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安防高清视频监控浅析


原创    CPS中安网    胡修勇   2011-02-12

 

       近两年,是安防行业高速发展的时期,城市的现代化建设和经济的快速发展,以及构建和谐社会的要求,对城市各行业的安防监控工作提出了许多新的要求和课题。同时,平安城市的建设、奥林匹克运动会的承办,都为安防行业的发展提供了广阔的平台,促进了行业内技术的发展。而安防行业中目前占有非常重要地位的视频监控产品,在安防市场高速发展的同时,也暴露出许多问题。


纵观当前的视频监控产品市场,可以说是一个群雄并起的时代。移动侦测、联动报警、双码流、多路D1等产品,这些在一两年前还是非常先进的技术,而现在几乎在所有的产品上都能够实现。视频监控产品在经历了数字、网络的两个重要的发展阶段之后,视频监控产品的发展方向在哪里?有业内人士指出,高清化将是视频监控发展的下一个主战场。


高清的释义


“高清视频监控”已成为安防行业的热门话题,越来越多的安防厂商也相继推出了自己的“高清”监控产品。纵观市场上的“高清”监控产品,大家发现不同的厂商对高清标准有着不同的理解,“高清”效果也就不尽相同。那么,视频监控行业“高清”的概念究竟是什么?什么才是真正的“高清”?


在广播电视行业,数字电视高清视频格式目前主要有三种:720P、1080i、1080P,其画面宽高比定义为16:9。720P即是1280×720分辨率,1080i与1080P是1920×1080分辨率,后缀“i”和“P”分别表示隔行扫描与逐行扫描。其中,1080P是最高等级的高清视频清晰度标准。对于快速移动目标的图像采集,相比隔行扫描,逐行扫描可以获得更好的动态图像,隔行扫描将会产生图像晃动现象。


安防行业对高清还没有统一的标准,参考广播电视行业对数字电视高清标准定义,业内人士普遍认同高清至少要达到或超过720P(1280×720分辨率)。


 网络化是高清应用的基础


要实现真正的高清监控,必须从视频源的采集、视频信号的编码压缩、视频信号的传输、视频的浏览、录像文件的回放等环节全面支撑高清。对客户而言,高清只有在包含了前端、平台、存储、浏览、显示等各个环节时才有意义。


采集后未经压缩的高清视频信号有模拟和数字两种传输方式,模拟传输一般采用YPbPr分量传输,一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输,其中DVI或HDMI的传输距离只有几米,不适合用于监控传输,而HD-SDI虽可以传输百米左右,但对同轴电缆的要求很高,线缆的价格也非常昂贵。但是,如果在前端就对高清视频进行高效压缩处理,然后通过IP网络传输的话,其传输成本与标清监控网络化传输成本相当。


目前DVR的视频信号处理,分为视频采集和视频编码两个部分。在视频信号采集部分,目前大多数的DVR都是模拟视频输入,均采用BNC接口的CVBS(即复合视频信号)信号输入。复合视频信号的最大分辨率是D1,DVR内部对于复合视频信号是按照D1分辨率采集、量化的。目前DVR均无YPbPr的模拟分量接口,或DVI、HDMI、HD-SDI等数字视频接口。在编码部分,DVR对每路采集的视频信号可以编码成CIF、2CIF、DCIF、D1等分辨率,但编码最大分辨率只能为D1,不具备编720p或1080i、1080p的编码能力。因此,目前的DVR无法实现高清监控。


可见,要实现高清监控,得从整个监控系统考虑高清,而网络化是高清监控系统应用的基础。


高清网络摄像机是高清监控的前提


模拟产品与数字化的高清产品相比,存在着许多设计上的缺陷,使得它在目前的技术架构上很难在分辨率、帧率等方面有大的提高。拿清晰度来说,现有的CCTV模拟监控系统中,摄像机采集垂直分辨率,PAL制式下为625扫描线。现有的超高清产品所达到的540、600线基本已到模拟系统的极限,而网络摄像机还没有上限(百万像素网络摄像机可以轻松看到1000线以上),所以目前市场上用于监控的高清摄像机均是网络摄像机。

  高清网络摄像机是指能按大于12FPS连续采集最大分辨率大于720P(1280×720),甚至达到或超过1080P(1920×1080)的网络摄像机。满足上面高清定义中720P标准时,可被理解为百万像素级别,因此大家也称高清网络摄像机为百万像素网络摄像机。

百万像素网络摄像机较传统模拟摄像机、普通网络摄像机具如下优势:

·采用百万像素传感器,能获得更多的视频信息,一般可达1280×1024、1392×1024、1628×1236甚至2048×1536的分辨率;

·采用百万像素镜头,在同样的环境中测试普通镜头与百万像素镜头,百万像素镜头可以更好地配合百万像素传感器,获取到更清晰的图像;

·图象显示质量更高,能够更好地捕捉细节;

·逐行扫描CCD/COMS动态画面表现更流畅;

·可支撑HDTV的宽屏输出模式(16:9);

·覆盖面更广,相同监视区域可以替代原有的多个固定点摄像机和一个全方位摄像机。

摄像机的清晰度取决于传感器性能。CCD与CMOS两种感光元件相比,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪点控制、高质量图像输出、动态影像表现方面都要优于COMS,所以模拟摄像机与标清网络摄像机大多选择CCD作为感光元件。但CCD的响应速度较低,不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式,因此高清网络摄像机普遍采用CMOS感光元件。

图像压缩格式直接决定了对传输网络、录像存储、后端处理的要求,也很大程度影响着图像品质。目前在高清网络摄像机中被广泛采用的图像压缩技术有JPEG/MPEG-4/H.264三种方式,每种压缩方式有不同的特点。如JPEG能获得最高的单幅画面质量,且对摄像机本身的处理平台要求也较低,但对连续图像压缩占用带宽最大;H.264可以获得最高的压缩比,但对摄像机本身处理平台要求也最高。为适应各种不同的应用需求和网络环境,比较高端的高清网络摄像机都同时具备这三种编码能力及双码流、多码流功能。

  高清监控面临的问题

高清网络摄像机使图像清晰度有了质的飞跃,但是也给高清监控系统带来了一系列现实的问题:

·网络带宽紧张:分辨率越大、清晰度超高,意味着在进行数据传输的时候码流也会增大,增加网络带宽压力;

·存储空间庞大:数据流量的翻倍,增大了录像容量,给网络存储带来压力;

·对中心控制、管理App和硬件性能的要求成倍增长;

·对于记录视频图像的管理和事后分析的工作量也将成倍增长;

·投资成本高昂。

因此,在追求高画质的同时,也要考虑解决以上问题。

 高清监控按需应用

上述高清监控面临的技术挑战可以通过应用来解决。根据目前的现状,用户不应该盲目追求高清。如果所有前端监控点都使用高清网络摄像机,且全部采用实时高清传输的话,对后端的存储和传输会造成很大压力,并造成成本和效率的浪费。所以,应根据用户的需求设计适合的解决方案,比如在高危场所设计安装高清百万像素网络摄像机,正常情况下只采用普通分辨率(CIF、D1)来传输实时视频图像,而在报警条件发生时以高像素的JPEG模式传输高分辨率的图像,以便于事后放大观看,掌控细节。这样就可以大大缓解网络压力,及存储压力、降低投资成本等。

目前市面上出现了三码流高清网络摄像机,支撑JPEG/MPEG-4/H.264三种不同的视频压缩格式,可以根据客户实际情况设置这三种码流。比如:将较低码流的H.264视频压缩格式的D1图像传向远端给客户进行实时的监看,同时将百万像素的H.264视频压缩格式实时图像传入存储服务器进行录像,另外还可以在报警的时候传输百万像素的JPEG图像,便于事后进行放大确认,寻找可疑对象等。

总之,大家要遵循在平时传输占用带宽较小的实时图像,而在关键时候传输图像效果好的高清图像的原则,才能实现更好的高清监控。

  结束语

高清监控应用的时代,正在向大家扑面而来!开放、标准是推动高清发展的催化剂,全高清监控应用的普及还有很长一段路要走。 (文/胡修勇)




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