高清監控攝像機的主流技術

文/湯杭峰

2010年是安防公認的國內視頻監控的“高清元年”，也正是從這一年起，中國主流廠家開始紛紛推出高清監控系列攝像機。高清監控攝像機開始逐步從“看得見”往“看得清”再到“看得明白”方向發展。“十二五”期間，我國經濟保持高速發展勢頭，各重點行業基礎設施建設不斷產生新的安防需求。根據中國安全防范產品行業協會發布的《中國安防行業“十二五”（2011-2015）發展規劃》，到“十二五”末期實現產業規模翻一番的總體目標。年增長率達到20%左右，2015 年總產值達到5,000 億元，實現增加值1,600 億元，年出口產品交貨值達到600 億元以上； 2012 年至2016 年市場規模年復合增長率為20.40%；按數量統計，2012 年至2016 年市場規模年復合增長率為23.50%。同時隨著社會財富的積累，人們對安全的消費需求不斷增加，近兩年民用安防市場潛力逐步被有效地激發出來。市場業務應用不斷的往縱向深度和橫向廣度拓展，品牌層次，行業集中度加速提高，行業轉向全方位理性競爭，技術創新成為競爭的核心。“珠三角”、“長三角”、“環渤海”的三大集群安企高清監控攝像機具備的主流技術表現在下面幾點：寬動態、透霧、智能分析、高像素、星光級。

寬動態

寬動態攝像機技術是在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像的特色而運用的一種技術。當在強光源(日光、燈具或反光等)照射下的高亮度區域及陰影、逆光等相對亮度較低的區域在圖像中同時存在時，攝像機輸出的圖像會出現明亮區域因曝光過度成為白色，而黑暗區域因曝光不足成為黑色，嚴重影響圖像質量。攝像機在同一場景中對最亮區域及較暗區域的表現是存在局限的，這種局限就是通常所講的“動態范圍”。寬動態攝像機的技術特點是運用寬動態主要解決攝像機的逆光補償問題。

寬動態從2011年到現在也經歷了幾次技術迭代發展，最早出現的是數字寬動態，數字寬動態。數字寬動態并沒有達到真正意義上的擴大成像動態范圍的目的，而是通過軟件的圖像后處理算法提高了局部區域的對比度，一般由攝像機ISP模組實現。我們肉眼可辨別的灰階范圍十分有限，而實際上計算機卻可以區分非常微弱的灰度差異，數字寬動態正是通過圖像處理算法將這些微弱的差異增強到肉眼足以區分。之后在CCD硬件技術基礎上出現了雙幀合成寬動態，解決方法就是用一顆CCD,但是上面的每一點在單一時間內曝光兩次,一次長曝光(低快門),一次短曝光(高快門),所以每一點都有兩個數據輸出,就叫“雙輸出CCD”，利用DSP特有的圖像處理算法，將兩幅圖像當中亮度適當的部分分別切割下來，最后進行疊加合成并輸出一幅明暗區域都清晰可見的圖像。無論是數字寬動態還是雙快門寬動態，其寬動態效果均不理想。隨著DSP和CMOS技術的演進，DPS采用的是每一個像素單獨曝光和控制技術，加之利用CMOS傳感器采集的多幀畫面合成一幅完整圖像的線性疊加，相比于CCD的兩次曝光成像有了更高的動態范圍。從數值上來說，采用DPS技術的CMOS攝像機就目前的處理技術，其動態范圍即可到達120dB甚至140dB。寬動態技術已經成為衡量一款攝像機性能的重要指標。就目前來看，標配寬動態功能，已經成為各IPC廠商的共識。像大華股份近幾年在寬動態技術上就有深厚的技術積累和沉淀，2015年IPC全系列產品（行業和渠道）都標配了120dB真實寬動態。如下就是實際測得寬動態效果圖：

透霧

日常生活中見到的包括霧霾在內的各種沙塵、霧、雨、雪等惡劣天氣，以及各種大氣溶膠、光污染等非正常環境，都會對攝像機的成像效果產生很大的負面影響。對于治安監控、道路交通、港口航道等重要監控應用領域，這時候的監控系統工作效率就會很低。如何能夠“看得清”，就成為需要迫切解決的現實難題。大華股份提供的高清透霧技術，使得解決這一難題成為可能。

透霧監控需求最早出現在港口邊防等國防應用，一開始相關產品都只在透霧鏡頭上做研究，研發了一種光學透霧技術，也就是我們通常所說的第一代透霧技術。光學透霧采用針對紅外波段成像特殊優化的鏡頭，通過濾光片對特定近紅外波段光線進行截取，從而利用霧氣中的紅外光進行成像。光學透霧對于霧氣的穿透力非常強，成像效果表現較好，但由于是紅外波段成像，所以呈現的也只能是黑白圖像，并且這種透霧方式設備成本投入較大，一般用戶有需求但會望而卻步。

隨著近幾年國內霧霾天氣環境的惡化，市場對于透霧攝像機的需求非常強烈，由于光學透霧鏡頭較為昂貴，為了降低透霧攝像機的身價，也為了實現更好的透霧效果，主流IPC廠家都開始在攝像機視頻圖像透霧算法技術上做研究，算法透霧可根據物理上霧霾的形成模型，通過局部區域灰白程度判斷霧霾的濃度，從而復原出清晰的無霧霾圖像。算法透霧能夠保留圖像的原有色彩，同時能夠大幅提升圖像透霧效果。以大華股份為例，已在全系列高清攝像機產品中不同程度的運用了透霧技術，配合更好的感光器件、鏡頭以及編碼算法，提供盡可能接近真實場景的視覺效果。同時透霧技術與智能化技術相結合，除了人眼直接感知外，也為視頻智能分析提供了更好的分析環境，有助于大幅提高視頻分析的準確率，改善對不同場景的適應性。從此不必再擔心霧霾天氣中看不清車牌，看不清目標特征。如下就是大華高清網絡攝像機針對由煙塵、霧氣、灰霾等成像特征建模，采用圖像處理技術有效恢復細節和色彩，獲得準確、自然的透霧效果。

智能分析

高清網絡攝像機從2011年推出的移動偵測、視頻遮擋等兩三個智能分析功能，發展到如今，幾乎所有的主流安防廠家高清網絡攝像機標配的智能功能都超過10種，當然目前這些智能功能的標配絕大多數僅局限于中高端行業產品中。按市場業務應用來分，這些智能分析功能可以分為如下幾點：

診斷類智能分析。高清網絡攝像機的診斷類智能分析主要是針對視頻圖像出現的黑屏、模糊、云臺失控、畫面凍結等常見的攝像頭故障、視頻信號干擾如場景變更、物品遺留/消失等進行準確分析、判斷和報警。診斷類智能分析技術實現起來較為簡單，通常這些智能功能都集成在前端，當然后端如NVR也有做類似這樣的診斷類智能功能。

識別類智能分析。高清網絡攝像機的這項技術偏向于對靜態場景的分析處理，通過圖像識別、圖像比對及模式匹配等核心技術，實現對人、車、物等相關特征信息的提取與分析。在對車的識別分析應用上主要是車牌識別技術。車牌識別技術被廣泛應用于各停車場出入口、高速公路收費站等地，近些年更是發展迅速：配合交通電子卡口系統，車牌識別技術被大量用于車輛交通違章的抓拍，有效降低了車輛交通違章數量，大大減少了交通事故的發生。而對人的識別上主要還是以人臉檢測為主，識別主要是通過后端的人臉比對服務器或數據庫。相信未來幾年，隨著芯片圖像處理能力技術的日益成熟，現在通過后端實現的一些識別分析技術可以通過嵌入式芯片前置在高清網絡攝像機內，實現人臉的識別、人性別、年齡、以及體貌特征。

行為類智能分析。高清網絡攝像機該項技術側重于對動態場景的分析處理。典型的功能有：車輛逆行、防區入侵檢測、人員聚焦檢測、絆線穿越檢測、快速移動、人員徘徊檢測和客流統計等。移動偵測(VMD)是該類智能分析中的“早期智能”，VMD依據視頻畫面中像素塊的運動變化來進行判別，由于是二維的圖像智能分析，誤報較高，無法識別移動的像素塊是干擾還是目標，再加上各安防廠家之間的算法技術差異，行為類和識別類智能分析的準確率普遍不高。雖然現在智能分析的準確率有待提高，但大華股份還是第一時間把通用的中高端行業產品具備的智能功能加載到了渠道產品中。在主流安企中，大華股份應該是第一家把這些多達10幾種的智能分析功能分享給廣大的分銷客戶，讓他們也體驗到行業用戶才能享受到的多種智能分析服務。不管這些分銷客戶對于這些智能分析功能用不用的到，同樣的價格，有總比沒有要好，萬一以后這些智能分析功能需要呢。

高像素

2010年高清元年推出的還只是720P高清網絡攝像機，一直到2012年，主流安企高清網絡攝像機還是以130萬和200萬為主，300以上像素還很少。隨著CMOS技術的引入，高清網絡攝像機像吃了一劑強心針，在2013年后，300萬、400萬、500萬、600萬、1200萬像素的攝像機像雨后春筍一般冒上來，這就是技術的創新帶來了產品體系的創新。在現有“珠三角”、“長三角”、“環渤海”主流安企中，幾乎高像素成為各廠家的標配，甚至4K成為各廠家的標配。對用戶而言，4K不僅僅是對視覺的體驗和享受，而是4K的分辨率是1080P的4倍，如果用4K攝像機和1080P攝像機拍攝相同視場角下的同一場景，4K攝像機會用4倍于1080P攝像機所用的信息量去還原場景，畫面自然更清晰、更貼近真實。從“用”的角度來講，由于4K畫面的信息量是1080P的四倍，基于更多的信息量，就能實現更準確的智能分析，4K一旦大規模部署，智能分析的準確率就能上升一個臺階，而且也會有更豐富更令人驚喜的智能應用得到實現。比如在一個監控系統中，必然會有個別點位是需要特別關注的，可能是一個廣場、可能是一條主干道、可能是一個警戒區。對于這些地方的圖像是越清晰越好。所以目前在一個監控系統中，大規模部署的還依然是1080P、720P的高清攝像機，它們所呈現的清晰度已經能滿足現階段絕大部分用戶需求了，但在個別重要點位，如果使用4K超高清作錦上添花，就能達到用不多的成本投入實現非常好的監控效果的目的

值得留意的是，最新H.265標準基本繼承了H.264的框架，其中采用了大量全新的技術。在高清分辨率下，這些新技術的使用可以使H.265的壓縮性能相比H.264提升一倍。目前200萬、300萬、400萬、500萬H.265攝像機已經在多家安防知名企業率先登陸市場。由于目前H.265芯片方案限制，其像素最高只支持500萬像素，所以H.265編碼的4K攝像機到現在都未誕生。值得欣慰的是，H.265由于其算法本身的特點，在4K這種更高分辨率的編碼處理上效率會更高。幾個知名平臺廠家也都在大力研究支持超高像素的H.265芯片并取得的明顯進展，只是還沒有到批量生產階段。由此可以看出，H.265必然會成為未來4K甚至8K分辨率的最佳選擇。未來兩年H.265編碼的4K產品將會在市場得到廣泛應用，特別是類似平安城市、醫療、金融等高端行業用戶。4K技術視頻應用結合圖偵系統做更高精度的數據挖掘，提升了視頻的監控效果，使畫面的細節更加突出。圖偵系統中常用特征檢索、圖像濃縮等功能在4K技術的加入后它的準確性、易用性會得到更大的提升。大華股份作為4K高像素的先行者，不僅H.264編碼的4K產品形態全有，而且H.265編碼的4K各產品形態在2015年安博會上率先亮相。

星光級

隨著平安城市、智能交通等行業基礎項目的大規模建設，傳統紅外攝像機照射距離短、效果衰減、光線不均勻、發熱量大、使用壽命短，晚上為黑白畫質。利用算法幀累積做的低噪度攝像機晚上黑白畫質，延時拖尾，畫面不連續。在這樣產品功能與市場需求相背離市場狀態下，星光級攝像機應運而生了。行業內公認0.001Lux及以下稱之為星光級攝像機，最具代表性的星光級攝像機就是TI DM8127/安霸S2+索尼IMX185硬件方案，目前廣泛應用于平安城市、金融、酒店樓宇、平安村居、港口、高速公路等項目中，無需大規模安裝補光照明設施，就可以得到較好的夜間高清彩色監控畫面需求。星光級照度監控技術主要受鏡頭、圖像傳感器、后端圖像處理技術等因素的影響，各安企廠家也都是從以下幾個方面進行提升：

利用大光圈鏡頭：鏡頭是攝像部件的重要組成部份，它在低照監控應用技術上的作用是為攝像機聚焦被攝目標的光線，這里的低照應用與技術關鍵在于鏡頭的口徑越大其進光量也會越大，也就是鏡頭光圈的增大可有效提升進光量，從而使攝像機獲得理想的低照度效果。

選用大靶面傳感器：攝像機的本質就是把光能轉化為電能，而量化的核心部件是傳感器，傳感器的作用就是把傳到它身上的不同強度的光線進行光電轉換，轉換成電壓信息最終生成數字圖像信息。而傳感器上接收光線的部位自然是核心中的核心。如果相同分辨率的攝像機，圖像傳感器靶面面積越大，則其單位像素進光量就越大，抑制噪點能力越強，低照度拍攝時，成像畫質也越好。

良好的圖像處理技術：以往的攝像機采用傳統的2D算法來實現降噪功能，而現在采用的3D降噪技術，在原有的幀內降噪基礎上，通過對前后兩幀的圖像進行對比篩選處理，從而將噪點位置找出，對其進行增益控制，3D數字降噪功能能夠降低弱信號圖像的噪波干擾。由于圖像噪波的出現是隨機的，因此每一幀圖像出現的噪波是不相同的。3D數字降噪通過對比相鄰的幾幀圖像，將不重疊的信息(即噪波)自動濾出，采用3D降噪的攝像機，圖像噪點會明顯減少，圖像會更加清晰透徹，從而顯示出比較純凈細膩的畫面。大華股份從2013年開始就致力研究星光級產品的開發，下圖就是大華股份的星光級球機效果對比，星光產品覆蓋到各個產品形態和產品系列。（槍機、紅外槍機、半球、球機等等）。

結束語

這里所闡述的高清監控攝像機主流技術只是其中一部分主流技術，而非全部，比如還有低碼流、高幀率、寬電壓、3D降噪等主流技術，也許五年后回頭看，這些技術都只是冰山一角。隨著“互聯網+”在今年3月寫入國務院政府工作報告，在國家層面制度了“互聯網+”行動計劃和中國智造2025戰略。“互聯網+”的核心就是通過計算機互聯網技術進行深度的跨界融合，推動產業轉型升級，不斷創造出新產品、新業務和新模式，構建連接一切的新生態。無人機、機器人、各種感知狀態攝像機、智能家居攝像機、太陽能供電攝像機等新產品形態，行業著名人臉識別技術公司Face++、Sense Time都帶來了基于計算機視覺和深度學習技術的商業領域產品。在當下大眾創業、萬眾創新的新一輪技術革命和產業變革浪潮中，今后會有更多的科技型新鮮血液加入到安防這個大生態鏈。大華股份也清晰的看到了當下大安防的生態環境以及未來的技術趨勢，積極實施以基礎技術創新帶動體系技術創新，轉而實現應用技術創新的戰略。同時發展以服務、品牌、質量為核心的新產品、新產業和新市場。做好創新轉化為產業活動的“加法”，推動新技術、新產業、新業態、新機制的多維度融合發展，“無中生有”、有中創新，不斷釋放新需求，創造新供給，發現和培育大安防新增長點。