高清監(jiān)控系統(tǒng)的誤區(qū)

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，圖像技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。在廣電專業(yè)領(lǐng)域，高清視頻制作和高清視頻播放已經(jīng)進(jìn)入到千家萬戶。在美國，模擬視頻信號(hào)已經(jīng)停播，高清頻道已經(jīng)達(dá)到了幾百個(gè)，全數(shù)字視頻時(shí)代來臨了。另外，消費(fèi)電子視頻技術(shù)更是發(fā)展迅速，照相機(jī)從2000年的500萬象素已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的2千萬像素，即便是手機(jī)， 800萬像素已經(jīng)是主流配置，最新的諾基亞PureView手機(jī)應(yīng)用無對焦系統(tǒng)，像素達(dá)到了4100萬像素，可以說，最新的技術(shù)在廣電和消費(fèi)電子已經(jīng)應(yīng)用到了極致。

　　視頻監(jiān)控技術(shù)和應(yīng)用雖然總是滯后于廣電系統(tǒng)，但是近年來也發(fā)展迅速，這體現(xiàn)在越來越多的高清攝像機(jī)也已成為主流選項(xiàng)，模擬攝像機(jī)逐漸淡出大項(xiàng)目采購范疇。

　　高清監(jiān)控有其理論上的技術(shù)優(yōu)勢，從成本控制上來講，CMOS成像器件可以采用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路生產(chǎn)線，攝像機(jī)廠家都可以設(shè)計(jì)集成度更高的CMOS成像器件，從而獲得更好的圖像處理效果和更低的生產(chǎn)成本。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上來講，1臺(tái)1080P攝像機(jī)畫面場景相當(dāng)于5個(gè)D1攝像機(jī)畫面，安裝成本會(huì)大大降低，由于覆蓋面積很大，可以直接代替球機(jī)，利用電子PTZ跟蹤、觀察目標(biāo)細(xì)節(jié)。和球機(jī)相比，高清攝像機(jī)沒有傳動(dòng)機(jī)械部件，使用壽命長，維護(hù)成本低。

　　但是，在實(shí)際項(xiàng)目中，往往發(fā)現(xiàn)高清圖像質(zhì)量并沒有理論上那么完美，白天目標(biāo)距離稍遠(yuǎn)，成像效果就很差;尤其是晚上，高清攝像機(jī)低照度能力差、鏡頭不支持紅外矯正、夜間成像模糊，這一切和各大廠家所宣傳的相差很遠(yuǎn)。對于大型項(xiàng)目來說，預(yù)算高，場景覆蓋面積設(shè)計(jì)合理，可以采購大品牌廠商產(chǎn)品，視頻質(zhì)量還可以控制;但是對于很多中小型項(xiàng)目，用戶也是急于采用高清監(jiān)控產(chǎn)品，但沒有足夠的預(yù)算支撐，而工程商不了解當(dāng)前高清攝像技術(shù)的發(fā)展趨勢，設(shè)備廠家沒有充足的培訓(xùn)投入，工程商也沒有足夠的經(jīng)驗(yàn)來有效設(shè)計(jì)監(jiān)控區(qū)域，其結(jié)果是必然會(huì)發(fā)生驗(yàn)收質(zhì)量爭執(zhí)，從而不僅打消了用戶未來擴(kuò)容更多高清攝像機(jī)的積極性，也對工程商造成了高清技術(shù)的心理誤區(qū)。

　　高清監(jiān)控系統(tǒng)畫面質(zhì)量的挑戰(zhàn)

　　模擬攝像機(jī)技術(shù)應(yīng)用成熟：模擬攝像機(jī)已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的技術(shù)發(fā)展，從CCD成像器件制造、配套的ISP圖像處理算法到鏡頭設(shè)計(jì)和制造都已經(jīng)非常成熟，鏡頭已經(jīng)完全可以低成本、高畫質(zhì)國產(chǎn)化，大規(guī)模矩陣國產(chǎn)技術(shù)成熟，DVR硬盤錄像機(jī)已經(jīng)打上了中國制造的出口標(biāo)簽。所以，按照成像理論(CCD靶面、鏡頭焦距、目標(biāo)距離換算關(guān)系)和實(shí)際效果相比，相差很小。對于從業(yè)人員來講，避免采購那些采用低劣元器件生產(chǎn)的攝像機(jī)、矩陣和DVR硬盤錄像產(chǎn)品，最終交付的監(jiān)控系統(tǒng)往往都能夠滿足用戶的需求。

　　在筆者看來，工程商直接套用模擬監(jiān)控時(shí)代的技術(shù)來設(shè)計(jì)高清監(jiān)控系統(tǒng)，必然存在一定的誤區(qū)?？偨Y(jié)起來，有以下六個(gè)方面：

　　· 不同廠家高清攝像機(jī)CMOS成像質(zhì)量參差不齊：進(jìn)入高清時(shí)代以來，整體系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)生了革命性變化，首先CMOS成像器件占據(jù)了高清監(jiān)控的大部分市場份額，不同CMOS廠家生產(chǎn)的CMOS器件在低照度、寬動(dòng)態(tài)上成像質(zhì)量不一，高清CCD現(xiàn)在只用于機(jī)器視覺或交通卡口等領(lǐng)域;

　　· 高清鏡頭解析度不夠。主流大廠的高清鏡頭的解析度只有140萬象素，日本騰龍也僅是在2010年3月正式發(fā)布2款支持3百萬像素的日夜鏡頭，這種鏡頭采用了非球面、超低色散鏡片，這才宣告1080P高清監(jiān)控(需要采用3百萬像素的成像器)真正能夠達(dá)到標(biāo)稱分辨率。而3百萬像素鏡頭要求極高的工藝和模具精度，工藝精度稍微偏移，則導(dǎo)致鏡頭分辨率下降、圖像位移，甚至鏡頭邊緣模糊。所以國產(chǎn)高清3百萬像素鏡頭尚不足以達(dá)到主流價(jià)格和性能，這導(dǎo)致小馬拉大車，只能支持720P的100萬像素的鏡頭搭配1080P的攝像機(jī)，這樣直接導(dǎo)致監(jiān)控效果大打折扣，從而大大降低業(yè)界對于高清監(jiān)控的心理預(yù)期;

　　· ISP圖像處理器性能差異：當(dāng)前很多高清攝像機(jī)廠商直接采用CMOS廠商提供的ISP或者一體化CMOS(內(nèi)置ISP圖像處理器)，這些ISP圖像處理器可以應(yīng)付一般的場景，但是對于需要寬動(dòng)態(tài)的場景，處理效果差，而監(jiān)控系統(tǒng)和消費(fèi)電子或者廣電應(yīng)用模式不同，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，被監(jiān)控對象無法配合攝像機(jī)的角度，所以在背光、逆光等情況下，普通的ISP圖像處理器則無法提供有效的寬動(dòng)態(tài)圖像，從而造成可視圖像質(zhì)量下降;

　　· 視頻編碼壓縮算法差異：當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要有兩大類，一類是直接購買外協(xié)廠家的設(shè)計(jì)，直接生產(chǎn)，另外一種是自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)并優(yōu)化視頻編碼算法。所以為了降低碼流，各個(gè)廠家會(huì)對H.264 MP編碼算法進(jìn)行優(yōu)化，也可稱為簡化，與廣電行業(yè)的全動(dòng)感電影畫面相比，安防監(jiān)控只有30%的典型運(yùn)動(dòng)畫面。但是過度的優(yōu)化會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)畫面增大時(shí)，DSP處理性能不夠，直接導(dǎo)致畫面質(zhì)量下降;

　　· VMS視頻管理軟件約束：標(biāo)準(zhǔn)配置的VMS視頻服務(wù)器可以處理32路1Mbps標(biāo)清視頻碼流，如果是6Mbps高清碼流，那么每臺(tái)視頻服務(wù)器僅能夠處理5路，這必然導(dǎo)致VMS服務(wù)器硬件成本的提高。當(dāng)然對網(wǎng)絡(luò)也造成很大的壓力，因?yàn)闆]有了網(wǎng)絡(luò)，就沒有錄像。所以，為了降低網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器壓力，高清錄像碼流降低到4Mbps甚至2Mbps，這也導(dǎo)致了日后查詢到的錄像畫面質(zhì)量下降;[nextpage]

　　· 雖然硬盤容量每年都在翻倍，但是對于高清監(jiān)控來說，視頻錄像數(shù)據(jù)是海量的，雖然95%的視頻數(shù)據(jù)可能永遠(yuǎn)沒有機(jī)會(huì)被檢索，但是安全的需要，有些行業(yè)需要保證2年的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。到目前為止，還沒有比較成熟的技術(shù)能夠大幅壓縮視頻數(shù)據(jù)，從而降低存儲(chǔ)空間。所以為了降低存儲(chǔ)空間成本，降低錄像碼流就不可避免，那么錄像回放質(zhì)量就可想而知。

　　圖像清晰度保持之道

　　針對以上提到的六種導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降的核心問題，筆者認(rèn)為如300萬像素鏡頭的成本問題，高壓縮比編碼算法的技術(shù)瓶頸問題，都是無法能夠直接立刻解決的。但是筆者認(rèn)為，技術(shù)上無法解決的問題，其實(shí)是可以轉(zhuǎn)化為架構(gòu)上的問題，下邊筆者將逐一論述如何破解高清監(jiān)控的圖像質(zhì)量下降的一些難題。

　　智能視頻分析技術(shù)

　　視頻存儲(chǔ)時(shí)間長是安防行業(yè)的特點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)控行業(yè)的視頻畫面特點(diǎn)，30%的畫面為重要畫面(人/車運(yùn)動(dòng))，其他70%基本上都是次要畫面(晃動(dòng)的樹、花草、動(dòng)物)。

　　而在30%的重要畫面中，可能只有20%的運(yùn)動(dòng)畫面是我們所關(guān)注的，其他80%的人/車運(yùn)動(dòng)并不影響我們的安全。所以，如果利用智能視頻分析將重要畫面識(shí)別出來，那么我們就可以節(jié)省94%的高碼流空間，考慮到智能視頻分析算法識(shí)別性能，對于這94%的次要畫面，我們可以采用低幀速率+高碼流來進(jìn)行錄像(視場景不同而定，對于實(shí)時(shí)性畫面要求高的應(yīng)用，可考慮低碼流+高幀速率)。表1簡要說明了采用智能視頻分析前后的存儲(chǔ)空間差別。

　　從表1可以看出，每天的硬盤空間節(jié)省了40GB，是傳統(tǒng)高清存儲(chǔ)空間需求的37%。假設(shè)一塊2TB SATA硬盤800元，硬盤錄像1年，那么節(jié)省的硬盤成本是6000元，如果以IPSAN存儲(chǔ)系統(tǒng)考慮的話，那節(jié)省的成本將近10萬元。

　　當(dāng)前市場上有很多產(chǎn)品都宣稱自己是智能的，其實(shí)，當(dāng)前市場大部分產(chǎn)品都是高級移動(dòng)偵測(Advanced VMD)。高級移動(dòng)偵測可以景深標(biāo)定，可以做很好的前/背景分離來做目標(biāo)探測，通過像素大小也可以做基本的目標(biāo)分類，從而在干凈的環(huán)境下獲得不錯(cuò)的識(shí)別性能和誤報(bào)抑制能力，但是高級移動(dòng)偵測和智能視頻分析技術(shù)的一個(gè)最大區(qū)別就是智能視頻分析是采用目標(biāo)分類技術(shù)和自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)。在這里，高清智能視頻分析的應(yīng)用具有如下三個(gè)特點(diǎn)：

　　自動(dòng)標(biāo)定：攝像機(jī)在經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，因?yàn)榇箫L(fēng)、支架安裝力度等原因，可能會(huì)發(fā)生角度偏移，沒有自動(dòng)標(biāo)定功能的AVMD高級移動(dòng)偵測技術(shù)將造成景深標(biāo)定錯(cuò)誤，從而造成根據(jù)像素大小對目標(biāo)進(jìn)行分類的算法失敗，出現(xiàn)大量誤報(bào)。真正的智能視頻分析系統(tǒng)具有自動(dòng)標(biāo)定能力，無論攝像機(jī)如何發(fā)生傾斜，都可以自動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境景深，從而為目標(biāo)識(shí)別創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)像素?cái)?shù)據(jù)。

　　目標(biāo)分類：智能視頻分析技術(shù)的第二個(gè)特點(diǎn)就是先進(jìn)的目標(biāo)分類能力，通過內(nèi)置20多萬種目標(biāo)模式，利用強(qiáng)大的人工智能神經(jīng)學(xué)習(xí)算法，可以大大抑制自然界引起的誤報(bào)，如雨、雪、大風(fēng)、小動(dòng)物、飛鳥、光影變化、樹枝晃動(dòng)等。而高級移動(dòng)偵測技術(shù)僅簡單地根據(jù)像素大小來判定目標(biāo)，不考慮目標(biāo)的外表紋理、顏色、形體幾何組合、步伐等人體/車輛模式，必將導(dǎo)致很高的誤報(bào)率。如夏天飛蟲、昆蟲在攝像機(jī)前面飛動(dòng)，露水、雨水滴滑過鏡頭表面，這些異常事件都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)依據(jù)像素大小來做目標(biāo)分類的錯(cuò)誤，從而出現(xiàn)大量誤報(bào)，浪費(fèi)錄像空間。

　　1080P高清分辨率智能視頻分析：當(dāng)前市場主流的高級移動(dòng)偵測技術(shù)都是采用CIF格式來做目標(biāo)探測，CIF格式必然導(dǎo)致探測區(qū)域小，從而導(dǎo)致大量的漏報(bào)和降低錄像系統(tǒng)的可用性。真正的高清智能視頻分析能夠在1080P分辨率畫面上進(jìn)行目標(biāo)探測和目標(biāo)分類，從而保證廣闊的識(shí)別區(qū)域，不發(fā)生漏報(bào)，保證未來查詢錄像時(shí)，能夠獲得所有的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高清錄像。

　　降低網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力

　　網(wǎng)絡(luò)和VMS視頻服務(wù)器之所以壓力大，是因?yàn)樗械母叽a流高清視頻必須傳輸?shù)娇刂浦行牟拍鼙４妫@對于傳統(tǒng)安防工程商來講是一個(gè)挑戰(zhàn)。過多的視頻流需要?jiǎng)澐諺LAN網(wǎng)段，而VLAN網(wǎng)段需要中心路由，所以3層交換機(jī)、核心交換機(jī)、邊緣交換機(jī)等等大量的設(shè)計(jì)和安裝配置工作是必不可少的。網(wǎng)絡(luò)人才來自IT系統(tǒng)和電信、網(wǎng)絡(luò)通信行業(yè)，人工成本高，人才流動(dòng)性大，對工程商也造成了很大的公司運(yùn)營負(fù)擔(dān)。[nextpage]

　　而VMS視頻管理服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、IPSAN存儲(chǔ)系統(tǒng)，更是傳統(tǒng)的IT人士比較熟悉的。對于小型工程商來講，需要招聘高素質(zhì)專業(yè)人才或培養(yǎng)專業(yè)人才，這對于傳統(tǒng)模擬監(jiān)控工程商來講，也是很大的開支。

　　除此之外，大量的VMS視頻服務(wù)器、IPSAN存儲(chǔ)系統(tǒng)需要良好的供電、空調(diào)、防靜電和接地系統(tǒng)，這需要專業(yè)的機(jī)房工程，這也是一筆隱形的成本，對于很多用戶來講，大屏是面子工程，但是對幕后工作的機(jī)房工程往往不夠重視，一旦遭到雷擊或者斷電，系統(tǒng)有可能面臨癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。

　　筆者認(rèn)為，如果將NVR錄像轉(zhuǎn)移到每臺(tái)攝像機(jī)上，那么我們將不需要如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)服務(wù)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)以及機(jī)房工程。即便網(wǎng)絡(luò)中斷，雖然控制中心無法看到實(shí)時(shí)畫面，但是監(jiān)控系統(tǒng)的最基本功能錄像還在每臺(tái)攝像機(jī)上繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，完全可以待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后瀏覽錄像或直接到現(xiàn)場攝像機(jī)以太網(wǎng)直連下載錄像，供警方查證。

　　通過分布式錄像設(shè)計(jì)，工程商可以降低施工隊(duì)伍的人才質(zhì)量要求，同時(shí)提高攝像機(jī)內(nèi)置的錄像碼流，保證最好的視頻回放畫面。分布式錄像還可以分時(shí)間段、分批回傳備份到后臺(tái)服務(wù)器上，充分利用當(dāng)前的百兆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢，可以1小時(shí)之內(nèi)把攝像機(jī)上的當(dāng)天錄像回傳備份。

　　采用寬動(dòng)態(tài)成像元件

　　除此之外，選取內(nèi)置寬動(dòng)態(tài)的Sony Exmor 1080P CMOS成像器件的高清攝像機(jī)，也是圖像清晰度保證的一個(gè)基本原則。按照Sony的測試報(bào)告，它的Exmor 1080P CMOS成像器件已經(jīng)超越了同樣分辨率的CCD的成像能力，當(dāng)然和另外兩大CMOS器件廠商(同樣是最大的兩大手機(jī)照相機(jī)芯片供貨商)相比，Exmor成像質(zhì)量技高一籌，就連下一代的蘋果公司iPhone5也要采用Exmor作為其手機(jī)照相機(jī)標(biāo)配。

　　當(dāng)然，為了滿足實(shí)際安裝需要，筆者在此對高清攝像機(jī)廠商提出了過高要求。不過在筆者看來，美國VideoIQ公司(前GE安防子公司)作為一個(gè)致力于智能視頻分析技術(shù)的一體化攝像機(jī)廠商，在圖像清晰度保證問題上，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了其它國際大廠的前列，應(yīng)該值得我們高清攝像機(jī)廠商深思。VideoIQ公司的iCVR一體化球機(jī)真正解決上面談到的幾個(gè)大問題。在某個(gè)方面做到最好很容易，但是從每個(gè)方面都做到最好，是真正的不簡單。總結(jié)起來，VideoIQ公司做到了幾個(gè)第一：

　　· 第一家采用了Sony公司的Exmor寬動(dòng)態(tài)、低照度1080P成像器件，在Sony還未發(fā)布自己的1080P攝像機(jī)時(shí)，就提前拿到了Exmor成像器件，發(fā)布了自己的智能高清攝像機(jī);

　　· 第一家采用1080P解析度的內(nèi)置鏡頭，2009年通過日本鏡頭大廠定制了300萬像素的鏡頭(VideoIQ在2010年3月發(fā)布1080P智能球機(jī)時(shí)，還沒有一家鏡頭廠商能夠提供商用3MP鏡頭);

　　· 第一家做到自適應(yīng)高清智能分析算法，在主流市場還是CIF分析的情況下，VideoIQ搶先做到了1080P分辨率的智能視頻分析。據(jù)筆者了解，以色列DVTEL(原IOImage)也推出了3MP的智能攝像機(jī)，但其還是采用4CIF分辨率的目標(biāo)探測算法，而且當(dāng)時(shí)其鏡頭也無法達(dá)到3MP解析度;

　　· 第一家內(nèi)置集成了750GB硬盤錄像，通過專利技術(shù)延長了硬盤10倍使用壽命。板載錄像降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，也大大降低了VMS視頻服務(wù)器和IPSAN存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求，為中小型工程商提供了即裝即用的解決之道。

　　路漫漫兮其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。國際大廠的發(fā)展思路就是我們學(xué)習(xí)的標(biāo)桿，筆者真誠希望國內(nèi)廣大智能高清攝像機(jī)廠商能夠快速研發(fā)出和VideoIQ公司類似的高清產(chǎn)品，填補(bǔ)我國的空白，充分利用我們發(fā)達(dá)的制造業(yè)，在技術(shù)創(chuàng)新上也打上“中國制造”的標(biāo)簽。