4K UHD超高清视频监控的应用和挑战
2014-12-18 09:43:50   来源：安防知识网   评论：0 点击：

    随着1080P全高清在安防视频监控、电视和手机上的应用普及，高清已逐渐融入了我们的生活。人们对于更高清晰度的追求也越来越迫切，国内电视厂商率先将4K超高清电视价格拉向平民化，而国内IP高清安防厂商们也先后秀出4K超高清网络摄像机及配套解决方案，4K超高清似乎已变得触手可及。

    4K最早来自于DCI数字电影推进联盟（DigitalCinemaInitiative）于2004年定义的数字影院清晰度DCI4K（4096×2160像素，每秒24帧）。直到2012年8月23日，国际电信联盟（ITU）才发布了超高清电视（UltraHDTV）的国际标准：ITU-RBT.2020，标志着UHD超高清开始步入正轨。

    实际上4K和UHD均是“超高清分辨率”（UltraHighDefinition，缩写为UHD或UltraHD）。ITU-RBT.2020对超高清电视的分辨率、帧率、色彩空间等进行了规范，UHD超高清视频系统定义为4K与8K两个阶段，其中4K的物理分辨率为3840x2160，总约830万像素；而8K则为7680x4320，总约3320万像素。4K支持帧率从24帧到120帧。由于在BT.2020标准中取消了隔行扫描，只有逐行扫描，这进一步提升了超高清影像的细腻度与流畅感。

      在色深方面，由BT.709标准的8bit提升至10bit或12bit。这一提升对于整个影像在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。超高清电视对应的色域为：ITU-RBT.2020色域，又称Rec.2020，是显示设备中最大的色彩空间，覆盖了CIE1931的75.8%，白点色温D65（6500K）。高清电视色域的国际标准ITU-RBT.709（又称Rec.709或sRGB）的仅覆盖了Rec.2020的35.9%，所以理论上4K超高清电视（UHDTV）能比现行的高清电视（HDTV）显示更为丰富的色彩。目前，除一些顶级的彩色技术监视器样机，市面上并没有显示设备可以完全覆盖Rec.2020色域，也就是说市面上的4K电视大多数都是不符合标准的。

    安防中的4KUHD超高清现状

    据了解，国内目前还没有定义安防高清的国家标准，所以并没有一个统一的标准供参考。目前安防行业高清产品都是参照国外广电HDTV的标准。同样，4K高清应用也应该从整体来看。接下来我们就看看安防监控行业4K高清的现状。

     目前4K处于迅速发展的阶段，4K的话题也很热门，但市场上的4K超高清网络摄像机基本上宣传的多，真正量产的不多，原因是4K超高清图像传感器及图像处理芯片目前成本还比较高。4K的高清晰度和大数据量也带来了功耗高、发热量大等问题，非常考验摄像机厂商的硬件设计能力。

    其次，安防厂商（尤其是民用安防市场）大多还在进行低端产品的价格血拼，4K超高清的需求或者说4K超高清的应用，大家还没有真正想清楚。但是你用或不用，4K超高清时代已经来临，这是不争的事实。以艾普视达为例，目前4KUHD超高清网络摄像机产品分辨率可以支持ITUUltraHD(3840x2160，30fps)，也支持DCI4K（4096x2160，24fps），当然也向下兼容1080P高清。4K超高清网络摄像机最大的特点就是分辨率、解析度高，图像画质细腻，监控范围广，使其可以利用ePTZ等技术对图像局部综合利用，提高图像价值。这就非常适合于广场、运动场馆、机场、车站码头、海滩等人流密集场所的监控应用；还有医疗手术中的高清视频教学，风景区及森林防火等方面，4K超高清网络摄像机也极具价值。

    此外，4K超高清具有比现有全高清1080P更高的清晰度，可以为用户带来更有价值的视频资料。比如基于超高清的视频源，人脸识别、车牌识别等智能分析结果将更加精确。4K的发展以及在安防中的应用也必将推动整个安防视频监控行业往高清化方向普及，同时也能促进智能分析等配套产业的升级，为高清安防厂商带来新的经济增长点。

    目前使用H.264MainProfile或者HighProfile压缩码率完全可以控制在6～8Mbps，等H.265标准成熟后，码率还能降低一倍以上。从网络带宽上来看，虽然目前家庭带宽已经普及20M/100M光纤到户，但民用市场的上行带宽仍然不超过1M。4K超高清网络摄像机属于高端应用，基本上都会是内网、本地、光纤传输，带宽上基本不会存在太大的问题。

    从存储方面来看，目前成熟的数据硬盘技术已经发展到了4T，容量大约是3620GB。以8Mbps视频码率来算，每台4K超高清网络摄像机每小时占用存储空间大约是3.52GB，4T硬盘大约可以连续存储单台4K高清网络摄像机视频约42天，基本上可以满足要求。

    从解码上来看，目前在安防行业还没有专门的4K超高清网络视频硬件解码器。但是一般的视频播放软件均支持软件解码显示输出4K高清视频。以低端常用的奔腾G系列CPU来看，解码8Mbps的4K超高清视频时CPU资源占用率在80%左右，如果通过独立显卡硬解，占用率将更低。

    从显示上来看，专用的4K超高清监视器还比较少，而4K超清电视可以完美支持4KUHD超高清视频硬件解码显示，基本上可以满足4K超高清视频的解码显示要求。当然，理论上只要缩放引擎支持，1080P分辨率的高清电视也是可以支持4K超高清的显示的。

    4KUHD应用的挑战

    (1)4K超高清图像传感器及图像处理芯片并未大量量产，价格也较贵，制约了4K超高清网络摄像机产品的发展;上游芯片供应商要放量也要看4K高清市场的应用状况，而市场放量又受到各厂商的产品成熟度和价格等因素的影响，这两方面相辅相承。

    (2)从带宽和存储上来看，即使采用成熟的H.264HighProfile压缩，4K超高清视频的码率仍然过大，4K的全面发展仍然需要等待H.265等新一代压缩技术的成熟，提高压缩率，降低码率、带宽和存储空间占用。

    (3)从显示来看，低端的4K超高清电视已经走进了普通人的家庭，但高端的4K显示设备仍然较少，且价格非常昂贵。

    (4)从应用来看，4K超高清目前还没有大量使用，包括智能分析等技术对于4K超高清数据的处理也是压力山大，如果没有很好的应用，4K超高清技术只能停留在实验室中。

    4KUHD超高清网络摄像机的良性发展有赖于其它配套产业的升级和完善。我们都无须怀疑，安防4K超高清的时代已经来临，安防从此又掀开一页崭新的篇章。