4K，在市場期許中迎接技術大爆發

□文 /本刊記者 羅超

話說，從2010年起，高清和智能就是安防行業技術發展的主流。當來到2018年的時間節點，高清和智能依然是主流。高清的前沿技術是以4K為代表的超高清監控，智能化成為了人工智能大應用的新天地。本文從4K監控入手，看其成為當下主流前沿技術的價值體現與意義所在。

4K為行業帶來新價值

對清晰度的無限追求是永恒話題，因此4K的存在就有其巨大市場應用價值，從而帶來行業監控產品線的全線升級。

其一，更高清晰度的鏡頭應用。4k技術需要支持更高清的鏡頭，配置超高清成像的鏡頭順理成章是流行趨勢，這樣也能充分發揮出4K技術的優勢。騰龍的4K監控鏡頭最能代表當下的鏡頭前沿技術，他們產品對應的傳感器靶面最大為1/1.8"，這也是目前4K監控攝像機最為常見的大靶面尺寸。同時，他們的鏡頭可滿足搭載1/1.8"，并向下兼容1/2"、1/3"靶面傳感器的攝像機的使用，也意味著4K之下分辨率的攝像機，都可搭配此鏡頭。此外，騰龍4K監控鏡頭采用了非球面鏡片及LD（低色散）鏡片技術，能有效抑制色差，以拍攝出色彩飽滿、圖像銳利的圖像。從結構看，騰龍的4K監控鏡頭共有3組鏡片，最前端為固定安裝，在陽光下，從其折射的紫光來看，鏡頭鍍膜層數、厚度、均勻度都到位，能有效杜絕鬼影現象出現，第二組鏡片在鏡筒內自由伸縮，從外往內看，在一片清澈的透視中給人以強烈的深邃感。而第三組鏡片為由聚焦環控制的鏡片組，用于將光影像投射到傳感器上。

值得一提的是，現在有些4K大場景監控是通過多目鏡頭拼接完成，比如：去年新銳產品大華四目全景網絡攝像機由4個鏡頭為1/2.8"200萬超低照度CMOS圖像傳感器、3mm定焦特制鏡頭組合，分別拍攝四個角度，通過大華智能算法，自動識別四組畫面之間的重疊部分，并自動矯正及拼接，輸出4096×1800的4K全景畫面，從而做到水平180°、垂直87°的大視野呈現，且拼接畫面平整無畸變，視頻效果更直觀，超高清監控一目了然。像這種多目鏡頭拼接在行業內應用也較為常見，對單個4K監控鏡頭其實也帶來不小的市場挑戰。

其二，4K具有更高性能的編碼芯片。隨著H.265等最新編碼的應用與普及，有不少廠家開始針對安防行業的特殊應用場景對H.264編碼器進行優化，使之也可以在4K分辨率下保持較低的碼率。比如在2016年索尼北京安防展會記者就有所接觸，采訪中得知索尼對H.264編碼性能進行深度優化，可以在4K分辨率下保持每秒6M碼流。與此同時，索尼利用ROI降低帶寬，他們獨有的智能編碼和智能剪裁兩大絕技。智能編碼有助于減小比特率、降低存儲/網絡帶寬和一張圖像中的不同壓縮率，而智能剪裁的高效監控能減少數據存儲，降低更多的存儲/網絡帶寬，能讓用戶縱觀全局，形成焦點感興趣區域。有了這些技術，索尼的4K監控攝像機能游刃有余的在H.264編碼基礎上實現4K監控。

當然，行業現在主流的肯定是H.265編碼算法，甚至有行業有觀點認為H.265就是為4K而生。H.265確實解決了超高清產品的存儲和帶寬的成本問題，但要想真正將4K應用起來，各廠家就必須要給用戶提供一站式的超高清&H.265產品解決方案。即從最前端的支持H.265編碼的4K攝像機，到可以存儲H.265編碼的NVR/CVR，能夠解碼H.265的解碼器/視頻綜合平臺，以及能夠接入H.265視頻流的中心平臺軟件。只有這樣，4K和H.265才能真正結合，真正得到項目的實際應用。

其三，智能存儲開始應用。為確保攝像機的4K（3840 x 2160）的畫質，最低碼流8M/s，一分鐘480M；帶寬允許下可以用16M/s，一分鐘960M。如此來看，4K帶來了存儲的問題。通過智能存儲的應用，解決4K占用超大存儲空間的問題。除了提高壓縮比，應用智能存儲方法也是一種有效解決4K占用超大存儲空間的方法。智能存儲是指變碼流存儲，即在指定目標出現時高碼流，無指定目標時低碼流的存儲方式，這樣可以有效達到節省存儲空間的目的。但是同樣是由于技術原因，這樣的存儲方式還沒有得到完全普及，之后關于智能存儲技術會在4K存儲介紹中涉及。

其四、后端解碼和顯示能力大幅提升。對于后端解碼顯示設備，處理4K分辨率視頻需要更多的計算處理能力。這是一個新的挑戰，是4K后端顯示能否普及的關鍵之一，另外一點是如何壓縮成本，推出親民價格。

以上四點是4K在安防行業應用帶來的價值，促發了相關配套的產品和技術的升級，更是安防行業又一次的技術飛躍，使視頻監控行業朝著超高清監控邁出了堅實一步。以下我們從產品角度來分析4K的前沿技術。

攝像機的4K之道

如果將4K監控技術產品化，最為普及和徹底的就是前端監控攝像機。追根溯源，行業第一臺4K監控攝像機要追溯到2014年由安訊士發布了全球首款4K分辨率網絡攝像機AXIS P1428 E，該產品可提供每秒30FPS 3840x2160的解析度，專門面向戶外與高要求的室內環境用戶而設計。光從技術標準來看，4K攝像機有其天然的優勢，能應用于公安、交通、廣場、大廳等監控范圍廣，細節內容豐富的場景，能夠在足夠大的監控視野下，依然保證有足夠清晰的監控畫面。4K攝像機由于像素是1080P攝像機的4倍。因此，其更適合應用于對細節內容要求更高的場景，也引領了行業技術潮流。

首先，顯示分辨率的提升，使得畫面更加精細，影響畫面的精細度有兩個重要關鍵因素，一個是畫面的像素，另一個是畫面的垂直分辨率。畫面的像素越高，在相同尺寸的畫面上的像素就越精細，晶格就越小。而因為人眼對于影像的垂直分辨率相當敏感，越高的垂直分辨率，人眼就能辨識越多的細節與層次。

其次，色彩層次與細節的增強，使得畫面更接近真實生活。從標清到高清顯示系統的轉變，實際上主要是分辨率方面的升級，在色彩方面并沒有太過明顯的提升。不過進入到4K超高清的時代，畫面方面的變化除了分辨率出現飛躍之外，色彩方面的變化是相當引人注目的。這一部分都體現在ITU-R最新頒布的BT.2020超高清廣播標準之中。

最后，4K視頻系統處理的是10位，甚至是12位編碼的視頻信號。而現階段高清或全高清系統通常采用的是8位的視頻系統，而4K攝像機則采用10位甚至12位的視頻系統。因此，無論是灰階層次過渡還是色深的層次表現，都比高清系統有較大的提升。

從上可以看出，如果要研發一款優秀的4K監控攝像機，其場景應用的復雜性和技術的難度都不簡單。以大華的2017新銳產品舉例，4K星光級人臉識別網絡攝像機，基于超大靶面的1100萬4/3英寸CMOS圖像傳感器，這不僅為4K監控提供了最為堅實的保障，并在大華專利的ISP核心處理算法的配合下，使該攝像機獲得4K超星光級的監控效果，能達到0. 001Lux@F1.4(彩色模式)；0.0001Lux@F1.4(黑白模式)。以超大靶面sensor為根本，來支撐4K超星光級監控效果。

華為是安防行業的后來者，倚借ICT方面的超強資源和創新至上的理念，華為在安防行業的技術能力以五星級速度在飆升。依托業界領先的自研芯片平臺以及卓越的硬件設計制造能力，選用超大靶面的4/3英寸背照式CMOS感光元件及超高解析度光學變焦鏡頭，在安防行業領先推出4K星光級球機，憑借無與倫比的全天候超清畫質將4K視頻監控帶入星光時代。在圖像處理方面，華為深刻理解行業應用的需求，自主研發的ISP圖像處理引擎支持多種圖像增強算法，包括多幀寬動態，多級3D降噪、光學透霧，強光抑制，6軸防抖等，大大提高了攝像機在全天候環境與復雜光線條件下的圖像質量。有了4K，華為的該機能全天候適用于各種苛刻環境，在交通、公安、銀行、軍隊對于畫面細節的提取，有莫大的幫助，極大提供了產品的實戰能力。

在2017深圳安博會上，一線巨頭都不同程度推出了4K監控攝像機產品，一股行業的4K技術風潮，由4K攝像機所引領。

4K存儲開始大行其道

4K提升了行業價值，也帶來挑戰，最為明顯一點就是存儲壓力成幾何倍數提升，其原因是因為4K本身的圖像更加清晰，細節更加豐富所造成的存儲壓力，其次是在當下隨著智慧城市、雪亮工程的火熱，攝像機點位越來越多，存儲產品不僅要應付4K的存儲壓力，也需要面對海量攝像機資源的存儲的壓力。此外，4K還帶來了存儲成本的增加。在存儲容量方面，由于碼流翻倍、磁盤消耗翻倍，也就意味著相同的點位數需要投入兩倍于原先的硬盤數量。另一方面，每個IPSAN或NVR都存在寫入/讀取的性能限制，在碼流翻倍的情況下同一臺設備能并發處理的路數會減半，需要更多的IPSAN或NVR。總而言之，由于在編碼技術上的限制導致碼流的翻倍，而碼流的翻倍則需要投入成倍的硬盤、IPSAN、NVR，無形中4k的存儲建設成本又增加了不少。

為此，行業的4K存儲產品需要解決低碼流的問題。傳統的DVR不可能能勝任4K存儲，普通的高清NVR也難以實現4K超高清視頻監控的技術要求。為了解決行業對4K存儲的渴望和多點數的接入，今年韓華推出了4K H.265 64路嵌入式NVR。該產品支持H.265和H.264視頻編碼方式，支持最大64路H.265解碼輸出，這是產品一大亮點，能滿足中小規模應用場景的同時觀看需要。相對H.264，H.265在保證畫質相當的情況下，對網絡帶寬的需求減少50%左右，對存儲需求也相應減少50%左右，讓超高清畫質及低帶寬網絡傳輸、存儲與顯示得以完美呈現。同時支持三星WiseStream編碼攝像機接入，碼流再次降低50%，相比H.264總帶寬減少75% 。此外，產品還能通過攝像機元數據進行智能搜索，通過與Hanwha攝像機寫作，通過使用縮略圖可以快速搜索到關聯攝像機的數據。同時也支持興趣區域、排他區域、虛擬越線以縮小搜索范圍。韓華安防的算法具備自適應學習能力，可適應多種復雜場景，測試發現識別準確可靠，這就是之前提到的智能存儲方式。

對于以DVR起家并成為行業龍頭的海康來說，4K存儲早已有之，也是在2014年海康推出了業界第一款4K NVR。該產品支持4K 顯示，解決了4K監控存儲和顯示輸出的瓶頸，和4K IPC、4K顯示器一起形成完美的海康4K解決方案。

從以上來看，在服務器、IPSAN、NVR、解碼器的性能問題上，通過H.265編碼來緩解高碼流的帶寬壓力是目前最為有效的技術方式。此外，在IT企業級存儲中還可以通過計算機硬件技術的發展來徹底解決4K存儲問題。在企業級存儲市場，計算機硬件技術作為發展最迅猛的技術之一，硬件的性能每年都在提升，這對于安防行業來說是另一種解決低碼流的存儲技術手段。

談到存儲，不得不提監控硬盤。就在今年5月份新銳產品評測的東芝硬盤，就符合4K存儲的技術要求。他們的產品存儲容量高達10 TB，適合高清攝像頭視頻源，最多支持 64 個高清攝像頭；旋轉振動補償技術，適用于 RAID環境；256MiB大容量緩沖區/緩存，改善視頻流性能；0℃—70℃的外蓋溫度范圍，確保硬盤可以適應各種嚴苛環境；平均無故障間隔時間高達100萬小時的超強穩定性；工作負載率為每年共傳輸 180 TB，滿足了安防行業7*24小時無間斷監控的需求，可以用于多場景應用。東芝的該產品最大亮點是搭載第二代GMA磁頭，該磁頭在以往磁頭基礎上加入了一款微動，可以精準控制磁頭定置，保證硬盤讀寫數據時能及時響應。由于采用了從上到下移動的技術，能夠提供更加精準的位置，準確性方面大約提升了30%左右；新的SoC架構，能為視頻監控優化的firmware，相較上一代MD04系列，性能更優。有了這些黑科技，東芝監控硬盤在4K存儲時的寫入/讀取的性能限制問題將不復存在。

在以4K為代表的超高清監控技術趨勢之下，傳統視頻監控存儲網絡架構DASNASSAN也在發生變化。當然SAN的主導地位依舊不變，也出現了一些DASNAS的新應用，這些應用結合NVR的小規模存儲，構成了云存儲的基礎層，讓4K的云存儲方案得以實現。比如：浪潮視頻云存儲方案就是針對平安城市4K監控海量需求，可實現近EB的存儲容量，單套可支持50萬個監控終端，滿足平安城市中4K大存儲壓力及海量視頻文件的存儲與處理需求。從720P到1080P的提升，數據量接近翻一番，而從1080P到4K的分辨率，存儲容量需求則是4倍左右的增長，公安部門感知城市交通、社會治安等各種動態，就必須用到海量數據并進行結構化處理。同時，浪潮視頻云存儲方案除了超高清和規模化應用特點以為，結合智能應用也是智能存儲的要求之一。該產品能將視頻監控、消防報警、短信報警、GPS衛星定位等技術集合起來協同工作，進行信息交換和通信，完成智能化識別、定位、跟蹤和監控的安防管理，成為新一代智能高清視頻監控系統的發展方向并逐漸落地。

除了平安城市，雪亮工程建設也在全國火熱進行中。華為基于強大IT背景，其監控視頻4K云存儲方案突出應對大規模聯網和警務模式由被動向主動轉變、由事中事后向事前轉變的要求，創新性提出“一云、一池、一平臺”的雪亮工程4K解決方案，將4K存儲的方案應用落地到實戰。具體做法是在一個城市集中建設一朵視頻云，物理分散，邏輯集中，實現資源彈性調度；將不同雪亮工程基層的感知設備和不同來源的數據連通融合起來建設一個統一的數據池，支撐數據高效應用。

總之，與4K存儲相關的產品與技術研發已經得到了業界的廣泛重視，一系列的新產品和新技術應用將大行其道。但需要指出的，在4K監控云存儲方面傳統安防企業較為滯后，可能與網絡技術積累有關，也可以理解為4K監控云存儲方案，已經跨界到IT領域，傳統安企在這方面的競爭力還尚顯不足。

4K后端顯示之路任重道遠

顯示后端的超高清化已是板上釘釘之事，是4K監控解決方案不可缺少的一環。對于后端顯示企業而言，液晶屏和LED拼接大屏基本上以三星、LG、夏普為主。單個監控顯示器必須具有4K的物理像素，才能無損的呈現4K圖像的效果。在拼接顯示方面，由于LDE和LCD兩種拼接技術實現不了經濟性高的4K監控顯示產品，所以在后端顯示方面要走的路還很長。與此同時，對于后端解碼顯示能力，處理4K分辨率視頻需要更多的計算處理能力。目前安防行業主流采用NVIDIA的Kepler架構、AMD的GCN架構，集顯平臺則以Intel的Haswell架構處理器或者是AMD的KaveriAPU為主。

所以，能看出4K后端顯示的核心技術都受制于人。由于4K的技術標準從廣電和家電行業而來，因此在安防行業還是創維和TCL的4K后端顯示產品較為突出，但市場場景應用極少，看來在技術提升和價格親民方面還有太多努力的空間。

結束語

盡管以4K為代表的超高清監控已經開始應用，但總體而言4K在安防，想說愛你卻不太容易，這是市場應用的心聲。但活在當下，從技術前沿方面看，之于安防，人工智能，我所欲也；4K，亦我所欲也。