4K，在市场期许中迎接技术大爆发

2018-08-09罗超

中国公共安全 2018年6期

□文 /本刊记者罗超

话说，从2010年起，高清和智能就是安防行业技术发展的主流。当来到2018年的时间节点，高清和智能依然是主流。高清的前沿技术是以4K为代表的超高清监控，智能化成为了人工智能大应用的新天地。本文从4K监控入手，看其成为当下主流前沿技术的价值体现与意义所在。

4K为行业带来新价值

对清晰度的无限追求是永恒话题，因此4K的存在就有其巨大市场应用价值，从而带来行业监控产品线的全线升级。

其一，更高清晰度的镜头应用。4k技术需要支持更高清的镜头，配置超高清成像的镜头顺理成章是流行趋势，这样也能充分发挥出4K技术的优势。腾龙的4K监控镜头最能代表当下的镜头前沿技术，他们产品对应的传感器靶面最大为1/1.8"，这也是目前4K监控摄像机最为常见的大靶面尺寸。同时，他们的镜头可满足搭载1/1.8"，并向下兼容1/2"、1/3"靶面传感器的摄像机的使用，也意味着4K之下分辨率的摄像机，都可搭配此镜头。此外，腾龙4K监控镜头采用了非球面镜片及LD（低色散）镜片技术，能有效抑制色差，以拍摄出色彩饱满、图像锐利的图像。从结构看，腾龙的4K监控镜头共有3组镜片，最前端为固定安装，在阳光下，从其折射的紫光来看，镜头镀膜层数、厚度、均匀度都到位，能有效杜绝鬼影现象出现，第二组镜片在镜筒内自由伸缩，从外往内看，在一片清澈的透视中给人以强烈的深邃感。而第三组镜片为由聚焦环控制的镜片组，用于将光影像投射到传感器上。

值得一提的是，现在有些4K大场景监控是通过多目镜头拼接完成，比如：去年新锐产品大华四目全景网络摄像机由4个镜头为1/2.8"200万超低照度CMOS图像传感器、3mm定焦特制镜头组合，分别拍摄四个角度，通过大华智能算法，自动识别四组画面之间的重叠部分，并自动矫正及拼接，输出4096×1800的4K全景画面，从而做到水平180°、垂直87°的大视野呈现，且拼接画面平整无畸变，视频效果更直观，超高清监控一目了然。像这种多目镜头拼接在行业内应用也较为常见，对单个4K监控镜头其实也带来不小的市场挑战。

其二，4K具有更高性能的编码芯片。随着H.265等最新编码的应用与普及，有不少厂家开始针对安防行业的特殊应用场景对H.264编码器进行优化，使之也可以在4K分辨率下保持较低的码率。比如在2016年索尼北京安防展会记者就有所接触，采访中得知索尼对H.264编码性能进行深度优化，可以在4K分辨率下保持每秒6M码流。与此同时，索尼利用ROI降低带宽，他们独有的智能编码和智能剪裁两大绝技。智能编码有助于减小比特率、降低存储/网络带宽和一张图像中的不同压缩率，而智能剪裁的高效监控能减少数据存储，降低更多的存储/网络带宽，能让用户纵观全局，形成焦点感兴趣区域。有了这些技术，索尼的4K监控摄像机能游刃有余的在H.264编码基础上实现4K监控。

当然，行业现在主流的肯定是H.265编码算法，甚至有行业有观点认为H.265就是为4K而生。H.265确实解决了超高清产品的存储和带宽的成本问题，但要想真正将4K应用起来，各厂家就必须要给用户提供一站式的超高清&H.265产品解决方案。即从最前端的支持H.265编码的4K摄像机，到可以存储H.265编码的NVR/CVR，能够解码H.265的解码器/视频综合平台，以及能够接入H.265视频流的中心平台软件。只有这样，4K和H.265才能真正结合，真正得到项目的实际应用。

其三，智能存储开始应用。为确保摄像机的4K（3840 x 2160）的画质，最低码流8M/s，一分钟480M；带宽允许下可以用16M/s，一分钟960M。如此来看，4K带来了存储的问题。通过智能存储的应用，解决4K占用超大存储空间的问题。除了提高压缩比，应用智能存储方法也是一种有效解决4K占用超大存储空间的方法。智能存储是指变码流存储，即在指定目标出现时高码流，无指定目标时低码流的存储方式，这样可以有效达到节省存储空间的目的。但是同样是由于技术原因，这样的存储方式还没有得到完全普及，之后关于智能存储技术会在4K存储介绍中涉及。

其四、后端解码和显示能力大幅提升。对于后端解码显示设备，处理4K分辨率视频需要更多的计算处理能力。这是一个新的挑战，是4K后端显示能否普及的关键之一，另外一点是如何压缩成本，推出亲民价格。

以上四点是4K在安防行业应用带来的价值，促发了相关配套的产品和技术的升级，更是安防行业又一次的技术飞跃，使视频监控行业朝着超高清监控迈出了坚实一步。以下我们从产品角度来分析4K的前沿技术。

摄像机的4K之道

如果将4K监控技术产品化，最为普及和彻底的就是前端监控摄像机。追根溯源，行业第一台4K监控摄像机要追溯到2014年由安讯士发布了全球首款4K分辨率网络摄像机AXIS P1428 E，该产品可提供每秒30FPS 3840x2160的解析度，专门面向户外与高要求的室内环境用户而设计。光从技术标准来看，4K摄像机有其天然的优势，能应用于公安、交通、广场、大厅等监控范围广，细节内容丰富的场景，能够在足够大的监控视野下，依然保证有足够清晰的监控画面。4K摄像机由于像素是1080P摄像机的4倍。因此，其更适合应用于对细节内容要求更高的场景，也引领了行业技术潮流。

首先，显示分辨率的提升，使得画面更加精细，影响画面的精细度有两个重要关键因素，一个是画面的像素，另一个是画面的垂直分辨率。画面的像素越高，在相同尺寸的画面上的像素就越精细，晶格就越小。而因为人眼对于影像的垂直分辨率相当敏感，越高的垂直分辨率，人眼就能辨识越多的细节与层次。

其次，色彩层次与细节的增强，使得画面更接近真实生活。从标清到高清显示系统的转变，实际上主要是分辨率方面的升级，在色彩方面并没有太过明显的提升。不过进入到4K超高清的时代，画面方面的变化除了分辨率出现飞跃之外，色彩方面的变化是相当引人注目的。这一部分都体现在ITU-R最新颁布的BT.2020超高清广播标准之中。

最后，4K视频系统处理的是10位，甚至是12位编码的视频信号。而现阶段高清或全高清系统通常采用的是8位的视频系统，而4K摄像机则采用10位甚至12位的视频系统。因此，无论是灰阶层次过渡还是色深的层次表现，都比高清系统有较大的提升。

从上可以看出，如果要研发一款优秀的4K监控摄像机，其场景应用的复杂性和技术的难度都不简单。以大华的2017新锐产品举例，4K星光级人脸识别网络摄像机，基于超大靶面的1100万4/3英寸CMOS图像传感器，这不仅为4K监控提供了最为坚实的保障，并在大华专利的ISP核心处理算法的配合下，使该摄像机获得4K超星光级的监控效果，能达到0. 001Lux@F1.4(彩色模式)；0.0001Lux@F1.4(黑白模式)。以超大靶面sensor为根本，来支撑4K超星光级监控效果。

华为是安防行业的后来者，倚借ICT方面的超强资源和创新至上的理念，华为在安防行业的技术能力以五星级速度在飙升。依托业界领先的自研芯片平台以及卓越的硬件设计制造能力，选用超大靶面的4/3英寸背照式CMOS感光元件及超高解析度光学变焦镜头，在安防行业领先推出4K星光级球机，凭借无与伦比的全天候超清画质将4K视频监控带入星光时代。在图像处理方面，华为深刻理解行业应用的需求，自主研发的ISP图像处理引擎支持多种图像增强算法，包括多帧宽动态，多级3D降噪、光学透雾，强光抑制，6轴防抖等，大大提高了摄像机在全天候环境与复杂光线条件下的图像质量。有了4K，华为的该机能全天候适用于各种苛刻环境，在交通、公安、银行、军队对于画面细节的提取，有莫大的帮助，极大提供了产品的实战能力。

在2017深圳安博会上，一线巨头都不同程度推出了4K监控摄像机产品，一股行业的4K技术风潮，由4K摄像机所引领。

4K存储开始大行其道

4K提升了行业价值，也带来挑战，最为明显一点就是存储压力成几何倍数提升，其原因是因为4K本身的图像更加清晰，细节更加丰富所造成的存储压力，其次是在当下随着智慧城市、雪亮工程的火热，摄像机点位越来越多，存储产品不仅要应付4K的存储压力，也需要面对海量摄像机资源的存储的压力。此外，4K还带来了存储成本的增加。在存储容量方面，由于码流翻倍、磁盘消耗翻倍，也就意味着相同的点位数需要投入两倍于原先的硬盘数量。另一方面，每个IPSAN或NVR都存在写入/读取的性能限制，在码流翻倍的情况下同一台设备能并发处理的路数会减半，需要更多的IPSAN或NVR。总而言之，由于在编码技术上的限制导致码流的翻倍，而码流的翻倍则需要投入成倍的硬盘、IPSAN、NVR，无形中4k的存储建设成本又增加了不少。

为此，行业的4K存储产品需要解决低码流的问题。传统的DVR不可能能胜任4K存储，普通的高清NVR也难以实现4K超高清视频监控的技术要求。为了解决行业对4K存储的渴望和多点数的接入，今年韩华推出了4K H.265 64路嵌入式NVR。该产品支持H.265和H.264视频编码方式，支持最大64路H.265解码输出，这是产品一大亮点，能满足中小规模应用场景的同时观看需要。相对H.264，H.265在保证画质相当的情况下，对网络带宽的需求减少50%左右，对存储需求也相应减少50%左右，让超高清画质及低带宽网络传输、存储与显示得以完美呈现。同时支持三星WiseStream编码摄像机接入，码流再次降低50%，相比H.264总带宽减少75% 。此外，产品还能通过摄像机元数据进行智能搜索，通过与Hanwha摄像机写作，通过使用缩略图可以快速搜索到关联摄像机的数据。同时也支持兴趣区域、排他区域、虚拟越线以缩小搜索范围。韩华安防的算法具备自适应学习能力，可适应多种复杂场景，测试发现识别准确可靠，这就是之前提到的智能存储方式。

对于以DVR起家并成为行业龙头的海康来说，4K存储早已有之，也是在2014年海康推出了业界第一款4K NVR。该产品支持4K 显示，解决了4K监控存储和显示输出的瓶颈，和4K IPC、4K显示器一起形成完美的海康4K解决方案。

从以上来看，在服务器、IPSAN、NVR、解码器的性能问题上，通过H.265编码来缓解高码流的带宽压力是目前最为有效的技术方式。此外，在IT企业级存储中还可以通过计算机硬件技术的发展来彻底解决4K存储问题。在企业级存储市场，计算机硬件技术作为发展最迅猛的技术之一，硬件的性能每年都在提升，这对于安防行业来说是另一种解决低码流的存储技术手段。

谈到存储，不得不提监控硬盘。就在今年5月份新锐产品评测的东芝硬盘，就符合4K存储的技术要求。他们的产品存储容量高达10 TB，适合高清摄像头视频源，最多支持 64 个高清摄像头；旋转振动补偿技术，适用于 RAID环境；256MiB大容量缓冲区/缓存，改善视频流性能；0℃—70℃的外盖温度范围，确保硬盘可以适应各种严苛环境；平均无故障间隔时间高达100万小时的超强稳定性；工作负载率为每年共传输 180 TB，满足了安防行业7*24小时无间断监控的需求，可以用于多场景应用。东芝的该产品最大亮点是搭载第二代GMA磁头，该磁头在以往磁头基础上加入了一款微动，可以精准控制磁头定置，保证硬盘读写数据时能及时响应。由于采用了从上到下移动的技术，能够提供更加精准的位置，准确性方面大约提升了30%左右；新的SoC架构，能为视频监控优化的firmware，相较上一代MD04系列，性能更优。有了这些黑科技，东芝监控硬盘在4K存储时的写入/读取的性能限制问题将不复存在。

在以4K为代表的超高清监控技术趋势之下，传统视频监控存储网络架构DASNASSAN也在发生变化。当然SAN的主导地位依旧不变，也出现了一些DASNAS的新应用，这些应用结合NVR的小规模存储，构成了云存储的基础层，让4K的云存储方案得以实现。比如：浪潮视频云存储方案就是针对平安城市4K监控海量需求，可实现近EB的存储容量，单套可支持50万个监控终端，满足平安城市中4K大存储压力及海量视频文件的存储与处理需求。从720P到1080P的提升，数据量接近翻一番，而从1080P到4K的分辨率，存储容量需求则是4倍左右的增长，公安部门感知城市交通、社会治安等各种动态，就必须用到海量数据并进行结构化处理。同时，浪潮视频云存储方案除了超高清和规模化应用特点以为，结合智能应用也是智能存储的要求之一。该产品能将视频监控、消防报警、短信报警、GPS卫星定位等技术集合起来协同工作，进行信息交换和通信，完成智能化识别、定位、跟踪和监控的安防管理，成为新一代智能高清视频监控系统的发展方向并逐渐落地。

除了平安城市，雪亮工程建设也在全国火热进行中。华为基于强大IT背景，其监控视频4K云存储方案突出应对大规模联网和警务模式由被动向主动转变、由事中事后向事前转变的要求，创新性提出“一云、一池、一平台”的雪亮工程4K解决方案，将4K存储的方案应用落地到实战。具体做法是在一个城市集中建设一朵视频云，物理分散，逻辑集中，实现资源弹性调度；将不同雪亮工程基层的感知设备和不同来源的数据连通融合起来建设一个统一的数据池，支撑数据高效应用。

总之，与4K存储相关的产品与技术研发已经得到了业界的广泛重视，一系列的新产品和新技术应用将大行其道。但需要指出的，在4K监控云存储方面传统安防企业较为滞后，可能与网络技术积累有关，也可以理解为4K监控云存储方案，已经跨界到IT领域，传统安企在这方面的竞争力还尚显不足。

4K后端显示之路任重道远

显示后端的超高清化已是板上钉钉之事，是4K监控解决方案不可缺少的一环。对于后端显示企业而言，液晶屏和LED拼接大屏基本上以三星、LG、夏普为主。单个监控显示器必须具有4K的物理像素，才能无损的呈现4K图像的效果。在拼接显示方面，由于LDE和LCD两种拼接技术实现不了经济性高的4K监控显示产品，所以在后端显示方面要走的路还很长。与此同时，对于后端解码显示能力，处理4K分辨率视频需要更多的计算处理能力。目前安防行业主流采用NVIDIA的Kepler架构、AMD的GCN架构，集显平台则以Intel的Haswell架构处理器或者是AMD的KaveriAPU为主。

所以，能看出4K后端显示的核心技术都受制于人。由于4K的技术标准从广电和家电行业而来，因此在安防行业还是创维和TCL的4K后端显示产品较为突出，但市场场景应用极少，看来在技术提升和价格亲民方面还有太多努力的空间。