高清高速球的發(fā)展之路:卓越、智能、人性化

文/李意元

視頻監(jiān)控需求與經(jīng)濟(jì)水平高度相關(guān)，據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)全球視頻監(jiān)控市場(chǎng)增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)，全球市場(chǎng)銷售額2009年至2013年間保持11.86%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率，2014年整個(gè)視頻監(jiān)控市場(chǎng)價(jià)值將超過410億美元。中國(guó)是全球安防領(lǐng)域增長(zhǎng)速度最快的市場(chǎng)之一,“十二五”期間我國(guó)安防視頻監(jiān)控市場(chǎng)預(yù)計(jì)將保持年均20%以上的增長(zhǎng)速度。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，前端高清高速球憑借360°無死角監(jiān)控、快速變焦定位、定點(diǎn)定時(shí)巡航等其他攝像機(jī)無法具備的優(yōu)勢(shì)，快速提升其市場(chǎng)占有率，在平安城市治安監(jiān)控和交通監(jiān)控等需要大范圍監(jiān)控的場(chǎng)所中得到廣泛應(yīng)用。本文主要探討高清高速球的發(fā)展現(xiàn)狀及未來的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

高清高速球關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著網(wǎng)絡(luò)化、高清化、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，普通模擬高速球機(jī)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)清高速球機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)明顯萎縮，一些沒有掌握核心技術(shù)的企業(yè)陷入了價(jià)格戰(zhàn)。高清高速球機(jī)則憑借自身高清圖像質(zhì)量、高效編碼性能、卓越互聯(lián)互通性能、多樣化安全性保證及人性化功能設(shè)計(jì)快速占領(lǐng)市場(chǎng)，成為前端視頻監(jiān)控的利器。

高清圖像質(zhì)量

前端作為圖像采集的核心部分，給人眼最直觀的莫過于圖像效果。具備自主機(jī)芯研發(fā)能力的廠家均在ISP（圖像信號(hào)處理）技術(shù)上不斷優(yōu)化提升，同時(shí)通過算法和多樣化的功能來提升球機(jī)的全天監(jiān)控效果。

ISP技術(shù)主要是對(duì)攝像機(jī)傳感器輸出的原始圖像進(jìn)行處理，獲得更加接近拍攝的真實(shí)場(chǎng)景圖像。一方面，通過鏡頭的優(yōu)化，采用高折射率、低色散光學(xué)變焦鏡頭，配合獨(dú)特的光圈聯(lián)動(dòng)技術(shù)，提供優(yōu)質(zhì)的畫面和極高的畫面解像度。另一方面，通過高清ISP技術(shù)，優(yōu)化圖像處理芯片內(nèi)部參數(shù)，提升輸出圖像的清晰度和色彩還原度。優(yōu)化色彩抑制處理，解決夜間低照度環(huán)境下彩色噪點(diǎn)多的問題。優(yōu)化壞點(diǎn)校正和固態(tài)噪聲抑制處理，使夜間輸出的圖像更加干凈細(xì)膩。優(yōu)化鈉燈和日光燈白平衡方式的處理，還原多樣化場(chǎng)景下的真實(shí)色彩。

圖1 ：不同ISP技術(shù)的色彩還原效果區(qū)別

攝像機(jī)ISP技術(shù)——視頻透霧

在霧霾天氣下，空氣中的液滴和固體小顆粒使戶外監(jiān)控質(zhì)量降低，圖像顯得色彩黯淡、對(duì)比度低，一些重要目標(biāo)的細(xì)節(jié)難以觀察，視頻監(jiān)控的實(shí)用性受到很大影響。實(shí)時(shí)視頻透霧原理是基于大氣透射模型，區(qū)分圖像不同區(qū)域景深與霧濃度，并進(jìn)行濾波處理，同時(shí)融合圖像增強(qiáng)技術(shù)與圖像復(fù)原技術(shù)，獲得準(zhǔn)確、自然的透霧圖像。目前，國(guó)內(nèi)一些領(lǐng)先的安防企業(yè)，如海康威視高清高速球機(jī)已具備實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)，主要應(yīng)用于高速公路的交通事故易發(fā)區(qū)段、高速公路卡口等多種戶外場(chǎng)所。

圖2：實(shí)時(shí)視頻透霧效果區(qū)別

攝像機(jī)ISP技術(shù)——數(shù)字寬動(dòng)態(tài)

當(dāng)在強(qiáng)光源照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域在圖像中同時(shí)存在時(shí)，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。數(shù)字寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，通過對(duì)視頻圖像中高亮區(qū)域、黑暗區(qū)域進(jìn)行偵測(cè)，并實(shí)時(shí)的將亮區(qū)和暗區(qū)進(jìn)行曲線校正和色彩調(diào)整，避免了高對(duì)比度或背景光線較強(qiáng)場(chǎng)景下，暗區(qū)圖像丟失，亮區(qū)色彩失真的問題，在無需更換傳感器的前提下，仍可得到清晰、自然的圖像細(xì)節(jié)。

圖3：數(shù)字寬動(dòng)態(tài)效果區(qū)別

攝像機(jī)ISP技術(shù)——聚焦算法

平安城市治安監(jiān)控中，夜間道路監(jiān)控對(duì)行進(jìn)中的車聚焦出現(xiàn)虛焦和交叉十字架是普遍存在的問題，當(dāng)球機(jī)鏡頭角度和點(diǎn)光源接近平行時(shí)，畫面效果更差。通過智能聚焦算法，優(yōu)化點(diǎn)光源聚焦，智能判斷圖像中亮暗區(qū)域，可做到一次性聚準(zhǔn)，同時(shí)搭配強(qiáng)光抑制功能，解決道路監(jiān)控點(diǎn)光源聚焦問題。通過運(yùn)動(dòng)聚焦算法，優(yōu)化對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的聚焦，聚焦速度更快，聚焦精度更準(zhǔn)。

圖4：不同聚焦算法效果區(qū)別

攝像機(jī)ISP技術(shù)——3D數(shù)字降噪

夜間低照度監(jiān)控場(chǎng)景下，當(dāng)光線不足時(shí)，視頻監(jiān)控畫面中容易出現(xiàn)明顯的噪點(diǎn)，早期產(chǎn)品中，一般廠家均采用2D數(shù)字降噪技術(shù)，對(duì)傳輸?shù)膱D像信號(hào)進(jìn)行降噪處理，但是效果改善不明顯。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D數(shù)字降噪技術(shù)在原有2D降噪的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行降噪處理，采用3D時(shí)空域聯(lián)合降噪處理，結(jié)合準(zhǔn)確的噪聲強(qiáng)度估計(jì)算法，在光照理想、噪聲較低時(shí)圖像清晰細(xì)節(jié)沒有損傷，光照不足時(shí)噪聲明顯抑制，圖像細(xì)節(jié)大量保留，有效提升視頻監(jiān)控圖像質(zhì)量和節(jié)省碼率。

圖5：3D數(shù)字降噪效果區(qū)別

高效編碼性能

隨著球機(jī)DSP性能的不斷提升，高效編碼引擎全面開啟，目前高清高速球機(jī)可以支持標(biāo)準(zhǔn)H.264/MJPEG/MPEG4多種壓縮格式，三碼流傳輸及高性能的壓縮比使得圖像傳輸更為輕松。

高效編碼性能——三碼流

三碼流是指高清高速球可同時(shí)生成三路視頻碼流，每一路視頻流可以分別設(shè)置不同的分辨率、幀率和編碼方式，主碼流推薦用于局域網(wǎng)內(nèi)預(yù)覽及存儲(chǔ)。子碼流推薦用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)覽。第三碼流推薦用于公網(wǎng)客戶端訪問，根據(jù)實(shí)際帶寬大小，提供從標(biāo)清到高清的分辨率可選，滿足不同網(wǎng)絡(luò)條件的終端客戶訪問需求。

高效編碼性能——低碼率

之前，制約著網(wǎng)絡(luò)高清設(shè)備普及的重要因素之一就是高清要求的傳輸帶寬和存儲(chǔ)空間相對(duì)于標(biāo)清來說非常大。早前基于H.264 Baseline Profile編碼壓縮方式，在保證圖像質(zhì)量的前提下，720p分辨率下的高清視頻傳輸推薦采用3～4Mbps的碼率，1080p分辨率下的高清視頻傳輸推薦采用6～8Mbps的碼率。目前隨著編碼性能的提升，高清高速球機(jī)上普遍采用H.264 High Profile的編碼格式，720p分辨率下的高清視頻傳輸推薦采用1～2Mbps的碼率，1080p分辨率下的高清視頻傳輸推薦采用2～4Mbps的碼率，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和存儲(chǔ)空間均減半的改善，也切實(shí)的推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)高清的普及。而在接下來的幾年，基于H.264改進(jìn)的H.265將后來居上，在高清高速球上實(shí)現(xiàn)H.265的壓縮編碼能力也將成為可能，H.265旨在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，滿足高清視頻監(jiān)控的需要。

高效編碼性能——ROI編碼

視頻監(jiān)控中，人們通常只對(duì)某一個(gè)特定區(qū)域感興趣，如車牌和人臉等關(guān)鍵信息。在實(shí)際監(jiān)控中經(jīng)常存在由于帶寬有限，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像整體不夠清晰，從而錯(cuò)過了畫面中很多的重要信息。ROI(感興趣區(qū)域)壓縮編碼技術(shù)在圖像中對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行無損壓縮或近無損壓縮，保證圖像質(zhì)量，而對(duì)背景區(qū)域進(jìn)行有損壓縮。這樣在不提高碼流的情況下，獲得視頻監(jiān)控的關(guān)鍵信息。適用于帶寬不夠的條件下依然需要看清關(guān)鍵目標(biāo)。目前一些廠家的高清高速球機(jī)上已具備該功能，后續(xù)再配合人臉檢測(cè)識(shí)別等功能，將成為未來智能的新趨勢(shì)。

卓越互聯(lián)互通性能

視頻監(jiān)控行業(yè)廠商眾多，大項(xiàng)目中的聯(lián)網(wǎng)高清監(jiān)控不可能出現(xiàn)一家獨(dú)大，而往往是多足鼎立的局面。所以高清高速球機(jī)需要支持通用的接入標(biāo)準(zhǔn)，通過支持國(guó)內(nèi)的接入標(biāo)準(zhǔn)GB/T28181和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議Onvif、PSIA、CGI來提升接入便利性，使組網(wǎng)變得更加靈活。

多樣化安全性保證

高清高速球機(jī)通過斷網(wǎng)續(xù)傳功能，在網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí)啟用前端SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)，SD卡中的錄像則主動(dòng)上傳至中心，確保錄像存儲(chǔ)安全性。通過IP地址過濾功能，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要允許或禁止部分IP地址登陸球機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全性的保障。通過隱私遮蔽功能，劃定多個(gè)區(qū)域，多種顏色和模式可供選擇，確保監(jiān)控的合法安全性。

人性化功能設(shè)計(jì)

每個(gè)廠商的高清高速球機(jī)都具備360°無死角監(jiān)控、變焦定位的功能，但是在一些人性化的功能設(shè)計(jì)上，還是存在一定的差異，好的人性化功能設(shè)計(jì)將帶來較好的用戶體驗(yàn)。通過智能運(yùn)動(dòng)跟蹤功能，變被動(dòng)監(jiān)控為主動(dòng)防御，使得監(jiān)控更為靈活有效。通過3D定位功能，快速、準(zhǔn)確捕獲細(xì)節(jié)，使得監(jiān)控跟蹤目標(biāo)顯示在畫面中心。通過守望功能，在實(shí)際應(yīng)用中降低球機(jī)監(jiān)控失效的風(fēng)險(xiǎn)。通過定時(shí)任務(wù)功能，在復(fù)雜應(yīng)用中降低人工控制成本。

高清高速球應(yīng)用趨勢(shì)

隨著網(wǎng)絡(luò)化、高清化、智能化技術(shù)的普及，各廠商也主動(dòng)加快高速球機(jī)網(wǎng)絡(luò)化、高清化、智能化技術(shù)的升級(jí)，不斷推出更高品質(zhì)的高清高速球。未來高清高速球?qū)⒊咔寤⒅悄芑图夹g(shù)融合化的方向不斷發(fā)展，提升高清高速球在視頻監(jiān)控中的價(jià)值。

高清普及

目前，各廠商主流的高清高速球機(jī)的分辨率多數(shù)為720p和1080p。有些廠商推出300萬的高清球機(jī)，但是其傳輸為15fps，不適合實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控應(yīng)用。我們需要追求更高的清晰度、更高倍率的高清高速球機(jī)，搭配更優(yōu)的低照度、更高的幀率來實(shí)現(xiàn)看得更廣、看得更清、看得更流暢的視頻監(jiān)控畫面。

智能進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

智能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，也在實(shí)際應(yīng)用中積累了很多經(jīng)驗(yàn)，智能分析的準(zhǔn)確性也是越來越高，現(xiàn)在自動(dòng)跟蹤的智能技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于高清高速球上面，通過自動(dòng)跟蹤功能，使得工作人員能夠從繁雜的操作過程中解脫出來，而高清高速球機(jī)可以智能的探測(cè)、跟蹤監(jiān)控目標(biāo)物體，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤、錄像、報(bào)警。后續(xù)，再配合前面提到的ROI功能和人臉檢測(cè)識(shí)別等功能，可極大提升整體監(jiān)控價(jià)值。

技術(shù)融合

高清高速球機(jī)目前僅僅是實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景監(jiān)控的功能，但是在未來則將融合更多的技術(shù)應(yīng)用。將車牌識(shí)別及頻閃燈補(bǔ)光等技術(shù)應(yīng)用在高清高速球上面，解決道路視頻監(jiān)控既要看清車牌又要看清區(qū)域環(huán)境的問題。將感知技術(shù)和圖像診斷技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)更為有效的視頻監(jiān)控。