4K UHD超高清在安防中的应用和挑战

随着 1080P 全高清在安防视频监控、电视和手机上的应用普及,高清已逐渐融入了我们的生活。人们对于更高清晰度的追求也越来越迫切,国内电视厂商率先将 超高清电视价格拉向平民化,而国内 IP 高清安防厂商们也先后秀出 超高清网络摄像机及配套解决方案,4K 超高清似乎已变得触手可及。那么什么是 4K?4K 技术在安防监控中如何应用!4K 超高清技术还存在哪些问题?接下来,我们一起来看看 4K 超高清在安防中的应用和面临的挑战。

4K 超高清的来历

4K 最早来自于 DCI 数字电影推进联盟(Digital Cinema Initiative)于 2004 年定义的数字影院清晰度 DCI 4K(4096×2160像素,每秒24帧)。直到 2012 年 8 月 23 日,国际电信联盟(ITU)才发布了超高清电视(Ultra HDTV)的国际标准:ITU-R BT.2020,标志着 超高清开始步入正轨。实际上 4K 和 均是“超高清分辨率”(Ultra High Definition,缩写为 或 Ultra HD)。ITU-R BT.2020 对超高清电视的分辨率、帧率、色彩空间等进行了规范,UHD 超高清视频系统定义为 4K 与 8K 两个阶段,其中 4K 的物理分辨率为 3840 x 2160,总约 830 万像素;而 8K 则为 7680 x 4320,总约 3320 万像素。4K 支持帧率从 24 帧到 120 帧。在 BT.2020 标准中终于取消了隔行扫描,只有逐行扫描,进一步提升了超高清影像的细腻度与流畅感。在色深方面,由 BT.709 标准的 8bit 提升至 10bit 或 12bit。这一提升对于整个影像在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。超高清电视对应的色域为:ITU-R BT.2020 色域,又称 Rec.2020,是显示设备中最大的色彩空间,覆盖了 CIE 1931 的 75.8%,白点色温 D65(6500K)。高清电视色域的国际标准 ITU-R BT.709(又称Rec.709 或sRGB)的仅覆盖了 Rec.2020 的 35.9%,所以理论上4K超高清电视(UHDTV)能比现行的高清电视(HDTV)显示更为丰富的色彩。除了一些顶级的彩色技术监视器样机外,市面上并没有显示设备可以完全覆盖 Rec.2020 色域,也就是说市面上的 4K 电视大多数都是不符合标准的。

常见高清分辨率对比图

常见高清分辨率对比图

安防中的 4K UHD 超高清现状

遗憾的是,国内目前还没有定义安防高清的国家标准,所以并没有一个统一的标准供参考。目前安防行业高清产品都是参照国外广电 HDTV 的标准。我们都知道高清应该是一个整体系统,任何脱离系统单独谈高清都是在耍流(xiā)氓(bāi)。同样,4K 高清应用也应该是从整体来看。接下来我们就看看安防监控行业 4K 高清的现状。

目前 4K 处于迅速发展的阶段,4K 的话题也很热门,但市场上的 4K 超高清网络摄像机基本上宣传的多,真正量产的不多。原因是 4K 超高清图像传感器及图像处理芯片目前成本还比较高。4K 的高清晰度和大数据量也带来了功耗高、发热量大等问题,非常考验摄像机厂商的硬件设计能力。其次,安防厂商(尤其是民用安防市场)大多还在进行低端产品的价格血拼,4K 超高清的需求或者说 4K 超高清的应用,大家还没有真正想清楚。但是你用或不用,4K 超高清时代已经来临,这是不争的事实。以艾普视达为例,目前 AipStar 4K UHD 超高清网络摄像机产品分辨率可以支持 ITU Ultra HD (3840 x 2160,30fps),也支持 DCI 4K (4096 x 2160,24fps),当然也向下兼容 1080P 高清。4K 超高清网络摄像机最大的特点就是分辨率、解析度高,图像画质细腻,监控范围广,使其可以利用 ePTZ 等技术对图像局部综合利用,提高图像价值。这就非常适合于广场、运动场馆、机场、车站码头、海滩等人流密集场所的监控应用;还有医疗手术中的高清视频教学,风景区及森林防火等方面,4K 超高清网络摄像机也极具价值。此外,4K 超高清具有比现有全高清 1080P 更高的清晰度,可以为用户带来更有价值的视频资料。比如基于超高清的视频源,人脸识别、车牌识别等智能分析结果将更加精确。4K 的发展以及在安防中的应用也必将推动整个安防视频监控行业往高清化方向普及,同时也能促进智能分析等配套产业的升级,为安防高清厂商带来新的经济增长点。

AipStar 4K UHK 超高清网络摄像机视频截图

AipStar 4K UHK 超高清网络摄像机视频截图

以艾普视达的安防行业专用 4K 超高清网络摄像机来看,目前使用 H.264 Main Profile 或者 High Profile 压缩码率完全可以控制在 6~8Mbps,等 H.265 标准成熟后,码率还能降低一倍以上。从网络带宽上来看,虽然目前家庭带宽已经普及 20M/100M 光纤到户,但民用市场的上行带宽仍然不超过 1M,可见对于 4K 来说,民用市场监控或者说走公网传输基本上不太现实。但是,4K 超高清网络摄像机属于高端应用,基本上都会是内网、本地、光纤传输,带宽上基本不会存在太大的问题。

从存储方面来看,目前成熟的数据硬盘技术已经发展到了 4T ,4T 硬盘格式化后的容量大约是 3620GB。以 8Mbps 视频码率来算,每台 4K 超高清网络摄像机每小时占用存储空间大约是 3.52GB,4T 硬盘大约可以连续存储单台 4K 高清网络摄像机视频约 42 天,基本上是可以满足要求的。

从解码上来看,目前在安防行业还没有专门的 4K 超高清网络视频硬件解码器,供 4K 超高清视频解码上墙使用。但是一般的视频播放软件均支持软件解码显示输出 4K 高清视频。以低端常用的奔腾G系列CPU来看,解码 8Mbps 的 4K 超高清视频时 CPU 资源占用率在 80% 左右,如果通过独立显卡硬解,占用率将更低。

从显示上来看,专用的4K超高清监视器还比较少,而国内电视企业已经推出了很多价格低廉的4K超清电视,可以完美支持 4K UHD 超高清视频硬件解码显示,而且价格在 4000 元以内,基本上可以满足 4K 超高清视频的解码显示要求。当然,理论上只要缩放引擎支持,1080P 分辨率的高清电视也是可以支持 4K 超高清的显示的。

4K UHD应用的挑战

前面我们展望了 4K UHD 超高清的一些应用前景,实际 4K 超高清的应用还面临着一些挑战:

1)4K 超高清图像传感器及图像处理芯片并未大量量产,价格也较贵,制约了 4K 超高清网络摄像机产品的发展;上游芯片供应商要放量也要看 4K 高清市场的应用状况,而市场放量又受到各厂商的产品成熟度和价格等因素的影响,这两方面相辅相承。

2)从带宽和存储上来看,即使采用成熟的 H.264 High Profile 压缩,4K 超高清视频的码率仍然过大,4K 的全面发展仍然需要等待 H.265 等新一代压缩技术的成熟,提高压缩率,降低码率、带宽和存储空间占用;

3)从显示来看,低端的 4K 超高清电视已经走了了普通人的家庭,但高端的 4K 显示设备仍然较少,且价格非常昂贵;

4)从应用来看,4K 超高清目前还没有大量使用,包括智能分析等技术对于 4K 超高清数据的处理也是压力山大,如果没有很好的应用解决方案,4K 超高清技术便仍然只能停留在实验室中。

此外 4K UHD 超高清网络摄像机的良性发展更需要的是媒体和各原始厂商们的推动,更有赖于其它配套产业的升级和完善。我们都无须怀疑,安防 4K 超高清的时代已经来临,安防从此又掀开一页崭新的篇章。

(本文由四川艾普视达数码科技有限公司 范清华 撰写,首次发表于安全自动化杂志 C189 – 2014,转载请注明出处)

Posted in and tagged , .