高清視頻監控技術的現狀及發展趨勢

高清視頻監控技術的現狀及發展趨勢

　本文詳細介紹了目前高清視頻監控系統的主要技術環節，以及應用現狀，對高清視頻監控技術的發展方向進行了展望。

引言

　　近年來，高清視頻監控技術逐步進入人們的眼簾，成為未來安防監控領域技術發展的方向之一?！白屛覀兛吹酶宄?、“還給人們一個清晰的世界”這樣的呼聲和口號也日愈高漲，體現出來的是一種需求和趨勢。在這種趨勢下，“高清”這一名詞，不再像人們以前感覺到的那么遙遠。越多來越多的廠商開始推出“高清”化的產品。透過市場上品類繁多的“高清產品”，我們發現，我們的目光應該不僅僅是停留在“高清”概念上，而應更多地關注“高清”產品的出現給系統的應用價值帶來的提升空間。

1、高清視頻監控系統的發展過程及現狀

　　最初，“高清”概念與標準是廣播電視業提出的。上世紀60年代，日本國家廣播公司NHK開始研究高清，90年代初期，NHK和索尼完成了研究并開始試播模擬制式的高清電視。但由于多種原因，歐洲并不接受日本的研究成果，80年代中期，飛利浦等公司也聯合完成一個高清研究計劃。然而在1990年，美國一舉推出數字高清電視HDTV，后來居上超越日本和歐洲，也是從那時起，大家承認了數字式電視是未來高清的發展方向。目前市場上的高清數字電視可以分為兩大陣營，分別是歐洲的數字電視廣播聯盟DVB和美國的先進電視系統聯盟ATSC。

　　我國的高清數字電視的研制始于1998年，其中經歷了幾個階段。1999年10月1日，以高清轉播國慶慶典取得了巨大成功。2006年，我國公布了地面數字電視傳播標準DMB-TH?！秶摇笆晃濉睍r期文化發展規劃綱要》中明確指出：2008年開播數字高清電視，標志現代科技成果之一的數字高清電視必將得到前所未有的發展。

　　視頻監控系統的發展經歷了從模擬到數字的不同時期，其視頻清晰度也相應地得到了不斷的提高。并且隨著CCD的不斷發展，模擬視頻監控和數字視頻監控的清晰度又在縱向提高，模擬攝像機的水平分辨率從380線發展到540線，數字攝像機像素從25萬發展到1600萬。在模擬時代，一般認為攝像機的水平分辨率只要高于480線，即可稱為高清晰攝像機；在網絡攝像機(IP Camera)方興未艾時，則一般認為720P以上即可稱為高清攝像機。而因CCD、DSP等技術的進步，目前網絡數字攝像機在高清視頻監控領域正扮演著越來越重要的角色。

　　高清對于視頻監控并不是件容易的事情。它涉及到監控系統的頗多環節，從前端攝像機到傳輸，再到記錄存貯和顯示設備，為了到達“高清”指標都需要做出相應調整，只要一個環節滿足不了要求，就達不到“高清”要求。

2、監控行業高清標準

　　高清視頻監控近年來得以迅速發展，主要是為了解決人們在正常監控過程中“細節”看不清的問題?！案咔濉奔础案叻直媛省?，關于高清的定義，最早來源于數字電視領域，高清電視，又叫“HDTV”，是由美國電影電視工程師協會確定的高清晰度電視標準格式。電視的清晰度，是以水平掃描線數作為計量的，它的集中高清劃分方式如下：

　?。?）1080i格式，是標準數字電視顯示模式。1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16:9，分辨率為1920×1080，隔行/60Hz，行頻為33.75KHz。

　?。?）720p格式，是標準數字電視顯示模式。750條垂直掃描線，720條可見垂直掃描線，16:9，分辨率為1280×720，逐行/60Hz，行頻為45KHz。

　?。?）1080p格式，是標準數字電視顯示模式。1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16:9，分辨率為1920×1080逐行掃描，專業格式。

　　高清電視，就是指支持1080i、720p和1080p的電視標準

目前，在安防行業傳統監控系統最高可達標準清晰度，進行數字編碼后，一般可以達到4CIF或D1的分辨率，約為44萬像素，清晰度在300至500電視線之間；采用高清網絡攝像機的IP監控，如果要達到800電視線的清晰度，那么網絡攝像機的分辨率至少要達到1280x720的標準，約90多萬像素；若采用200萬像素的網絡攝像機，就達到了超高清圖像的要求，寬高比為16:9的網絡攝像機，對應分辨率為1920x1080，寬高比為4：3的網絡攝像機，對應分辨率為1600x1200。安防行業更多的是借用電視領域的高清劃分標準，俗稱為“高清”和“標清”。安防市場中已經出現了分辨率能夠達到1080i和720p的網絡攝像機，這是因為網絡給高清視頻的傳輸提供了一個很高的保障。當然，也有具有高清傳輸接口的模擬攝像機，如具有Y/Pb/Pr和VGA接口的槍機或一體機。

????? 所以，這里借用一下廣電標準：能達到百萬像素的攝像機，配套以1080p分辨率的顯示設備及相應的傳輸通道，就可以形成一套可稱之為高清的監控系統。安防視頻監控行業目前還沒有通用的高清標準。有廠家認為圖像達到D1就是高清，也有廠家認為超過480線就是高清，眾說紛紜。這里我們可以看看DVR國家標準。2006年國家質量監檢總局發布的《視頻安防監控數字錄像設備國家標準 GB 20815-2006》規定，DVR的等級劃分A級（分辨率不小于4CIF）和B級（分辨率小于4CIF）。如果按照以上廠家的評價標準要求來看，DVR中A級產品為高清產品，B級為通用產品，即4CIF（分辨率為704×576）為高清，CIF（分辨率為352×288）為普通清晰度。

　　隨著科學技術的進步，“高清”技術必然引入視頻監控領域，視頻監控行業的高清標準也會不斷完善。

3、高清前端采集技術

　　高清的視頻效果的保證首先來源于高清信息的采集，如果沒有前端高清視頻采集，無法談及后端的高清效果。無論是槍機、一體機還是網絡攝像機、模擬攝像機，采集的原理都是一致的，只是技術和器件上的區別。對于高清監控系統，前端采集設備一般使用網絡攝像機。我們知道，攝像機的清晰度主要取決于感光芯片的性能，主要有CCD和CMOS兩種，在高清監控領域，也都有所應用。

　　CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件。CCD為數位相機中可記錄光線變化的半導體，它是一種半導體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。CCD對監控場景的適應性更佳，在低照度下效果表現更好。CCD由以前1/4英寸到現在1/3英寸、1/2英寸甚至2/3英寸等，代表了其技術的不斷發展，再經過圖像處理芯片的配合，能夠達到分辨率720P甚至1080i的輸出。

　　CMOS英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體，CMOS和CCD一樣同為在數碼相機中可記錄光線變化的半導體，而隨著CMOS在制造工藝和影像處理技術上的不斷突破，業內對CMOS的前景預測也越來越樂觀。高清數字影像的普及更是CMOS技術發展的一個難得機遇。而且，與CCD相比，CMOS的制造原理更加簡單，體積更小，功耗可以大大的降低，種種跡像表明：圖像傳感器的領域正面臨著一個重大轉折，盡管從目前的狀況看，CMOS與CCD圖像傳感器的應用市場仍然有一個分界，但這個界限似乎越來越模糊。有專家預言，隨著300萬像素的CMOS圖像傳感器的上市，圖像傳感器即將進入“CMOS時代”。CMOS在高像素方面有著一定的優勢。

另外，鏡頭要能夠保證進光量和角度，同時還要有一個適宜調焦和光圈來配合感光元器件的成像，因為高清的視頻通常依賴于一個調焦的操作。對于焦距和光圈不滿足實際需求來說，高清攝像機也惘然。在一體機中通常配合較高的變倍來更好的體現高清的效果。當然，評價一個高清攝像機，除了清晰度外，還有其他許多影響圖像質量的因素，如超寬動態、自動白平衡、自動測光補償等等。

4、高清編碼標準

　　除了采集外，高清圖像編碼也是重要環節，高清視頻編碼最常用的編碼格式是MPEG2-TS、MPEG4、H.264和VC-1這四種算法。

　　MPEG2由MPEG（Moving Picture Experts Group）運動圖像專家組制定，這是國際標準化組織（ISO）于1988年成立的專責制定有關運動壓縮編碼標準的工作組，制定的標準是國際通用標準。DVD即是MPEG2編碼，隨著技術的改進，它在高清視頻方面也得到了應用。MPEG2最大的缺點就是文件體積過大，不過它也有一個優點，那就是相對于另外兩種編碼，它對于系統資源的消耗是最小的。但是隨著硬件技術的發展，H.264和VC-1的解碼必然會成為DVD那樣，任何主流的配置都能流暢播放。

　　MPEG4主要用于低帶寬應用和交互式圖形應用（游戲等合成內容）、交互式多媒體（ W W W 等內容分發和訪問技術）應用， MPEG專家組成立了MPEG4工作組，以促進上述三個領域的集成。1999年初，定義標準框架的MPEG4（第一版）成為國際標準（ISO/IEC 14496-1），提供多種算法和工具的第二版已于1999年底成為國際標準（ISO/IEC 14496-2）。

　　H.264也許是最有前途的一個了，相對于MPEG2、 MPEG4而言，其壓縮效率是三種編碼中最高的。H.264標準由國際電信聯盟電信標準化部（ITU-T）和國際標準化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）共同研究發布，因此H.264有兩個名稱，一個是沿用 ITU-T組織的H.26x名稱，叫“H.264”，另一個則是A V C （ 高級視頻編碼）。H.264格式的最大特點是在保證畫面質量的情況下，它可以把文件大小控制在MPEG2格式的二分之一甚至三分之一。所以其更高的壓縮比、更好的IP和無線網絡信道的適應性，在數字視頻通信和存儲領域得到越來越廣泛的應用。但是需要注意的是，H.264獲得優越性能的代價是計算復雜度增加，因此H.264的硬件要求是最高的。

　　微軟公司在2003年9月提出了VC-1編碼格式(開發代號Corona)，目前已經得到了 MovieBeam、Modeo等不少公司的采納，同時也包含在HD DVD和藍光中，包括華納和環球等影業公司也有采用這種格式的意向。VC-1基于微軟windows Media Video9 ( WMV9 )格式， 而WMV9格式現在已經成為VC-1標準的實際執行部分。VC-1是最后被認可的高清編碼格式，因為有微軟的后臺，所以這種編碼格式不能小窺，相對于MPEG2，VC-1的壓縮比更高；但相對于H.264而言，編碼解碼的計算則要稍小一些。

? AVS是基于我國自主創新技術和國際公開技術所構建的標準，主要面向高清晰度和高質量數字電視廣播、網絡電視、數字存儲媒體和其他相關應用，具有性能高（與H.264相當）、復雜度低（算法復雜度比H.264明顯低）、我國掌握主要知識產權、專利授權模式簡單且費用低等特點?；诖?，可以認為AVS標準是能夠支撐國家數字音視頻產業發展的重要標準，也是安防監控行業應該采納的重要標準。

　　JPEG2000 是一種圖像編碼格式, 而并不是視頻編碼格式, 設計之初是用于取代JPEG , 而視頻序列的每一幀畫面也相當于是一幅圖像,與其前輩JPEG相比, JPEG2000放棄了以離散余弦變換DCT為主的區塊編碼方式, 而改為采用以小波變換為主的多解析編碼方式, 壓縮率比JPEG 高約 30% 左右, 同時JPEG2000支持有損和無損壓縮。JPEG2000有幾個重要特性, 支持“漸進傳輸”及“感興趣區域編碼”。在清晰度方面, 它可以先解碼一副畫面的四分之一尺寸, 然后再二分之一, 最后解碼出整幅畫面；在圖像質量方面, 它可以先傳輸圖像的輪廓, 然后逐步傳輸數據, 不斷提高圖像質量, 讓圖像由朦朧到清晰顯示;“感興趣區域”是指用戶可以任意指定圖像上感興趣區域的壓縮質量, 還可以選擇指定的部份先解壓縮, 便于突出重點。但JPEG2000計算量太大，壓縮率不高，目前很難在嵌入式實時系統中實現，對存儲傳輸也提出了較高的要求，目前僅有一些高清專用系統采用了這個算法。

　　在編碼芯片上，一般有DSP、ASIC等可供選擇。DSP方案，如達芬奇數字媒體處理器TMS320DM6467，是基于DSP的SOC（片上系統），集成了300MHz的ARM內核和600MHz的DSP內核，并采用高清視頻協處理器，在執行H．264 HP@L4(1080p 30fps、1080i 60fps、720p 60fps)的同步多格式高清編碼、解碼與轉碼方面，表現出色。還有一款高清入門級的TI芯片DM355，它內置了編解碼算法實現，能夠以720p格式與每秒30幀的速度提供高清MPEG4 SP編解碼能力，是快速開發入門級高清編碼產品的不錯選擇。ASIC方案，如海思3511的處理器，一款基于ARM9處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成、可編程、支持H.264和MJPEG（Motion JPEG是一種視頻壓縮格式，其中每一幀圖像 都分別使用JPEG 編碼）等多協議的優點，可廣泛應用于實時視頻通信、數字圖像監控、網絡攝像機等領域。

5、高清傳輸技術

　　監控系統傳輸技術主要有視頻基帶傳輸、光纖傳輸、網絡傳輸、微波傳輸、雙絞線平衡傳輸和寬頻共纜傳輸六種傳輸方式。每種傳輸技術都有其自身特點，有各自的應用層面，對于一個復雜的監控系統往往根據不同的傳輸距離，不同的監控要求，采用不同的傳輸方式。面對高清應用的超大數據量，以及實時性的要求，采用光纖傳輸是解決長距離視頻監控高速傳輸系統的最佳解決方式，通過把視頻及控制信號轉換為光信號在光纖中傳輸。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、不受電磁波干擾、重量輕、保密性好等一系列優點，廣泛應用于國家及省市級的主干通信網絡、有線電視網絡及高速寬帶計算機網絡。而在視頻監控系統中，光纖傳輸也已成為長距離音視頻及控制信號傳輸的首選方式。但光纖傳輸需專門的技術人員負責光纖熔接及設備維護方面的工作，另外對于近距離監控信號傳輸不夠經濟。

　　舉例來說，高清意味著需要更高帶寬。一般認為，H.264編碼D1(720×576)畫質的碼流為2M左右，那么以1080P計算，畫面尺寸約是D1的5倍，簡單計算，碼流也是5倍。因此，H.264編碼的一個1080P高清畫面所用帶寬約為10M，與D1畫質的MPEG2相當。由此可以看出，對于“高清”，網絡傳輸并沒有特別的要求。不過有一點必須指出，目前的互聯網是不能夠承載高清畫質的，必須是專網甚至光纖。相比模擬傳輸，數字網絡傳輸高清視頻具有得天獨厚的優勢。

?當然，由于高清占用了更高的網絡帶寬，在組建高清系統特別是大路數高清系統時對于網絡帶寬的使用還是應該精打細算。例如，如果使用100M以太網，實際上同時只能承載5路左右的高清圖像（考慮到以太網的碰撞偵聽特性）。如果同一視頻源有多個用戶訪問，占用的帶寬會更大。因此對于系統設計、組播、轉發等技術的使用就顯得尤為重要。

6、高清顯示技術

　　后端的顯示設備一般分為CRT、LCD、PDP三種。受高清電視技術發展的影響，監控顯示設備的高清化速度非?？?。

　　CRT器件以其亮度高、反差大、色彩還原好、圖像細膩等優勢，一直保持著高指標、高質量的水平，是三種器件中觀看效果最好的。但由于受到自身重量、體積等因素影響，CRT監視器一般用于技術監看，適用于對圖像總體質量的最終把握。而LCD、PDP器件由于采用逐點顯示方式，沒有回掃線，具有圖像細膩、無閃爍現象，不易造成視覺疲勞的優勢。其中，LCD監視器以輕薄、省電為特色，PDP以高亮度、大尺寸聞名。

　　但三種顯示器件也都存在各自的缺點。CRT最主要的問題是體積龐大、耗電高、容易磁化。PDP的主要問題是小尺寸屏幕加工困難、屏幕發熱、有燒蝕。LCD的主要問題是亮度不高、有延時。

　　高清效果必須使用大尺寸顯示器才能表現出來。真正達到1920×1080分辨率的監視器，LCD最小尺寸至少20英寸，PDP最小50英寸，CRT至少20英寸以上。

　　在軌道交通、平安城市等大型圖像聯網指揮中心，大都使用了拼接大屏。目前拼接屏中DLP最成熟，但LCD的拼接系統也在逐漸搶占市場。LCD拼接系統目前有個2cm左右縫技術沒有解決，因此在高端使用有些受限。單從清晰角度來說，LCD完全可以滿足1080p的使用要求。

　　現在一些新的顯示技術帶來了產品的不斷升級，如索尼OLED高清屏僅0.3mm厚，日本NICT推出裸眼可視3D顯示產品，還有適用于柔性顯示的EPD等技術將逐漸把各種顯示技術應用到產品，適應于工作、生活的各方面。這些產品無一不把高清放在最重要的位置，未來的高清顯示產品將會擁有更加地多種多樣、多姿多彩的市場，也必將滲透到監控領域之中。

　　同時，高清接口也有了DVI或HDMI等數字多媒體接口。

　　DVI信號的傳輸完全采用了數字格式，保證了視頻源到顯示終端的傳輸過程中資料的完整性，可以得到更快捷的傳輸速度以及更清晰的影像。所以，具備DVI接口的顯示終端都是數字顯示終端。DVI接口有三種，分別是DVI-Digital（DVI-D）、DVI-Analog（DVI-A）和DVI-Integrated（DVI-I）。其不同之處在于DVI-D只支持數字顯示的設備；而DVI-A類似于VGA接口，采用模擬信號傳輸；而 DVI-I則是同時支持數字顯示和模擬顯示，并且可以兼容使用DVI-D的設備。

　　HDMI避免了DVI有著接口面積過大、不能傳輸音頻等缺點，HDMI其最高傳輸速度雖然小于DVI（DVI可達8Gbps，HDMI為5Gbps，最高畫質的HDTV信號傳輸需要2Gbps），但還支持八聲道96kHz或單聲道的192kHz的數碼音頻傳輸（支持Dolby Digital/DTS格式），無需單獨使用音頻連接線。同時其連接線的長度也可以達到20多米（DVI線在8米以上就會影響畫質）。HDMI接口為19針，在針腳上和DVI兼容，只是采用了不同的封裝，可以通過轉換器兼容DVI接口。與DVI接口相比，HDMI不僅擁有更高帶寬和更高分辨力等特性，還能集視頻傳輸和音頻傳輸于一身，大大簡化了線纜連接設置。HDMI還能夠向下兼容DVI，只要增加一個轉接器，就能夠實現兩者的互連。因此，HDMI已于2007年取代了DVI在數字視頻接口的統治地位。

7、高清的發展方向和前景

　　首先，來看超高清技術的發展。日本在上世紀90年代就已研究出畫面分辨率為7680x4320像素的超高清晰視頻系統UHDV了，畫質好得令人難以置信。因其掃描行可達4000以上，故新系統被命名為4000(4K行)掃描線超高清晰度視頻系統。超高清是在高清基礎上的發展，其清晰度比目前市場上最先進的高清電視還要高出16倍。當然，新一代超高清主要還是為大屏幕電視或電視墻設計，因為在常規尺寸的電視上，肉眼無法分辨超高清電視技術帶來的畫面質量的改善。在安防監控領域，采用JPEG2000編碼技術的1600萬像素IPC已經問世，可達到4872×3248的超高分辨率。

　　其次，是激光顯示技術的發展。顯示技術在歷經黑白、彩色和數字高清顯示時代后，將迎來大色域顯示時代。三槍CRT使顯示產品由黑白顯示走向彩色顯示，較好地再現了客觀世界。隨著數字技術的發展，高解析度視頻圖像的壓縮、傳輸以及解碼技術在圖像領域的廣泛應用，視頻信號也由模擬信號轉變為數字信號，從而解決了高分辨率畫面的傳輸帶寬和畫面穩定問題。然而，由于顯示發光光源的制約，前三代顯示技術僅能再現人眼所能識別的色彩空間的30%，致使70%的色彩無法通過顯示讓人們來感知，因此顏色的真實再現是下一代顯示的關鍵。激光顯示技術是以紅（R）、綠（G）、藍(B)三基色激光為光源的顯示技術，其充分利用激光波長可選擇性和高光譜亮度的特點，使顯示圖像具有更大的色域表現空間，可以最真實地再現客觀世界豐富、艷麗的色彩，提供更具震撼的表現力。激光顯示色域覆蓋率可達90％，色彩飽和度為傳統顯示的100倍以上，同時完全繼承數字高清時代的高分辨率、數字信號等特征，實現人類有史以來最完美的色彩還原。我國激光顯示技術研究是國家863計劃項目，目前技術上與世界同步。預計在2010年以后，激光顯示大屏即將面世。

　　再次，高清技術的發展將推動圖像識別和智能分析技術的發展和應用，叫好不叫座的圖像識別和智能分析技術一直未能得到業界普遍期待的大規模應用。主要原因是識別的精確度離用戶的期待還有不小的差距，而圖像的分辨率則是影響識別精確度的主要因素，高清監控技術的發揮和大規模市場應用將會為圖像識別和智能分析技術的推廣應用帶來前所未有的機遇。如人臉識別技術的應用，目前主要應用于經特別設計的出入口通道等場合，每次也只能識別一張人臉，高清監控技術的應用將大大提高識別效率，拓展應用場合，如城市治安監控、銀行營業廳監控、車站廣場監控中的應用。

　　此外，要注意的是，安防監控畫面與電視電影畫面的要求有著很大的差別。比如，在畫面內容方面，電視講究好看，色彩豐富，場景壯觀；而監控則要求畫面真實，關注的對象細致可察，并不講究好看不好看。16:9的畫面比例是國內外高清電視標準相同的指標，符合黃金分割，也符合人眼觀賞的舒適感。但是，安防監控要的是對場景、目標的關注，對行為細節的體現，16:9是否真的符合監控場景需求還值得商榷。目前國內安防行業沒有對高清監控的標準定義，許多廠家都在宣傳自己的產品“高清”。對于電視而言，如果分辨率能達到1080p，就可以算是高清，但這一標準卻未必完全適用于安防。高清是監控發展的必然趨勢，但將來會有什么樣的標準，或者說大家公認的高清會是什么概念，目前還沒有定論。且讓我們拭目以待，相信在未來三年，我們就能找到答案。

8、結束語

　　隨著不斷提高的監控技術的發展，高清作為監控技術發展的主要方向之一，結合網絡技術帶來新的變革，在不斷滿足市場競爭需求的同時，趨向于一種理性的思考，高清監控正是以一種高姿態、高要求進入我們的世界。在不斷發展的監控技術領域，高清監控也將是一顆璀璨的明星，它的光芒在重新審視著我們周圍的世界。