4K监控来袭

上网时间: 2015年02月12日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:系统建设架构初现雏形?

根据中国安全防范产品行业协会最新的统计数据显示,2014年国内安防行业总产值约为4,280亿人民币,5年来平均增长率为17.4%,展望新的一年,安防产业仍将保持平稳的增长速度,总产值更有望突破5,000亿人民币大关。在当前主流的视频监控技术演进之中,伴随着普通消费类视频应用快速迈向4K时代,安防监控行业也紧跟这股大潮,掀起了新一轮的技术升级与系统更新。

4K高清规格(在4K电视或4K显示器领域一般指分辨率为3840×2160)大幅改善了视频分辨率,增加了有效信息的获取,从而获得了用户市场的认可。更可喜的是,目前已有一些4K或者类似分辨率的监控摄像机开始进入实际应用阶段,例如,在平安城市、智能交通等领域,利用4K高清摄像机可同时监控至少3个车道,扩大了监视范围,且在人脸、动作、车牌等文字标识细节上更清晰;在无人机航拍等应用中,这类摄像机也被用于民用娱乐、测绘地图、交通违规检查等等。为了支持整体系统上升至4K画质水平,迫切要求从前端摄像机的感光元件、信号处理器、视频编解码芯片,到后端系统的建设,都必须要将更高的视频压缩比(H.265)、更快的传输速率、更佳的图像呈现质量作为实现的总体目标。

前端全帧率4K SoC方案面市

首先,4K视频必然带来网络带宽占用和存储的压力,这不仅需要改善现有的网络存储基础设施,而且还要不断优化编码器,提升编码效率。从目前市场的情况来看,可以支持4K视频监控效果的解决方案大致包括采用优化编码算法的H.264以及H.265编码算法两种。选用更先进的H.264视频编解码技术,对于后端设备的兼容性会更方便,在现阶段的实际应用中也更成熟;而随着H.265编码技术的逐步成熟,后端解码器的升级和整体生态环境的更新也开始初露端倪。

采用创新的编码工具和码率控制策略,安霸半导体的SmartAVC技术可以使编码优化的H.264比普通H.264在相同质量下有多至30%的码率降低,且兼容现有的解码器。“目前市场上有一些高像素、但低帧率的类似产品,或是用多芯片DSP来做的4K网络摄像机方案,而安霸半导体开发的4K网络摄像机SoC方案S2是行业中首家也是少数能够做到单芯片4K@30帧H.264的方案。”安霸半导体(技术)上海有限公司软件研发总监孙鲁毅说。

4K监控来袭_《国际电子商情》安霸半导体(技术)上海有限公司软件研发总监孙鲁毅_1
安霸半导体(技术)上海有限公司软件研发总监孙鲁毅

相比其它方案,安霸的单芯片方案功耗更低,相同质量码率更低(全帧率4K视频只要8Mbps码率就可达到较好的质量),图像细节丰富自然。S2采用的是优化过的标准H.264算法,兼容性好;在图像传感器方面,S2支持市面上已有的所有主流4K传感器接口,并且对其中最佳选择做了图像调整和优化,为高质量的4K网络监控效果奠定了坚实的基础。此外,安霸方案的4K摄像机还可支持在低照度时经过超采样而录制高质量的1080P视频,低照度效果比1080P的摄像机更好;同时还支持4K摄像机做四个1080P的不同区域编码,看上去就像是四个虚拟摄像机,支持数字平移和缩放。另据介绍,安霸最新支持H.265或HEVC(高效视频编码)视频标准的S3系列IP摄像机SoC方案也于去年年底正式发布。

4K监控来袭_《国际电子商情》深圳市海思半导体有限公司高级产品经理季健佼_2
深圳市海思半导体有限公司高级产品经理季健佼

针对H.265视频编解码技术,深圳市海思半导体有限公司高级产品经理季健佼分析道:“在当前的高清视频监控中存在两个最主要的问题:网络传输带宽与海量数据存储。有没有一种方案,既可以大幅降低码流,又可以保证高质量的图像画质呢?答案是采用更先进的视频编码技术H.265/HEVC。”与H.264/AVC相比,H.265/HEVC的最大本领是可以在维持画质基本不变的前提下,让数据传输带宽缩减至H.264/AVC的一半。同时其还支持最高为7680×4320的分辨率,因此不管是以后的4K或者是更高级别的超高清视频,都可以通过H.265/HEVC格式进行编码。2014年底,海思半导体隆重推出H.265/HEVC解决方案的Hi3516A与Hi3536处理器,解决了超高清画质和低带宽网络传输、存储与显示等难题,未来时间内,海思将计划通过独创的“通用CPU+IVE智能加速引擎”技术,为视频监控行业注入新的推动力。

4K视频监控整体系统成形

除了前端摄像机之外,近期,一系列中后端高清视频处理软件和硬件解决方案也出现在市场之上。季健佼表示道:“对于视频监控应用来说,只有前端超高清视频采集设备是不能构成整体超高清视频监控系统的,还需要有超高清视频监控后端存储和显示产品来做支持。”

海思半导体在2015年1月配套推出了业界第一颗专业H.265/HEVC超高清视频监控存储和显示产品NVR处理器Hi3536。该Hi3536处理器采用海思半导体高性能的视频编解码器,最高可实时解码16路1080P H.265/HEVC视频流或4路4K H.265/HEVC视频流,支持视频以4K@60帧的速率显示,或同时支持多达9路1080P@30帧高清显示输出。

Hi3536灵活的高性能4核ARM Cortex-A17处理器(性能是同频率Cortex-A9处理器的1.6倍),主频高达1.6GHz,集成一颗ARM顶级GPU-Mali T720,可支持客户实现各种UI和智能相关辅助功能的设计,并配合海思自有的第二代智能分析协处理单元IVE 2.0,提供周界防范、人脸识别等多达40种智能分析应用。Hi3536还集成多达4个SATA 3.0接口,可满足超高清存储需求,支持双GMAC,网络速率高达640Mbit/s。

而从现有系统升级的角度出发,如何可以最大限度地保护用户的投资成本,对于现阶段4K高清监控的应用推广具有关键意义。“4K网络摄像机目前的价格要比普通高清720P/1080P摄像机偏高,因此,4K网络摄像机与普通高清摄像机搭配使用是一种较好的实现方案,例如可以让4K 摄像机覆盖较为宽广的场景,而让普通摄像机集中在具体的‘点’。”孙鲁毅建议道。

例如,对于现有的解码器,如果可以通过升级支持4K网络解码的话,也可以同时兼容解码普通高清。在显示端,4K视频的最佳显示设备是4K电视或监视器,但如果客户要用已经有的1080P显示设备来呈现4K视频的话,可以采取“四个拼一个”的拼接方案,或是使用4K视频的DPTZ功能,从而可以存储全部的4K视频,而只显示缩放或裁剪下来的1080P画面。另外,如果解码器只能做1080P解码,显示设备也只能实现1080P显示的话,4K摄像机可生成四路1080P编码视频,相当于画面四分割,这样就可以很自然地和原有的设备直接兼容。

4K监控来袭_《国际电子商情》深圳中兴力维技术有限公司算法工程师王新伟_3
深圳中兴力维技术有限公司算法工程师王新伟

在去年的安防展上,深圳中兴力维技术有限公司利用自研的H.265算法推出了200万像素高清摄像机,只用1.5Mbps码流就可以显示清晰明亮的视频;目前该公司正加紧研发支持4K超高清的NVR设备,预计很快将有产品面世。中兴力维算法工程师王新伟表示,4K监控利用其更高的分辨率优势可以在重点监控场景中得到应用,例如在道路监控的事故多发路段、重点十字路口,以及大厦重点监控进出口等。特别是运用全景摄像机的大视角特点,结合4K监控的高清晰度,将会在以后的安防应用中大有用武之地。

降低系统构建成本是关键

从视频监控系统的发展来看,从最初局域范围内“看”和“控”的业务需求,发展到由硬盘录像机所带来的记录功能,随着视频监控规模的进一步扩大,两个新的业务需求逐渐浮现:即“管”和“用”。总体而言,视频监控系统的发展走势正是“看、控、存、管、用”这五种业务元素从单一到多元、从简单到复杂、从局域到广域的内在需求驱动所致。

季健佼认为,用IP网络作为视频传输通道,基于NGN架构将视频监控系统的各个部件部署并管理,所有部件和资源包括前端、存储、传输、显示、控制都可以实现全网全域的管理和调度,且由于NGN架构本身脱胎于通信大网的设计,采用控制和业务分离的模式不会随着系统规模的扩大而出现业务性能的瓶颈,因此,IP网络视频监控代表着未来的主流发展方向。

反观纯模拟技术,孙鲁毅表示,在高清化发展上,目前一些较具争议的方案基本上都是经过调制过而非编码过的数字视频,这些非编码而是调制过的数字视频在特定的情况下可能会有市场需求,因为前端摄像机较简单。但总的来说,数据量远远大于经过编码过的视频,而且不容易网络化,布线的拓扑结构也不如网络容易。这些数字调制式彼此不兼容,难以统一市场规范,而且这些类型的摄像机也不像网络摄像机那样容易控制,其数据安全也没有保证。而数字编码视频技术,由于网络媒体、社交软件等视频的大量应用,已经有了多种成熟的安全标准,得到了多种硬件和软件支持。在未来的应用中,传统的模拟和模拟改进的技术可能会在局部监控中成为网络摄像机的补充,但难以占据主流市场。

当然,不得不承认的是,在全行业迅速迈向4K监控之际,仍然需要继续解决产品使用成本和高品质保障这两大难题。王新伟表示:“现阶段要解决的还是成本问题。如果各部分都采用最新技术和最优产品,是可以推出一套完整的4K监控方案,但相对于1080P等高清系统来说,成本太高,在安防这个非常注重性价比的市场上,确实存在着相当大的推广阻力。”

孙鲁毅也举例说明道,常见的4K图像传感器在相同面积下,单个像素更小,在光照较好的情况下分辨率较高,但在低照度下有一定的局限性,除非用稍微大一点的图像传感器(1/1.7英寸或更大),而更大尺寸的CMOS传感器价格仍偏高,目前还难以成为主流产品。另一方面,4K视频的长宽比一般为16:9,与传统数码相机的4:3不同,要展示高质量4K画面,镜头至少要在12M分辨率以上,能够达到4K画质要求的镜头还不多,有待光学厂商进一步研发。此外,镜头的安装和图像传感器的平整度是个难题,这方面的校准目前只有大厂有相应设备和经验可以做到,如果模具精度不够,采用粗放型生产安装,就很难保证画面四角质量的一致性。

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