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解析高清视频技术由来与其在监控的应用

时间:2012-12-18 15:04来源:www.junanda.net 作者:君安达科技 点击:
在当今安防视频监控领域,数字化、网络化、高清化、智能化的概念早已为业内人士所了解、所接受,并在具体设备和应用系统中得以体现、得以推广。然而在实际应用中,却常常因对

在当今安防视频监控领域,数字化、网络化、高清化、智能化的概念早已为业内人士所了解、所接受,并在具体设备和应用系统中得以体现、得以推广。然而在实际应用中,却常常因对若干技术概念的错误理解致使安防产品市场略显混乱,表现为产品性能说法不一、产品指标良莠不齐,而实际的应用系统则由于在某些技术环节做得不到位、不匹配,致使系统出现了瓶颈,影响了系统的最佳整体表现。为此,本文仅从“高清化”的角度对其基本概念进行深入探讨,充分解释“高清化”的真正含义,这对于合理有效地构建真正意义上的高清视频监控系统无疑具有重要的参考意义。

  1.高清的由来

  鉴于近年来安防监控领域开始出现“模拟高清”的术语,致使用户在构建高清视频监控系统时难以分辨到底是“模拟高清”系统好还是“数字高清”系统好。为了使相关人士真正了解高清的实质,有必要从高清的由来说起,这就不妨简要地从广播电视的高清化过程谈起,因为安防视频监控技术的发展与广播电视技术的发展是密切相关的。

  自上个世纪初出现黑白电视以后,人们在感受电视带来的快感后却又不满足于没有颜色的黑白电视画面,因而开始把目光转向了彩色电视,并先后研究出台了彩色与黑白兼容的NTSC、SECOM和PAL等三大彩色电视制式。在彩色电视进入实用化以后,人们在欣赏艳丽色彩的同时却又对其亮/色串扰现象以及电视画面的清晰程度感到不满足,于是进一步把目光转向了彩色电视的高清化,其中日本从1964年即最早开始了模拟高清晰度电视的研讨,并于1970年开始高品位电视(先命名为Hi-Vision,后改为HDTV)的研究。然而直到1978年,由日本放送株式会社(NHK)向前国际无线电咨询委员会(CCIR)提交的“新研究计划——高清晰度电视的建议”才以暂行标准形式被写入CCIR801报告书。

  HDTV的扫描格式为1125/60/2:1,亮度信号带宽达20MHz,两个色差信号的带宽分别为7.0MHz和5.5MHz,画面宽高比先是5:3,后改为16:9;伴音采用前面3声道、后面1声道的3-1方式。HDTV系统的图像质量极佳,但其射频传输带宽高达27MHz,且接收机造价昂贵(1994年上半年在日本,一台32英寸高清电视接收机的售价约合1万美元),难以普及应用。为了降低传输带宽,NHK于1984年提出了多重亚奈奎斯特取样编码(MUSE)系统方案,将高清电视的传输带宽压缩到8MHz,并用这种编码方案成功地对1988年汉城奥运会进行了高清电视实况转播。

  在日本进行HDTV研究的同时,由英、法、德、意等国组成的欧洲集团也根据其拟定的“尤里卡-95”计划向CCIR提出了多重模拟分量结构的HD-MAC高清晰度电视方案,除了在欧洲各国试播外(包括用于1992年巴塞罗那奥运会的高清电视转播),欧洲集团还于1989年专门组团携产品与技术来中国进行全面展示。

  以上两大高清系统的确都是模拟高清系统,然而1990年5月由美国通用仪器公司(GI)提出的全数字高清晰度电视的实现方案——DigiCipher象是一记重磅炸弹全面击毁了日本与欧洲的模拟高清方案:DigiCipher的输入视频源为1050行2:1隔行扫描的YUV分量信号,场频59.94Hz,画面宽高比为16:9,采用了离散余弦变换(DCT)、可变长编码(VLC)和运动估计/运动补偿(ME/MC)等技术,最后采用16QAM方式进行传送,综合评价指标全面超越了日、欧的模拟高清方案,致使全世界从事高清电视研究的人们豁然眼开,转而开始了全数字高清电视的研究,而欧、日的两大模拟高清体系则在经历了一段苟延残喘的试播后先后夭折。欧洲从1991年起成立了欧洲启动集团(ELG),后于1993年改名为数字视频广播(DVB)联盟;日本则于1999年开始了包括兼容数字高清电视的综合业务数字广播(ISDB)的研究;而美国则在其DigiCipher一炮打响的基础上由7家公司组成了数字高清晰度电视大联盟,进一步深入研究其先进的数字高清电视体系(ATSC)。

  由上可见,模拟高清是在传统模拟电视基础上通过增加基带视频信号带宽以及扫描行数来增加图像清晰度的(水平及垂直方向的分辨率至少都要加倍),另外,为了与既有电视系统兼容,在高清电视的研究进程中还曾有多个改良型/改进型(IDTV,ImprovedDefinitionTV)或增强型(EDTV,ExtendedDefinitionTV)方案。然而,随着数字技术的飞速发展,广播电视的数字化进程逐步加快,很多复杂的模拟处理技术很容易地被数字技术全面取代,因而全球范围内模拟高清晰度电视事实上已不复存在。如此说来,在安防视频监控领域重提“模拟高清”是没有意义的,况且在目前的安防产品市场上并没有真正意义上的模拟高清产品。退一步说,只有模拟摄像机输出的模拟视频信号带宽达20MHz以上、显示分辨率达1200电视线以上,才算得上是模拟高清。

    2.高清的定义

  顾名思义,高清就是指视频图像的清晰度更高了。但由于“高”字在含义上仅仅是一个相对的概念,并没有直接给出“高”的程度,因此,在安防视频监控领域,曾多次出现“高清”的说法,且每一次“高清”所描绘的图像清晰程度并不相同。比如,上个世纪末安防视频监控系统刚刚开始数字化时,图像分辨率仅为10万像素级(352×288像素,CIF格式);后来有厂家推出40万像素级(704×576像素,4CIF格式)的DVR时即号称推出了“高清”监控系统;随着百万像素网络摄像机(IPC)的推出,人们将高清的概念绑定于百万像素级;但是很快,200万、300万、500万甚至超大成像靶面的1600万像素级的IPC陆续出台。那么监控图像的分辨率究竟达到多少像素才算是真正的“高清”呢?另外对DVR或所谓的数字矩阵等数字视频设备来说,即使设备本身能够处理200万像素级(1920×1080像素)的数字编码视频信号,但其输入接口仅仅是普通的CVBS复合视频接口,这样的DVR或矩阵能算是“高清”的吗?

  不妨参考一下国际权威机构对高清的定义。国际电信联盟的无线电通信部门ITU-R(前国际无线电咨询委员会CCIR)曾对高清晰度电视(HDTV)给出这样的定义:“高清晰度电视应是一个透明系统,一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度的三倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或表演时所得到的印象。”这就是说,在规定的观看距离上,人们从高清晰度电视屏幕上看到的景物的清晰程度应该与在同样距离上看到的真实景物一样清晰(暂且不考虑真实的3D深度感)。为达到这种观看效果,通过大量的实验比对,人们得出趋于一致的结论:HDTV电视屏幕上显示图像的原始像素数应不低于200万像素。这也是ITU-R规定的高清晰度电视的基本要求,即图像分辨率应达到1920×1080像素。须注意,用像素数表示的清晰度与用电视线表示的清晰度在显示效果上有近似正比的关系,但他们在概念上是不同的。

  3.关于720p格式

  目前在安防视频监控领域常有720p这一高清格式术语,对应分辨率为1280×720像素的逐行扫描格式。如若对比上述ITU-R的定义,这720p的格式显然弱了一些,毕竟其像素数还不足100万,而1920×1080格式的像素数高达200多万。不过,由于后者的扫描方式通常都是隔行扫描(简记为1080i),而人眼对隔行扫描的垂直分辨能力低于逐行扫描(影响视在垂直分辨率的Kell系数对逐行扫描来说约为0.9,而对隔行扫描的来说仅为0.7左右),因此在考虑了Kell系数因素的影响后,1080i与720p两种格式的图像在实际显示时的视在垂直分辨率相差并不太多。

  事实上,在广播电视业界初步确定了HDTV高清晰度电视格式(隔行扫描方式的1920×1080像素分辨率,即1080i)后,相应的广播级高清电视设备的价格是非常高的,一时难以在大范围推广,为此,索尼、夏普、佳能、JVC等设备厂商于2003年9月联合提出了一种视频指标略低于HDTV的低档次高清标准,称为HDV标准,索尼公司还进一步于2004年9月推出了基于HDV标准的首款民用高清摄像机。四家联合体推出HDV标准的目的就在于开发生产廉价的准专业小型高清摄像机和家用便携式高清摄像机,使高清技术能够在更广的范围内普及。

  HDV采用了4:2:0取样的MPEG-2压缩标准,像素分辨率为1280×720p(16:9)或1440×1080i(4:3)。该标准使得在普通数字DV磁带上就可以录制HDV格式的高清视频,而数据码流仅与普通DV相当。

  由上可见,720p并不是严格意义上的高清,其像素数介于数字标准清晰度电视(SDTV)和数字高清晰度电视(HDTV)之间,但其确实又比将现有模拟电视数字化后的标清视频格式在清晰度方面有了实质改善,可称其为“准高清”格式。

    4.网络高清视频

  广播电视信号的传输受到模拟电视时代射频带宽(频道)以及电视机扫描格式的限制,进入高清时代仍需考虑到与既有系统的兼容,因此广播电视的高清格式相对固定、单一(我国高清电视标准确定为1920×1080/50i)。然而网络传输没有射频频带的约束,理论上只受网络(含交换路由设备)最高数据率的限制,因而可以传输各种不同分辨率的数字视频,唯有图像分辨率越高则视频流速率越高而已。而联网计算机(视频流客户端)对于不同格式的数字视频可以自适应地进行显示(小幅面视频可以原分辨率显示或放大到全屏显示,而大幅面视频则可以抽点压缩为小画面显示或仅显示画面的一部分),这就是为什么前述的网络摄像机可以有从百万像素到200万、300万、500万甚至1600万像素等多种不同格式的原因。

  需要注意的是,由于摄像机图像传感器像素数提高了,在保证帧率不变的情况下必然使大幅面高清视频在传输时占用过高的网络带宽。而由于摄像机及网络硬件设备自身的运算能力(CPU资源及时钟频率)有限,难以实时处理大幅面的视频信号,使大幅面高清视频在传输时的帧率降低(小于25帧/s),比如安防市场上1600万像素的超高清网络摄像机的帧率一般仅能达到6帧/s左右。

  5.数字高清视频

  除了以压缩方式经由网络传输的网络摄像机以及网络高清视频编码器外,安防监控领域近年来出现了另一种形式的数字高清视频产品。这类产品的视频格式是参照了广播电视技术领域高清数字演播室串行数字接口标准,摄像机的输出信号不需要网络传输环境,而是采用同轴电缆直接传输非压缩的HD-SDI(HighDefinitionSerialDigitalInterface)信号,其他相关视频设备也支持HD-SDI接口,但是这种接口标准规定的数字视频信号在传输我国高清晰度电视标准规定的1920×1080/50i格式的高清视频时,其码率就已高达1485Mbps,而若是传输采用逐行扫描方式的1080p格式的高清视频时,其双链HD-SDI或3G-SDI接口码率更是高达2970Mbps,传输距离十分有限,在诸如平安城市之类的大型联网监控系统中难以单独应用。

  需要说明的是,高清HD-SDI(包括标清SD-SDI)的传输方式并未涉及网络视频压缩编码,这就同时澄清了安防技术领域长期以来的一个模糊概念,即数字化并不意味着一定是网络化,数字摄像机(DigitalCamera)并不仅仅指的是网络摄像机(NetworkCamera因其视频信号经压缩后按TCP/IP协议封包传输也称IPC)。特别是2009年,几家国际知名企业专门成立了HDcctv国际联盟,其核心目标就是基于在广播电视技术领域已成熟应用的HD-SDI技术,制订在安防监控领域使用标准同轴电缆传送安防监控高清视频的统一开放标准,面向特定的安防高清视频应用。结果,HDcctv联盟似乎是形成了与ONVIF和PSIA联盟三足鼎立的局面。然而一般来说,HDcctv联盟关注于用HD-SDI技术标准实现的监控产品及解决方案(高清前端设备、高清传输设备、高清交换设备、控制等),而ONVIF和PSIA联盟本质上是解决不同厂家的IPC(高清HDTV格式及标清D1格式等)与后端不同厂家的NVR之间的互通接口问题,并没有很严格地涉及高清标准本身。

    6.构建完整的高清视频监控系统

  安防视频监控走向高清之路是必然趋势,但是它涉及到整个系统,不仅前端摄像机要高清的,传输设备、存储设备、矩阵切换设备、显示设备等都需要是高清的。在这个系统链路上,任何一个环节不满足高清要求,都会形成系统瓶颈,使系统的整体质量下降。正如前面提到过的,如果一台高清DVR只是通过普通的CVBS接口与模拟摄像机相接,那么由于模拟摄像机输出的复合视频信号的最高分辨率一般不超过600线(受模拟视频带宽限制,6MHz标称视频带宽理论上只能提供468线),因而DVR所能记录的最好图像质量也达不到高清晰度电视图像质量,只是其记录格式可能已满足某种高清记录格式而已。如果将这样记录的“高清视频”送往高清监视器去显示,即使其格式可能已是1080p的,人们实际能看到的也仅仅是与普通模拟摄像机输出视频相当的图像质量,清晰度并不高。另一个相关的例子是很多智能手机都号称支持1080p格式的高清视频播放,然而手机显示屏的像素分辨率却远小于1920×1080,这就意味着用手机去播放1080p格式的高清视频时,实际显示画面尺寸是通过对原始高清画面进行抽行、抽点(即亚取样)后得到的,显示分辨率并未达到真正意义上的高清。

  为实现全系统的高清化,就应从整体上充分考虑系统中的每一个细部。从信号的传输路由来说,就应使信号在任何一条路径或任何一个节点上都是高清的,无论该信号是否是经过压缩编码的。

  按照上述思路,完整的高清视频监控系统应从前端摄像机开始,小型本地系统可首选具有HD-SDI接口的数字高清摄像机,而大型联网系统则可首选网络高清摄像机。如果大型联网系统的前端选用HD-SDI数字高清摄像机,其后则一定要配接支持HD-SDI接口网络视频压缩编码传输设备。在这种情况下,如果需要本地存储,摄像机应向本地DVR提供高清视频监控信源,这就要求DVR也具有HD-SDI接口(上海世博会的安防监控系统曾部分地采用了这种方式),这也从另一个角度再次说明HD-SDI不能在大系统中单独使用,特别是大型联网系统,必须经过相应的高清视频压缩编码设备后再经由网络传输。

  无论采用数字高清摄像机还是网络高清摄像机,联网系统中的存储设备均应选用高清NVR或支持网络接口的增强型高清DVR。还可进一步考虑采用NVR前端分散存储+中心选择性存储方式来解决存储系统的安全隐患。另外,为了解决联网监控系统的带宽问题,还应在多码流以及时/空、信噪比、复杂度可分级等视频压缩编码标准的具体编码功能方面进行权衡考虑,通过统一协议和接口解决兼容问题、中心存储压力大问题,通过录像标记、事件录像、智能检索等功能解决海量数据查询问题等。

  对于各级监控中心来说,显示设备显然要支持高清格式。其中对于HD-SDI传输方式,显示设备应支持HD-SDI格式,而对于网络视频传输来说,刚应有相应的网络视频解码器将网络视频以一定的高清格式(HD-SDI、HDMI、宽带YCbCr……)接入显示设备。

  需要注意的是,某些厂家在宣传HDcctv标准时,曾简单地提出将传统安防视频监控系统升级为高清监控系统时只需更换摄像机而不需重置电缆,这种说法并不总是成立,除非原系统的覆盖范围很小,电缆长度在许用范围内。否则,HD-SDI信号在长缆中传输时会因迅速衰减而无法满幅无失真地到达中心端,因此,在根据HDcctv规范去设计高清监控系统时,应优先考虑HD-SDI光纤传输设备。

  7.结论

  构建高清视频监控系统一定要从整体上考虑,而在设备选型上的最大差别在前端摄像机,既有非压缩的HD-SDI数字高清摄像机,又有压缩的网络高清摄像机IPC。

  HD-SDI高清摄像机采用的是广播电视技术领域的非压缩高清信号传输格式,具有信号质量高、实时性强等突出优点,可以在显示时充分地还原高清图像细节,这对于运动目标的快速跟踪以及车牌识别、人脸识别等智能视频分析应用来说无疑是很有意义的。也正是因为如此,在部分对图像质量及实时性要求较高的监控项目中采用了HD-SDI传输技术。但是HD-SDI格式点对点的传输方式以及超大、超宽的视频数据率在一定程度上限制了该技术在安防监控系统中特别是大型联网系统中的实际应用,至少现阶段是这样的。

  网络高清摄像机的信号处理更高效,单根网线可同时传输视频、控制数据,还可采用网络供电(PoE)方式,且布线相对便捷,摄像机端当然也可嵌入智能视频分析功能。特别是,信号传输采用网络封包形式,因此对视频元数据的限制少,目前已有200万、300万、500万、800万、1200万以及1600万像素等多种高清格式,为不同领域的应用提供了更多的选择。

  因此,在实际的安防视频监控系统中,应根据应用需求来合理地选配高清监控设备,而不要考虑谁“取代”谁的问题。这样,既可保证关键视频的高清晰采集、传输与存储,又不至于使整个系统耗费过多的系统资源,实现“把钢使在刀刃上”的效果。

(责任编辑:admin)
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