基礎(chǔ)是全天候生成優(yōu)質(zhì)圖像。所有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是從攝像機(jī)或鏡頭組合開始的，而它們將是任何網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的決定因素。此外，雖然市場正朝向數(shù)字圖像平臺(tái)發(fā)展，圖像優(yōu)質(zhì)的原則仍保持不變，事實(shí)上優(yōu)質(zhì)圖像在設(shè)計(jì)CCTV系統(tǒng)時(shí)所占份量越來越重要。

    雖然上述研究關(guān)注的是比特率，但紅外照明的使用從邏輯上來說也會(huì)影響到存儲(chǔ)量。由于比特率和存儲(chǔ)要求之間有著直接聯(lián)系，因此可以得出結(jié)論：對于降低IP視頻應(yīng)用中的存儲(chǔ)需求，紅外照明會(huì)是一項(xiàng)有效的策略。這個(gè)問題特別重要，因?yàn)榇疟P空間是CCTV安防系統(tǒng)中最昂貴的部分之一。（本文作者Hamish Dobson現(xiàn)任博世安保有限公司Extreme CCTV視頻監(jiān)控產(chǎn)品經(jīng)理）