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浅谈安防电视监控高清化的现状及发展趋势
更新时间:2018-05-15 09:04:00  |  点击次数:396次

21世纪之初,安防电视监控系统开始从模拟系统向数字化、网络化系统方向发展,并在近十年的发展过程中取得了辉煌的硕果。如今,随着数字化、网络化电视监控系统的发展与普及,人们又把安防电视监控系统的新的发展目标定位在高清化、智能化方向,国内几大安防媒体多次推出与安防电视监控“高清化”有关的主题,很多厂商也在大力宣传其高清IP摄像机、高清DVR。那么,安防电视监控高清化的含义是什么?您对高清的入门知识了解多少?

一、什么是高清?

顾名思义,高清其实就是指视频监控图像的清晰度更高了。但由于“高”字在含义上仅仅是通过比较而得出的相对结论,并没有(也无法)直接给出“高”的程度,因此,在安防视频监控领域,曾多次出现了“高清”的说法,但每一次“高清”所描绘的图像清晰程度不尽相同。比如,安防视频监控系统刚刚开始数字化时,数字图像的分辨率仅仅是相当于VCD质量的352×288像素(10万像素级),后来当有厂家推出相当于DVD质量的704×576像素(40万像素级)的DVR时,即号称推出了“高清”监控系统,其实这种“高清”系统的前端摄像机并没有实质的改变,仅是装于PC中的视频采集卡可以采集704×576像素幅面的图像并进行压缩了;然而,如今的IP高清监控系统已经是百万像素级,甚至是几百万、千万像素级。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?
从某种意义上说,高分辨率的图像传感器、IP摄像机以及网络视频监控系统的发展确实使“高清”的含义变得模糊,这是因为网络视频传输不受传统电视制式的限制,因此“高清”纪录一再被打破,屡创新高。然而,为了对“高清”有个相对明晰的概念,还是应该从传统电视制式说起。
事实上,从上世纪初黑白电视正式播出开始,传统电视扫描格式就固定到525/60625/50这两种格式上,此后一直没有发生实质性的变化。这两种电视扫描格式分别被采用60Hz电源频率的国家和采用50Hz电源频率的国家所选用,其中我国选定的即是对应于50Hz电源频率的625/50格式,也即每帧图像扫描行数为625行(其中含50行逆程回扫,正程扫描行数为575行),分为奇偶两场扫描,场频为50Hz。即使后来出现了彩色电视,为了与黑白电视兼容,其扫描格式也并没有发生变化,比如,我国PAL制电视的扫描格式仍为625/50,彩色电视与黑白电视的主要差别仅是其将彩色信息以频谱交错(频分复用)的方式加入到黑白电视的频谱中,不同彩色电视制式的差别则主要体现在对彩色信息的处理方式上。
然而,人们对于电视技术的追求是不断的,因此,当电视从黑白变到彩色后,日本NHK技研所就开始了下一代电视的研究,并将其命名为高品质电视(High Vision),后经国际无线电咨询委员会(CCIRITU-R的前身)批准,最终将该格式更名为高清晰度电视(High Definition Television,简称HDTV),其最初的幅型比(画面宽高比)为5:3,最终确定在16:9,分辨率超过现有电视的4倍。
从上世纪末叶起,全世界掀起数字化浪潮,广播电视也开始了数字化进程,并再次形成了三大数字电视标准,即欧洲的DVB、美国的ATSC和日本的ISDB。由于数字电视对源信号的取样都是遵循ITU-R BT.601标准,国际上也因此对标清和高清达到了共识。我国规定标准清晰度电视(SDTV)的分辨率为720×576像素,而高清晰度电视(HDTV)的分辨率为1920×1080像素。

二、安防领域的高清监控

新的电子成像及显示技术以及数字视频压缩处理技术使得数字视频监控系统在监控图像的“质量”上得到了充分的保障,从而使视频图像的清晰度有了实质性的提高:从最初仅相当于VCD质量的352×288像素(CIF分辨率)、到如今相当于DVD质量的704×576像素(4CIF分辨率)或相当于SDTV质量的720×576像素(D1分辨率),并可能在不久的将来达到HDTV质量的1920×1080像素或面向家庭的高清格式——HDV格式的1440×1080像素及1280×720像素。笔者于200721日在接受慧聪安防网站“对话焦点”栏目专访时,来自某DVR设备生产企业的另一受访嘉宾即透露该企业正在研制分辨率可达1920×1080像素的安防视频监控用高清晰度硬盘录像机;而笔者于20084月去山东省某知名安防企业考察时,该企业的技术总监也表示其研发部门已在研发用于安防监控领域的分辨率为1280×720像素的逐行扫描高清晰度网络摄像机。如今,在各类安防媒体(期刊、网站、展览会、发布会)上,除了上述所列的高清分辨率外,还有1280×1024像素、1366×1080像素、1366×720像素等非广电传承格式。
需要说明的是,在上述诸类高清格式中,还经常会有720p1080i1080p等标注,其中p指的是逐行扫描,而i指的是隔行扫描。传统电视由于受频谱资源(传输带宽)的限制而采用了隔行扫描方式,如今对于数字电视体系来说,这种因素仍然存在。不过,由于以一行行的平行扫描线构成的光栅扫描系统在垂直方向上并不能令人眼真的能看清所有扫描线,而是要以Kell系数来评价,其中逐行扫描的Kell系数可达0.9左右,而隔行扫描的Kell系数只有0.7左右,因此720p1080i格式的人眼视在垂直分辨率的差别并不是很大,1080p格式则具有最高的垂直分辨率并占用最多的传输或存储资源。
需要注意的是,对于高清DVR/DVS/NVR来说,高清监控图像的数据量远高于传统标清监控图像的数据量,因而会占用更多的硬盘存储空间、更多的传输带宽。特别是,在闭路电视监控领域,高清晰度电视监控系统的实施应是一个系统工程,它涉及到前端摄像机能否给出如此高分辨率的数字视频信号以及后端监视器能否真正完整地显示该高清视频图像的问题,因为目前在电视监控领域中使用的摄像机的分辨率还不足以达到高清晰画面的要求(很多所谓的“百万像素”摄像机经由BNC端口输出的仍是现有模拟电视扫描参数的视频信号,并不能达到高清晰度电视规格的扫描行数和信号带宽;即使经过网络传输且还原后在高分辨率显示器上去显示,其原始像素数也不及高清晰度电视要求的200万像素),这与对现有模拟电视监控系统实施数字化改造的情况是不同的。另外还需要考虑系统的传输、记录及显示部分,因为只有整个系统的各个环节都是“高清”的,才能彻底打通系统瓶颈,人们最终才能在监视器(或显示器)上看到高清晰的图像。虽然“百万像素”网络摄像机(多为130万像素左右,少数可达200万甚至300万以上)输出的数字压缩视频可直接经由网络传输并可最终在高清显示器上显示,但还原为模拟视频送入监视器时就又回到了现有电视监控图像的清晰度水平。表1列出了几种不同分辨率所对应的像素数,这也是摄像机中CCDCMOS图像传感器至少必须提供的有效像素数。

1 几种不同分辨率所对应的像素数

1/4标清及标清

准高清及高清

像素分辨率

像素数(万)

像素分辨率

像素数(万)

320×240

7.68

1280×720

92.16

352×288

10.14

1280×1024

131.07

704×576

40.55

1440×1080

155.52

720×576

41.47

1920×1080

207.36

三、数字视频的原始分辨率与视在分辨率

视在分辨率是指人眼在观看监视器/显示器时所能感觉的分辨率,传统监控系统多以摄像机及监视器的可分辨线数(TV Line)来表示,比如420线、480线、540线、600线、……,等等,它是指摄像机在拍摄垂直黑白线条时,在水平方向相应于垂直屏高的区间内所能分辨出的黑白线条数。理论上,每1MHz视频信号带宽可提供约78线的分辨率(常简记为80TVL/MHz)。这样,对于能够有效输出6MHz视频信号的摄像机来说(我国彩色电视国家标准规定的视频信号带宽是6MHz),其最高分辨率只有不到480线。不过,由于闭路电视监控系统的视频信号是在“闭路”环境中传输,不像开路广播电视或有线电视那样受调制后的8MHz射频带宽的限制,因此,摄像机可以输出高达78MHz的视频信号,那么在高分辨率的监视器上就可能显示出600线左右的分辨率了。
对于数字视频来说,表1所列的像素分辨率只表示的摄像机所能输出的理论上的最大原始像素分辨率,其中704×576720×576这两种分辨率分别对应528线和540线的理论最大视在分辨率,然而它们与其最终显示时的视在分辨率并没有严格的对应关系,这是因为安防视频监控系统中的数字视频信号在记录或传输时都是采用了有损压缩方式(无论是按MPEG-4还是H.264标准进行压缩编码),压缩比越大,图像解码还原后的损伤就越大,并且,不同的码率控制方法对数字视频的影响也不同,因此其在监视器上表现的视在分辨率就达不到与原始像素分辨率对应的最大视在分辨率了。当然,在一般情况下,摄像机的原始像素分辨率越高,其输出的数字视频信号在显示时的视在分辨率就越高。

四、国际上对超高清的研究

其实,在高清晰度电视监控系统之后,还会有更高清晰度的呢。因为,日本早已在10年前就有人开始研究在高清晰度电视普及之后的下一代更高清晰度的电视——分辨率可达3840×2160像素的超高清晰度电视(Ultra-high Definition TV,简称UDTV)技术了,并已取得了一定的成果。至少,在此类超高清晰的数字摄像机问世前,分辨率高达4096×2160像素的超高清晰数字显示技术已经付之实用(关于超高清源信号的获得,则是先由胶片摄影机拍摄,再通过专有设备转为高清数字信号),这就是在数字电影领域的“4K”显示技术。日本索尼公司早在20046月就发布了两款可用于数字影院的“4K”投影机,并于两个月后在中国国际广播电视技术展览会(BIRTV '2004)上进行了展示。它采用了硅晶体反射显示技术,除了画面的宽高比进一步提高外,该投影机还具有很高的对比度。这种“4K”投影机不仅可应用于数字电影的放映,还可用于多重高清晰度电视图像的同时显示(在1个屏幕上同时显示多个高清晰的视频图像)。
数字电影与数字电视在技术层面上采用的处理手段几乎是相同的,只是在一些特殊环节中的技术指标要求有所不同。20065月,日本NHKNTT甚至实现了7680×4320像素、原始码率高达24Gb/sMPEG-2实时压缩编码传输实验,以40:1的压缩比、640Mb/s的码率在千兆以太网环境下取得了良好的传输及重现效果。

当将高清晰度电视技术(特别是如果能将最新超高清晰度电视技术)引入到电视监控领域时,那么对于诸如金融系统的电视监控画面来说,在较大的监视范围内,不仅能看清整个视场内的所有人物,甚至连钞票的面值、单据的数字以及当事人物的面部特征等细节也可以清晰地显示了;“十一五”国家科技支撑计划“社会治安动态预警、综合防控技术体系研究与示范”项目中有关智能视频与生物特征识别(人脸识别)的研究课题中,也必将会因原始监控图像清晰度的提高,而将对于全景监视或大视场监视的图像中的目标识别率提高到接近理想的程度。
事实上,在安防视频监控领域,已确有厂家推出了标称像素数高达1600万(4872×3248像素)的高清摄像机,在同等显示分辨率的情况下,一台这样的高清摄像机所固定监视的区域(可视覆盖面积)即大致相当于40台普通清晰度摄像机(4CIFD1图像质量)的监视区域,也就是说,若将其监视画面中任意约1/40的小区域放大到满屏显示时,其显示时的视在分辨率与一台普通清晰度摄像机输出满屏图像时的分辨率相当。或者,将其监视画面中占比例极小的运动目标提取出来,即足以达到智能视频分析或人脸识别系统所要求的目标原始图像清晰度。不过,需要说明的是,这种摄像机的CCD图像传感器尺寸远大于目前安防监控摄像机常用的1/2 in1/3 in1/4 in的尺寸,采用的是与标准电影胶片尺寸相当的35mm的对角线尺寸,因此,选用的镜头也无法采用安防监控摄像机常用的CCS接口,而采用的是日本Canon专业相机镜头的EF接口,以保证与大尺寸图像传感器面积的匹配。由于高清画面处理的像素数太高,该摄像机在以最高分辨率输出视频时,帧率仅能达到每秒3帧。另外,这种摄像机的高昂的价格也使其推广应用受到一定影响。