高清高速球的发展之路:卓越、智能、人性化

文/李意元

视频监控需求与经济水平高度相关，据权威机构对全球视频监控市场增长率预测，全球市场销售额2009年至2013年间保持11.86%的年均复合增长率，2014年整个视频监控市场价值将超过410亿美元。中国是全球安防领域增长速度最快的市场之一,“十二五”期间我国安防视频监控市场预计将保持年均20%以上的增长速度。在视频监控系统中，前端高清高速球凭借360°无死角监控、快速变焦定位、定点定时巡航等其他摄像机无法具备的优势，快速提升其市场占有率，在平安城市治安监控和交通监控等需要大范围监控的场所中得到广泛应用。本文主要探讨高清高速球的发展现状及未来的技术发展趋势。

高清高速球关键技术发展现状

随着网络化、高清化、智能化技术的快速发展，普通模拟高速球机和网络标清高速球机市场出现明显萎缩，一些没有掌握核心技术的企业陷入了价格战。高清高速球机则凭借自身高清图像质量、高效编码性能、卓越互联互通性能、多样化安全性保证及人性化功能设计快速占领市场，成为前端视频监控的利器。

高清图像质量

前端作为图像采集的核心部分，给人眼最直观的莫过于图像效果。具备自主机芯研发能力的厂家均在ISP（图像信号处理）技术上不断优化提升，同时通过算法和多样化的功能来提升球机的全天监控效果。

ISP技术主要是对摄像机传感器输出的原始图像进行处理，获得更加接近拍摄的真实场景图像。一方面，通过镜头的优化，采用高折射率、低色散光学变焦镜头，配合独特的光圈联动技术，提供优质的画面和极高的画面解像度。另一方面，通过高清ISP技术，优化图像处理芯片内部参数，提升输出图像的清晰度和色彩还原度。优化色彩抑制处理，解决夜间低照度环境下彩色噪点多的问题。优化坏点校正和固态噪声抑制处理，使夜间输出的图像更加干净细腻。优化钠灯和日光灯白平衡方式的处理，还原多样化场景下的真实色彩。

图1 ：不同ISP技术的色彩还原效果区别

摄像机ISP技术——视频透雾

在雾霾天气下，空气中的液滴和固体小颗粒使户外监控质量降低，图像显得色彩黯淡、对比度低，一些重要目标的细节难以观察，视频监控的实用性受到很大影响。实时视频透雾原理是基于大气透射模型，区分图像不同区域景深与雾浓度，并进行滤波处理，同时融合图像增强技术与图像复原技术，获得准确、自然的透雾图像。目前，国内一些领先的安防企业，如海康威视高清高速球机已具备实时视频透雾技术，主要应用于高速公路的交通事故易发区段、高速公路卡口等多种户外场所。

图2：实时视频透雾效果区别

摄像机ISP技术——数字宽动态

当在强光源照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。数字宽动态技术，通过对视频图像中高亮区域、黑暗区域进行侦测，并实时的将亮区和暗区进行曲线校正和色彩调整，避免了高对比度或背景光线较强场景下，暗区图像丢失，亮区色彩失真的问题，在无需更换传感器的前提下，仍可得到清晰、自然的图像细节。

图3：数字宽动态效果区别

摄像机ISP技术——聚焦算法

平安城市治安监控中，夜间道路监控对行进中的车聚焦出现虚焦和交叉十字架是普遍存在的问题，当球机镜头角度和点光源接近平行时，画面效果更差。通过智能聚焦算法，优化点光源聚焦，智能判断图像中亮暗区域，可做到一次性聚准，同时搭配强光抑制功能，解决道路监控点光源聚焦问题。通过运动聚焦算法，优化对运动物体的聚焦，聚焦速度更快，聚焦精度更准。

图4：不同聚焦算法效果区别

摄像机ISP技术——3D数字降噪

夜间低照度监控场景下，当光线不足时，视频监控画面中容易出现明显的噪点，早期产品中，一般厂家均采用2D数字降噪技术，对传输的图像信号进行降噪处理，但是效果改善不明显。随着技术的发展，3D数字降噪技术在原有2D降噪的基础上，加强对原始信号进行降噪处理，采用3D时空域联合降噪处理，结合准确的噪声强度估计算法，在光照理想、噪声较低时图像清晰细节没有损伤，光照不足时噪声明显抑制，图像细节大量保留，有效提升视频监控图像质量和节省码率。

图5：3D数字降噪效果区别

高效编码性能

随着球机DSP性能的不断提升，高效编码引擎全面开启，目前高清高速球机可以支持标准H.264/MJPEG/MPEG4多种压缩格式，三码流传输及高性能的压缩比使得图像传输更为轻松。

高效编码性能——三码流

三码流是指高清高速球可同时生成三路视频码流，每一路视频流可以分别设置不同的分辨率、帧率和编码方式，主码流推荐用于局域网内预览及存储。子码流推荐用于网络传输，通过手机进行实时预览。第三码流推荐用于公网客户端访问，根据实际带宽大小，提供从标清到高清的分辨率可选，满足不同网络条件的终端客户访问需求。

高效编码性能——低码率

之前，制约着网络高清设备普及的重要因素之一就是高清要求的传输带宽和存储空间相对于标清来说非常大。早前基于H.264 Baseline Profile编码压缩方式，在保证图像质量的前提下，720p分辨率下的高清视频传输推荐采用3～4Mbps的码率，1080p分辨率下的高清视频传输推荐采用6～8Mbps的码率。目前随着编码性能的提升，高清高速球机上普遍采用H.264 High Profile的编码格式，720p分辨率下的高清视频传输推荐采用1～2Mbps的码率，1080p分辨率下的高清视频传输推荐采用2～4Mbps的码率，网络传输带宽和存储空间均减半的改善，也切实的推动了网络高清的普及。而在接下来的几年，基于H.264改进的H.265将后来居上，在高清高速球上实现H.265的压缩编码能力也将成为可能，H.265旨在有限带宽下传输更高质量的网络视频，满足高清视频监控的需要。

高效编码性能——ROI编码

视频监控中，人们通常只对某一个特定区域感兴趣，如车牌和人脸等关键信息。在实际监控中经常存在由于带宽有限，导致网络传输图像整体不够清晰，从而错过了画面中很多的重要信息。ROI(感兴趣区域)压缩编码技术在图像中对感兴趣区域进行无损压缩或近无损压缩，保证图像质量，而对背景区域进行有损压缩。这样在不提高码流的情况下，获得视频监控的关键信息。适用于带宽不够的条件下依然需要看清关键目标。目前一些厂家的高清高速球机上已具备该功能，后续再配合人脸检测识别等功能，将成为未来智能的新趋势。

卓越互联互通性能

视频监控行业厂商众多，大项目中的联网高清监控不可能出现一家独大，而往往是多足鼎立的局面。所以高清高速球机需要支持通用的接入标准，通过支持国内的接入标准GB/T28181和网络标准协议Onvif、PSIA、CGI来提升接入便利性，使组网变得更加灵活。

多样化安全性保证

高清高速球机通过断网续传功能，在网络断开时启用前端SD卡进行数据存储，当网络恢复正常时，SD卡中的录像则主动上传至中心，确保录像存储安全性。通过IP地址过滤功能，根据实际应用的需要允许或禁止部分IP地址登陆球机，实现网络安全性的保障。通过隐私遮蔽功能，划定多个区域，多种颜色和模式可供选择，确保监控的合法安全性。

人性化功能设计

每个厂商的高清高速球机都具备360°无死角监控、变焦定位的功能，但是在一些人性化的功能设计上，还是存在一定的差异，好的人性化功能设计将带来较好的用户体验。通过智能运动跟踪功能，变被动监控为主动防御，使得监控更为灵活有效。通过3D定位功能，快速、准确捕获细节，使得监控跟踪目标显示在画面中心。通过守望功能，在实际应用中降低球机监控失效的风险。通过定时任务功能，在复杂应用中降低人工控制成本。

高清高速球应用趋势

随着网络化、高清化、智能化技术的普及，各厂商也主动加快高速球机网络化、高清化、智能化技术的升级，不断推出更高品质的高清高速球。未来高清高速球将朝着高清化、智能化和技术融合化的方向不断发展，提升高清高速球在视频监控中的价值。

高清普及

目前，各厂商主流的高清高速球机的分辨率多数为720p和1080p。有些厂商推出300万的高清球机，但是其传输为15fps，不适合实时视频监控应用。我们需要追求更高的清晰度、更高倍率的高清高速球机，搭配更优的低照度、更高的帧率来实现看得更广、看得更清、看得更流畅的视频监控画面。

智能进入实战应用

智能技术已经发展了很多年，也在实际应用中积累了很多经验，智能分析的准确性也是越来越高，现在自动跟踪的智能技术已经应用于高清高速球上面，通过自动跟踪功能，使得工作人员能够从繁杂的操作过程中解脱出来，而高清高速球机可以智能的探测、跟踪监控目标物体，实现对运动目标的自动跟踪、录像、报警。后续，再配合前面提到的ROI功能和人脸检测识别等功能，可极大提升整体监控价值。

技术融合

高清高速球机目前仅仅是实现大场景监控的功能，但是在未来则将融合更多的技术应用。将车牌识别及频闪灯补光等技术应用在高清高速球上面，解决道路视频监控既要看清车牌又要看清区域环境的问题。将感知技术和图像诊断技术相融合，实现更为有效的视频监控。