4K蔓延全球 全面普及路上遇“拦路虎”

    在2014十大科技潮流预测中，超清4K蔓延到电视和手机成为其中一个。自2013年CES2013消费电子展开始，4K这个名词便被极其频繁的提及，4K（超高清）成为视频诸强的一个争夺焦点。然而在其迅速发展蔓延的同时，对各项环境技术的要求也成为阻碍。
　　
　　4K蔓延全球，呈百家争鸣之势
　　
　　之前Netflix已经先行一步，最新消息是亚马逊的超高清视频，也将在十月份推出。去年底，亚马逊宣布，2014年制作的原创剧中，将使用4K技术进行拍摄。不过，具体何时开播，未作说明。
　　
　　有意思的是，据美国科技新闻网站瘾科技报道，作为4K电视机制造商的三星电子，披露了亚马逊超高清视频在美国市场对外播出的时间：今年十月份。
　　
　　三星表示，届时其生产的超高清电视机，将会支持亚马逊的4K视频流媒体服务。
　　
　　目前，亚马逊尚未宣布4K播出的时间，具体支持的超高清电视机类型，还不得而知。据悉，由于视频编码解码技术的限制，并非所有的4K电视机都能够流畅观看所有厂商的4K视频。
　　
　　三星在相关材料中介绍说，欧洲售卖的4K电视机中，也将支持Netflix、Chili、Maxdome和Wuaki.tv等服务商的超高清视频。
　　
　　虽然视频网站开始支持4K视频，但是对于网民而言，只有宽带满足一定速率，才能够稳定观看4K视频。为了保证视频流畅度，Netflix等网站已经和美国四家宽带接入商签署了网络直连付费合作协议。
　　
　　另外，在谷歌光纤千兆宽带的“鲶鱼效应”下，AT＆T、康卡斯特等美国宽带公司，陆续扩大千兆服务，这也为4K视频时代的到来，奠定了网络基础。
　　
　　分析人士表示，随着亚马逊、Netflix等业内知名厂商陆续推出4K视频服务，这也将推动中国等其他市场的互联网视频行业，逐步切入超高清市场。
　　
　　4K在安防领域应用广
　　
　　4K超高清摄像机可以很好的纵览全局，当随机事件发生，各个业务部门可以用同一台摄像机在同一幅图像中找到各自感兴趣的点，经过多级放大后，仍能得到高清的细节画面。因此4K摄像机可以在不改变摄像机数量、焦距、角度的条件下，进行全天候、全场景下的监控。4K画面的丰富细节，可以让我们各个业务部门进行信息共享，同一个场景下，不用为了看清不同区域而架设多台摄像机，另一方面也节约投资成本。让可视化管理更高效、联动响应更及时、安全系统更有保障。近年来不少厂家开始纷纷推出4K的IPC产品，包括各类枪机、鱼眼摄像机、甚至支持变焦的球机等等。
　　
　　其实，4K最早在安防的实际应用应该从交通道路智能监控开始，因为在交通领域，需要较大分辨率的摄像机来
　　
　　监控多个车道的车辆情况，这样可以提高对车道的覆盖范围。从2011年开始，国内的一些智能交通厂家开始陆续推出800万像素，甚至千万像素的高清电警卡口相机，但是由于传感器能力以及后端Soc芯片处理能力的限制，一般只能实现5-15帧/秒的处理能力。
　　
　　近两年来，随着支持4K编码的低成本SoC芯片的推出，以及支持800万像素的CMOS传感器的推出，4K摄像机也逐渐开始普及，目前，国内主流的安防厂家都已经推出了支持4K×2K的IPC产品，而且随着4K在消费类行业中应用的风生水起，安防行业对4K的期望也开始越来越高。
　　
　　然而，4K与安防究竟能否很快地实现结合，4K在安防行业内能否快速部署和应用，应该说还是需要进行全面分析和探索的。
　　
　　普及路上遇“拦路虎”
　　
　　对于高清的普及，大家喜闻乐见。然而高清并不仅仅只是前端摄像机能实现高清采集便作罢。“其实高清监控是需要整个监控系统配合来实现的，其中涉及到采集、编码、传输、存储及解码显示五个方面，高清的普及受到了来自这五个方面的限制”。理高清普及路上还有五只“拦路虎”。
　　
　　采集端
　　
　　采集端即是作为前端的摄像机，就目前来看，200万像素的摄像机从各方面的表现来看皆已较为成熟，那么具备300万、500万、4K甚至1600万像素的摄像机其表现是否就会更好呢?非也!起码不全是。低照度，在监控行业目前所强调的全天候监控中是必不可少的一项功能，据统计，90%以上的安全事故皆发生在夜晚或者光照不佳时，也因此，夜晚的监控往往比白天的监控紧要。而更高像素的摄像机在Sensor靶面面积所限的情况下，像素值越高，单个像素点的感光面积便越小，灵敏度便越低，说简单点就是像素值越高(传感器面积固定时)，其低照度效果便越差。这是一个无法两全其美的矛盾体。只能让时间去解决，给技术一点时间去突破。就像当初1080P的低照度监控被攻破一样。
　　
　　编码
　　
　　前端摄像机采集图像的过程是一种光/电的转化的过程，转化的过程中还需对图像进行编码方能传输。编码的目的是在图像画质得以保证的前提下尽量降低码率，以利于更快的进行网络传输，节约带宽。
　　
　　目前来看，最成熟的编码技术仍然为H.264，然而，H.264本身亦在发展，对此，来自海康威视的徐萱呈表示：即便都是H.264编码，依然存在H.264BaselineProfile与H.264HightProfile的区别，后者相对前者能降低20%以上的码率，尽管如此，当前依然只有少数的一线厂商在使用H.264HightProfile编码方式，这其中当然包括海康威视。
　　
　　目前在监控行业中谈到编码技术时，你永远也别想绕开H.265，笔者也不想免俗。其实H.265作为一个热门话题已经有相当长一段时间了，下面笔者就用图表的方式来简要介绍下H.264与H.265的区别.
　　
　　相对H.264，H.265在宏块和变换块上进行了提升，由H.264的4×4、8×8、16×16的宏块类型中引入了32×32、64×64的宏块类型，目的在于减少高清数字视频的宏块个数，减少用于描述宏块内容的参数信息，同时整形变换块大小也相应扩大，用于减少H.264中变换相邻块间的相似系数。此外还使用新的MV(运动矢量)预测方式，与H.264基于空间域的运动矢量预测方式不同，H.265扩充更加多的方向进行帧内预测，同时将预测块的集合由原来的空间域扩展到时间域及空时混合域，通过率失真准则计算后选择最佳的预测块。该方法在基本模式下测试，与H.264相同质量的情况下，能得到平均为6.1%的压缩增益，复杂图像的压缩增益甚至能提高到20%。当然这些仅仅是二者的一些不同，而非全部，其他的差异笔者在此不再详述。一句话，在相同的画质显示下，H.265编码方式对带宽的需求是H.264的一半。也就是说原本摄像机需要4Mbps的带宽才能满足其对画质需求，如今采用H.265的编码方式后，只需2Mbps的带宽便能满足其相同的画质需求了。
　　
　　传输
　　
　　监控行业中，图像数据的传输跟编码技术息息相关，传输与编码相当于河道与水的关系。目前而言，对完全基于局域网内的视频监控来说，传输方面的问题不是很大，但多数情况下是需要进行远程传输甚至接入公网的，此时便对基础网络形成挑战。“一般传输1080P高清的H.264码流，需要4Mbps左右的带宽，而4K分辨率目前至少也需要12Mbps。”科达系统部副经理鄢仁祥先生对笔者如此表示。
　　
　　这么大的带宽需求，倘若同时架设几十台的话，很明显，传输网络将会压力山大。对此，泰科产品经理沈涛表示，架设流媒体服务器，利用流媒体技术是一个较好的解决方案。来自宇视的陈乾亦表示了相类似的观点，真是英雄所见略同，同时陈乾还强调，此时对所架设流媒体服务器的转发性能、出入口带宽都有较高的性能要求。
　　
　　此外，摄像机本身具备的三码流技术亦可对网络带宽起到节约作用，比如主码流在局域网中依赖存储设备做高码率录像存储，子码流可向手机等移动设备提供低分辨率与低码流的视频以作远程监控，而第三码流则可任意设置分辨率、帧率以及码流来向公网提供视频预览，前提是在不影响主码流及子码流的基础上。当然，这些方案皆是建立在当下的网络设施基础之上，最佳的解决方案是对这些基础的网络设施进行升级，但这个问题相当复杂，不在本文讨论范围内。
　　
　　存储
　　
　　存储设备在监控行业的重要性是不言而喻的，甚至在某种程度上说，监控的目的就是为了存储，将视频存储、将图片存储以备日后检索取证，从而在事前震慑犯罪。其实，监控行业对存储的需求一直如饥似渴。笔者试举一例来详细说明：假设给某路1080P视频码率设成4Mbps，每天存储时间为10小时(多数情况下是24小时)，其录像的保存时间为15天(业内目前一般为30天)，那么需多大的存储容量呢?总容量=4×3600×150×1.1/(8×1024)，其所需容量约为288.94GB，要知道笔者在存储天数与每天的存储时长上皆打了折扣，且只在一路监控的情况下，而倘若是4K的话，还需翻倍。这么大的存储容量需求几乎已经成为监控行业的不能承受之痛。
　　
　　泰科安防产品经理沈涛先生对此语带幽默地表示：整个安防行业都在为硬盘企业打工。沈涛先生此话虽是玩笑，但笔者能感觉出厂家背后的无奈。沈涛先生进一步解释说，在目前的一些监控工程的架设中，存储设备的支出已经占到整个监控工程总支出的50%以上。
　　
　　那么目前监控行业该如何减轻对存储的依赖?一般而言，对于整个监控工程来讲，并非对所有点的监控都是重要的，因此，在施工调试的过程中，对一些重要位置的监控可采取高清解决方案，而其他一些次要位置则可不用。此外，目前多数的前端摄像机都具备ROI功能，利用ROI功能去重点显示画面中的重要位置，其他位置则可相对忽略。“恰当地利用ROI技术可节约大约20-30%的网络带宽。”泰科产品经理沈涛先生如是说。当然，上面介绍的方式只在治标绝非治本。治本的方法则是在编码技术上的发展，比如H.265的普及或者其他更为先进的编码技术的出现。当然还有一种方式，那就是存储设备便宜到人们对其不在乎的程度，此种情况或许不太可能出现，只是笔者的一厢情愿罢了。
　　
　　解码显示
　　
　　顾名思义，解码显示包括解码与显示两个部分。“图像采集作为前端是光/电转化和编码，后端显示设备则是电/光转换和解码处理。”来自宇视显控高级产品经理郑成富对笔者如此表示。也就是说，前端的采集是将光学图像经过编码转换成可通过电路传输的信息流，信息流经由网络传输至后端的显示设备，但显示设备并不能直接显示，而是需要将信息流进行解码方能在显示设备上展现出来。目前在解码方面，对于1080P的解码技术已经成熟，而4K的解码器不多且性能偏弱。
　　
　　此外，郑成富经理同时表示，由于前端是基于CMOS技术，因此其像素提升很快，而作为后端的单体显示设备，不论是LCD、DLP、LED均很难在显示尺寸与单位像素密度上取得很好的平衡，也因此，其相对前端设备而言处于一种技术跟进状态。
　　
　　那么作为后端的显示设备是否就无计可施了呢?非也。目前4K显示器在家用电视及电影娱乐上已经相当广泛，但由于监控业的不同诉求(原因请参阅本文前述部分)，4K并未普及，业界对此的通常方案是采用拼接屏的方式来实现，比如要想完整显示4K，可采用四台1080P的显示器通过拼接来达成 。