安防技術(shù)趨勢(shì)解析之：超高清

施明杰，陳 峰

（上海寶康電子控制工程有限公司，上海 201901）

1 概述

安防視頻監(jiān)控技術(shù)更新速度非?？欤笆濉币詠?lái)高清1080P視頻監(jiān)控系統(tǒng)已替代傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控占據(jù)主流地位，視頻的分辨率也變得越來(lái)越高。由模擬標(biāo)清分辨率（704*576）到高清分辨率（1920*1080），主要是由市場(chǎng)需求及廠商設(shè)備更新?lián)Q代強(qiáng)力推動(dòng)，在此過(guò)程中大批傳統(tǒng)模擬視頻廠商沒(méi)有跟上市場(chǎng)的潮流消失了，也有部分企業(yè)抓住了市場(chǎng)的機(jī)遇脫穎而出，占據(jù)了高清視頻監(jiān)控的行業(yè)引領(lǐng)地位。

現(xiàn)在，高清1080P視頻監(jiān)控占據(jù)了主流之后，新一輪的技術(shù)更替即將展開(kāi)。這一次，主角是超高清（4K：3840*2160/8K：7680*4320）。在安防領(lǐng)域，目前1080P的高清視頻監(jiān)控還占領(lǐng)了主流地位，而且目前市場(chǎng)上還有大量模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)等待升級(jí)，但安防廠商及超高清設(shè)備供應(yīng)商已迫不及待的發(fā)布新的產(chǎn)品，占領(lǐng)新的技術(shù)前沿陣地，推動(dòng)新一輪的安防設(shè)備升級(jí)大潮。

就目前的安防發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，超高清在未來(lái)必定占據(jù)主流地位，畢竟對(duì)細(xì)節(jié)和全局的監(jiān)控越清晰越好，但在現(xiàn)階段，1080P高清還有一段白銀時(shí)期，畢竟適用性、規(guī)?；杀尽a(chǎn)業(yè)鏈成熟與需求迫切性方面都需要平衡。超高清在安防項(xiàng)目上也會(huì)有一個(gè)應(yīng)用推廣，挖掘?qū)崙?zhàn)性應(yīng)用方案的發(fā)展過(guò)程。

2 視頻圖像分辨率發(fā)展

2.1 視頻圖像分辨率的發(fā)展：標(biāo)清->高清->超高清

?

2.2 數(shù)字視頻圖像解析

2.2.1 原始數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)取樣結(jié)構(gòu)分析（未經(jīng)壓縮）

原始數(shù)字視頻及圖像采用像素表示清晰度，像素是組成圖像的最小單位。表現(xiàn)彩色圖像需要RGB或YUV三個(gè)獨(dú)立的分量，因此每個(gè)像素實(shí)際上都是由3個(gè)單位組成的。

RGB色彩模式是一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎包括了人類(lèi)視力所能感知的所有顏色，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一，顯示器大都是采用了RGB顏色標(biāo)準(zhǔn)。RGB24使用24位來(lái)表示一個(gè)像素，RGB分量都用8位二進(jìn)制數(shù)表示，取值范圍為0-255。24位RGB色彩總共能組合出約1678萬(wàn)種色彩，也稱(chēng)為24位色。YUV（即YCrCb）是一種主要的圖像顏色編碼方法，中”Y”表示亮度，也就是灰階值，是個(gè)基帶信號(hào)，而”U”和”V”表示的則是色度，作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。采用YUV色彩空間的重要原因是它的亮度信號(hào)Y和色調(diào)信號(hào)U、V是分離的。YUV與RGB信號(hào)可以通過(guò)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

為節(jié)省帶寬起見(jiàn)，大多數(shù)YUV格式平均使用的每像素位數(shù)都少于24位元。YUV的表示法稱(chēng)為A：B：C表示法，主要的抽樣格式有以下幾種：

（1）4：4：4表示完全取樣。

（2）4：2：2表示2：1的水平取樣，垂直完全采樣。

（3）4：2：0表示2：1的水平取樣，垂直2：1采樣。

（4）4：1：1表示4：1的水平取樣，垂直完全采樣。

YUV 4：4：4

YUV三個(gè)信道的抽樣率相同，因此在生成的圖像里，每個(gè)象素的三個(gè)分量信息完整（每個(gè)分量8位編碼），經(jīng)過(guò)8比特量化之后，未經(jīng)壓縮的每個(gè)像素占用3個(gè)字節(jié)，與RGB4：4：4完全相同。

YUV 4：2：0

4：2：0并不意味著只有Y、Cb而沒(méi)有Cr分量。它指得是對(duì)每行掃描線(xiàn)來(lái)說(shuō)，只有一種色度分量以2：1的抽樣率存儲(chǔ)。相鄰的掃描行存儲(chǔ)不同的色度分量，也就是說(shuō)，如果一行是4：2：0的話(huà)，下一行就是4：0：2，再下一行是4：2：0…以此類(lèi)推。對(duì)每個(gè)色度分量來(lái)說(shuō)，水平方向和豎直方向的抽樣率都是2：1，所以可以說(shuō)色度的抽樣率是4：1。對(duì)非壓縮的8比特量化的視頻來(lái)說(shuō)，每個(gè)由2x2個(gè)2行2列相鄰的像素組成的宏像素需要占用6字節(jié)內(nèi)存。

2.2.2 原始數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)取樣結(jié)構(gòu)小結(jié)

基于人眼對(duì)亮度的敏感性要高于對(duì)色彩的敏感性，在安防系統(tǒng)中，通常采用YUV4：2：0采樣原始數(shù)據(jù)，通常采用8位編碼。而隨著視頻分辨率的越來(lái)越高，客戶(hù)對(duì)于視頻質(zhì)量要求的不斷提高，編碼位數(shù)也越來(lái)越大，幀率要求也越來(lái)越高，這也導(dǎo)致了原始數(shù)字圖像數(shù)據(jù)越來(lái)越大，給原始數(shù)據(jù)傳輸、編碼、顯示、存儲(chǔ)各方面的設(shè)備帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

當(dāng)圖像分辨率發(fā)展到高清之后，會(huì)對(duì)數(shù)字視頻圖像供應(yīng)鏈上的各種設(shè)備、接口與相關(guān)技術(shù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，必須將前端至平臺(tái)各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)攻克，形成完整的解決方案與產(chǎn)品系列，才能在安防實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中取得進(jìn)展。

3 超高清視頻關(guān)鍵技術(shù)

3.1 4K/8K超高清攝像機(jī)及芯片

2013年安博會(huì)英飛拓推出了4K超高清攝像機(jī)，至2015年海康、大華推出了4K的全系列產(chǎn)品（包括攝像機(jī)、存儲(chǔ)、顯示產(chǎn)品）。在廣電領(lǐng)域及民用領(lǐng)域，4K產(chǎn)品早已有成功應(yīng)用，8K產(chǎn)品相對(duì)比較少。美光、豪威、佳能、索尼等有4K及8K傳感器產(chǎn)品。高通、三星、聯(lián)發(fā)科等均推出了支持超高清視頻的處理芯片。

3.2 4K/8K超高清鏡頭

佳能、索尼、蔡司、尼康有專(zhuān)門(mén)針對(duì)4K/8K超高清鏡頭，但廠商和產(chǎn)品數(shù)量相對(duì)較少，這也是目前的一個(gè)短板，鏡頭方面有待技術(shù)進(jìn)一步突破。

3.3 傳輸技術(shù)

非壓縮的原始數(shù)據(jù)傳輸需要特別的傳輸技術(shù)，DWDM也叫密集波分復(fù)用系統(tǒng)，能支持在一根光纜上實(shí)現(xiàn)1Tb/s數(shù)據(jù)傳輸率。完全能滿(mǎn)足8K超高清120fps采樣非壓縮圖像數(shù)據(jù)傳輸需求。

經(jīng)壓縮的超高清視頻數(shù)據(jù)通常會(huì)小于100Mb/s，采用普通千兆網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)或其他通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸即可。

3.4 數(shù)字視頻壓縮/解碼技術(shù)

H.264是目前主流的視頻壓縮技術(shù)，但H.264僅在最高等級(jí)Level5.1最高級(jí)別支持4K超高清，最高支持幀率為30.5fps，針對(duì)超高清壓縮率上也很難滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。

H.265是ITU-T VCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，基于現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264改進(jìn)。HEVC/H.265在有限的帶寬下能傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，相比于H.264的標(biāo)準(zhǔn)，僅需一半的帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻，而且HEVC/H.265的標(biāo)準(zhǔn)也同時(shí)支持4K和8K超高清視頻。H.265/HEVC的編碼架構(gòu)大致上和H.264/AVC的架構(gòu)相似，比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具來(lái)降低碼率。

SVAC是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，SVAC2.0版即GB/T25724-2017《公共安全視頻監(jiān)控?cái)?shù)字視音頻編解碼技術(shù)要求》（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：）在安全性、壓縮性能、編碼效率、智能視頻分析支持、大數(shù)據(jù)支持等方面比SVAC1.0做出了重大提高，支持超高清視頻編碼。

AVS2即GB/T 33475.2-2016 《信息技術(shù) 高效多媒體編碼第2部分：視頻》是AVS1之后新一代的標(biāo)準(zhǔn)，支持超高清、編碼效率極大提高。AVS國(guó)標(biāo)包括三個(gè)部分，即視頻、音頻以及系統(tǒng)。AVS2的目標(biāo)：在主流技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的前提下，當(dāng)重建視頻主觀質(zhì)量相同時(shí)，至少在高清或更高分辨率下編碼效率比AVS1的最好性能提高1倍以上。在主流配置下，編碼效率優(yōu)于最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。AVS2對(duì)于常規(guī)視頻的編碼效率與最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)HEVC/H.265相當(dāng)，比上一代國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)AVS1以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)AVC/H.264的效率提高1倍；對(duì)于監(jiān)控視頻等場(chǎng)景類(lèi)視頻，AVS2壓縮效率又翻了一番，達(dá)到AVC/H.264的4倍。

3.5 4K/8K超高清顯示技術(shù)

超高清在顯示技術(shù)上的進(jìn)展最快，有大量產(chǎn)品推出。創(chuàng)維早在2012年安博會(huì)上就推出了4K顯示器（800萬(wàn)像素），夏普、松下、京東方等已經(jīng)推出了8K超高清電視機(jī)。Sony等公司也早在2010年就推出了超高清投影儀產(chǎn)品。2015年開(kāi)始，有數(shù)十家廠商已推出了支持4K、8K高清顯示的顯示產(chǎn)品呢。

3.6 4K/8K超高清接口技術(shù)

3.6.1 超高清顯示接口：HDMI 2.1版本

2013年HDMI Forum Inc.發(fā)布HDMI 2.0版，完善了對(duì)4K格式的支持，同時(shí)加入21：9顯示比例的支持和最多32聲道的支持，以應(yīng)付未來(lái)5～10年的顯示需求。HDMI 1.4版本已經(jīng)支持4K分辨率，但幀率最高只有30fps，而HDMI 2.0版本則支持4K分辨率下的50fps和60fps，可以帶來(lái)更加出色的視頻體驗(yàn)。2017年1月HDMI Forum Inc.發(fā)布HDMI 規(guī)范2.1版本，支持更高的視頻分辨率和頻率：包括 8K 60Hz 和 4K 120Hz，實(shí)現(xiàn)最高 48Gb/s 的帶寬。

3.6.2 超高清顯示接口：DP 1.2版本

2010年VESA發(fā)布：DP1.2，每個(gè)信道的數(shù)據(jù)傳輸率翻番到5.4Gb/s，總帶寬最高可達(dá)21.6Gb/s，能大大提升顯示分辨率、色深、刷新率、多顯能力，支持全高清120Hz 3D立體顯示、4K 30fps分辨率、高色彩范圍等等。

2014年VESA發(fā)布：DP1.3，總帶寬提升到了32.4Gb/s（4.05GB/s），每個(gè)信道達(dá)到8.1Gb/s，比DP 1.2/1.2a增大了50%，排除損耗之后實(shí)際速率能達(dá)到25.92Gb/s（3.24GB/s）。

2016年VESA發(fā)布：DP 1.4，支持8K 60Hz 和 4K 120Hz高清視頻。

4 超高清發(fā)展歷程及展望

2003年，加拿大Dalsa公司推出一款4K攝影機(jī)。

2005年-2006年NHK采用超高清技術(shù)實(shí)現(xiàn)IP遠(yuǎn)程傳輸及顯示。

2006年NHK把Super Hi-Vision提交給ITU和SMPTE，經(jīng)過(guò)考察和評(píng)估，ITU將Super Hi-Vision視頻技術(shù)作為UHDTV的推薦草案。

2012年，創(chuàng)維在安博會(huì)上就首次推出4K顯示器（800萬(wàn)像素），效果非常震撼。

2013年，英飛拓在安博會(huì)推出了4K超高清攝像機(jī)樣品。

2014年，多家安防業(yè)內(nèi)主流公司，包括?？怠⒋笕A、安訊士等都展出了4K超高清攝像機(jī)。

2015年，?？?、大華發(fā)布4K超高清解決方案中的成系列產(chǎn)品，包括：攝像機(jī)、NVR、解碼器、顯示器等。

2015年，威智倫發(fā)布安防業(yè)界首款單傳感器7K超高清攝像機(jī)（分辨率：7360（H）x 4128（V），6fps）。

2017年，多家公司發(fā)布8K級(jí)攝像機(jī)產(chǎn)品，超高清應(yīng)用加速。

5 結(jié)束語(yǔ)

視頻監(jiān)控的未來(lái)必定屬于超高清！但還需要時(shí)間，產(chǎn)品鏈及解決方案方面有待進(jìn)一步完善，成本有待大幅度降低！

[1] GB/T25724-2017《公共安全視頻監(jiān)控?cái)?shù)字視音頻編解碼技術(shù)要求》.2017-06-01.