4K如何促进安防行业的发展

文/本刊记者 何遥

高清是安防视频监控的发展趋势。原本用于电视产品的技术4K，正在向安防领域延伸。本期栏目邀请到深耕视频监控领域多年的专业人士，共同探讨4K在安防行业的兴起和发展。

本期嘉宾：

天津天地伟业数码科技有限公司国际部市场总监 李正昀

浙江宇视科技有限公司IPC高级产品经理 陈 乾

杭州海康威视数字技术股份有限公司技术支持部产品经理 程 玮

浙江大华技术股份有限公司产品经理 汤杭峰

北京蓝色星际软件技术发展有限公司产品经理 焦成平

4K技术在安防行业的应用现状

4K常见的分辨率有3840×2160、4096×2160两种像素规格。“4K”名称就来源于其水平方向的像素数，4K分辨率相当于4个1080P或8个720P。4K摄像机就是分辨率为800万像素的摄像机。4K的应用于2013年开始出现在安防领域。

李正昀：4K方案是一项已经开始应用于实际的高清解决方案。4K提供了4096x2160超高分辨率（830万像素），约相当于全高清摄像机分辨率的4倍。和当初1080p推出之初一样，4K目前主要应用于室外监控，提供更大的视场角，同时兼顾到更多的细节，比如体育场。传统的高清摄像机，安装在高处俯瞰一片区域时，如果想看清楚一处的细节，虽然可以对特定地方进行局部放大，但是要牺牲一些清晰度。而4K则提升了一个档次，在不损失分辨率和清晰度的基础上，可以看清任何细节，能看到更广阔的场景，非常适合于城市监控和物流运输领域应用。再加上1台4K摄像机可以替代多台传统摄像机，不仅降低整体方案的成本，包括施工成本，而且监控没有任何盲点。不得不提的是，运用4K技术还有助于对视频录像的数据收集和分析。例如，可以捕捉到目标更精确的行进路线。足够高的分辨率可以对多种智能分析提供强有力的支持，例如车牌抓拍，提供更精确的辨识，减少错误报警。4K还有助于在拥挤人群中快速准确地定位目标，并提供周界防护。在智慧城市项目中，4K依靠超宽的视角，可以监控多条车道。

尽管4K系统毫无疑问市场前景很大，但是技术还远没有成熟。用户想要采购4K系统前，首先要考虑清楚的是：现场是否适合应用4K摄像机？供应商是否能提供与4K摄像机完全兼容的系统？一套完整的4K系统，除了摄像机，还需要与之相匹配的摄像机编码技术、后端设备、存储能力和显示设备，如电视墙和监视器。Theia和Fujinon是仅有的2家能够生产4K镜头的公司，垄断了该市场，对于4K镜头成本的控制不利。而且这些产品还处在发展初期，很可能大多数视频监控用户还在使用标准的高清监视器，如果要使用4K系统还需要再投资4K的监视器。而且在低照环境的效果上和捕捉快速移动目标上，4K摄像机也还有很大提升的空间。

还有一种误解，就是许多人认为4K将代替全景摄像机。从目前来讲，这种观点是不正确的。尽管4K摄像机可以提供更加宽广的视角，但是和全景摄像机相比，它仍然存在盲点。而现在4K鱼眼摄像机镜头还没有开发出来，想要消除镜头边缘扭曲的问题难度还很大。在一些需要全景监控的场景，比如码头、酒店大堂、停车场等，全景摄像机仍然是更好的选择。

汤杭峰：首先，4K摄像机可以很好地纵览全局，当随机事件发生，各个业务部门可以用同一台摄像机在同一幅图像中找到各自感兴趣的点，并且在经过多级放大后，仍能得到高清的细节画面。因此4K摄像机可以在不改变摄像机数量、焦距、角度的条件下，进行全天候、全场景下的监控。4K画面的丰富细节，可以让我们各个业务部门实现信息共享，同一个场景下，不用为了看清不同区域而架设多台摄像机，在一定程度上也节约了投资成本，让可视化管理更高效、联动响应更及时、安全系统更有保障。

4K显示技术的出现，既改变了人们的视觉感受，又拉近了人类的观影距离。在安防领域，4K最早应该算是从智能交通行业开始，因为在交通领域，需要较大分辨率的摄像机来监控多个车道的车辆情况，这样可以提高对车道的覆盖范围。从2013年开始，国内的一些智能交通厂家开始陆续推出800万像素，甚至千万像素的高清电警卡口相机，但是由于传感器能力以及后端Soc芯片处理能力的限制，一般只能实现5-15帧/秒的处理能力。

程玮：在电子消费类市场，4K技术可以应用于4K超高清电视、4K高清医疗影像展示、4K超高清赛事（如世界杯足球赛）盛况直播等等。在安防监控领域，随着4K概念的推出和普及，已经有越来越多的项目中用到了4K产品，主要可以用在平安城市的全景监控、超宽车道的监控、公安GIS地图的指挥调度中等等。

陈乾：国际电信联盟对4K超高清的定义是：水平清晰度3840，垂直清晰度2160，宽高比16:9，总约830万像素，分辨率是1080P的4倍，720P的9倍。从这个定义中就能看出4K最大的特点就是其800万的像素组成的超高清画面，四倍于1080P的分辨率，使得同一场景下4K会用四个像素点去描述1080P画面中一个像素点描绘的信息，所以4K画面自然更清晰、更贴近真实。

如下图所示，1080P图像中远处的车牌信息已经模糊，而4K图像中依然可以清晰分辨。

李正昀

程 玮

4K的优势首先是如前文所述高清晰度使得画面中的细节都能得到保留，清晰度高、画面中获得的信息量提升；其次由于4K画面的信息量提升，基于更多的信息量，就能实现更准确的智能分析，所以基于4K画面的智能分析会更加准确，而且也将有更多令人惊喜的智能应用得以实现；最后由于4K技术所采用的Sensor靶面尺寸更大，其画面覆盖的范围也整体提升，能实现全局与细节兼顾，所以在同一个场景中，采用4K技术能一定程度上降低布点密度，节省整体项目成本。

一年多来，4K技术在视频监控领域的应用一直在不断发展。2013年安博会上4K技术展露苗头，但当时只是仅限于前端采集部分——4K网络摄像机的展示；而在2014年北京安博会上，各大厂家都开始在4K这个卖点上大做文章，推出了诸如4K EPTZ、4K枪球联动等多种应用，同时4K NVR等配套产品也有推出，获得了不少客户的认可；到了2015年，4K技术再次突破，几大厂家的4K网络摄像机已经支持1200万分辨率，相较于传统4K的800万分辨率，覆盖面积更广、清晰度更高。如下图所示，这是宇视HIC5681-L在变电站的制高点的应用，从图片中可以清楚的看到，1200万相较于4K的覆盖范围提升了近50%，而且依然能保证画面中远景部分细节的清晰还原。

焦成平：以4K超高清摄像机的应用来说，应用千万像素级别的超高清摄像机，可以在不改变摄像机数量、焦距、角度的条件下，进行全天候、全场景下的监控，更好的满足用户的监控需求。而且，4K画面的丰富细节，经过多级放大后，仍能得到高清的细节画面。这就让监控者不用在同一个场景下，为了看清不同区域而架设多台摄像机，比如在交通领域监控多个车道车辆的情况下，一台摄像机就能满足多车道高清监控需求，这样就能极大的节约投资成本。近年来，不少厂家开始纷纷推出4K的IPC产品，包括各类枪机、鱼眼摄像机、甚至支持变焦的球机等等，也正是看到4K这种技术良好的发展前景。

在安防领域目前有一些行业使用了4K的超高清摄像机，主要是使用在机场、火车站以及交通路口。这些地方使用4K，优势相当明显。以火车站为例，广场前使用1支4K摄像机，监控范围基本能够覆盖到整个站前广场，同时基本能够看清行人的面貌。在交通上，十字路口安装一台4K摄像机，能够覆盖到路口4个方向的车辆监控，如果使用传统的720P或1080P摄像机则需要安装4台。如果是抓拍车牌，200万级的IPC能拍一根车道，4K则可以直接拍摄4条车道。”

安防领域推广4K技术遇挑战

虽然4K技术得到了很快的发展，但4K技术在实际项目应用上一直不温不火，4K技术的普及，需要克服一系列的障碍。

陈乾：其实要实现超高清视频监控从来不只是视频监控某个部件——比如采集的摄像机实现超高清就可以了，超高清视频监控是一整个监控系统的超高清，涉及到采集、编码、传输、存储、解码显示各个方面，而目前的障碍主要在编码和解码显示两个方面。

首先在编码传输端，4K图像的码流过高，导致传输、存储的成本普遍提高。虽然目前H.265技术呼声很高，但在与4K技术的结合上，一直没有得到实际应用。所以业界依然还在用H.264作为主流高清编码技术，4K摄像机的码流还处在8～10M左右。对于这么大的码流，只提供“一路实况+ 一路存储”，已经让部分监控网络望而却步了，更何况一旦发生突发事件，会有更多的客户端同时访问同一路图像，普通的监控网络根本承受不住这种负担，必须要对整个网络进行升级；而且目前大部分的监控网络采用流媒体技术，流媒体服务器的转发性能也亟待提高，否则很容易成为监控网络中的瓶颈。同时，更大的码流势必会带来更大的存储需求，而且对存储设备的并发写入/读取性能也提出了更高的要求。简而言之，由于在编码技术上的限制，4K超高清摄像机的大规模使用势必会带来更高的网络传输及存储成本。

其次在解码显示端，目前的高清解码器普遍以1080P解码输出为主，4K解码才刚起步不久。能并发解16路1080P图像的解码器已经非常成熟，但能并发解16路4K图像的解码器还离我们非常遥远，而且现在的4K解码器单路解码成本普遍偏高。此外在图像显示上，由于成本等因素，4K大屏还未能在安防界大范围使用，目前比较能接受的是通过四块1080P大屏拼接来解决4K图像显示问题，但就用户体验来讲，肯定不如直接用4K大屏显示。

程玮：4K的推广普及主要有两大障碍，一是4K的超高清画面带宽和存储成本太高，要想解决这个问题，首先，要从编码效率这个造成成本高的源头上来寻求解决方法，海康威视目前拥有了自主专利的编码算法Smart 264，可以在原有的H.264设备上，使用在运动目标不多，例如像室内茶水间、楼梯间等场景下，码率可以降低4倍以上；在运动目标部分时间较多，比如不太繁忙的道路上，码率可以降低2倍以上；而如果场景中不断有目标大幅运动，像火车站等场景下，也会比原有的H.264效果要好。而未来，等到H.265的4K产品推出，这项Smart 264算法也可以兼容H.265的设备，进一步的降低码率，降低带宽和存储成本。其次，4K的配套产品普及。4K需要一个完整的产品及软件链条才能真正应用起来，包括4K的摄像机、4K的NVR、4K的解码器/视频综合平台、4K的大屏等，前端摄像机和大屏最先推出，而发展到现在，4K的配套产品也逐渐齐全。

汤杭峰

焦成平

焦成平：尽管许多厂家认可4K的未来，也推出了相应的产品，但一些主流厂商还是能保持一种清醒的认识，在加大4K等高清技术创新的同时，都特别强调高清的实际推广和市场需求相适应的问题，像蓝色星际总裁肖刚就表示：“现在从银行到普通客户，消费都非常理智，如何把高清H.265和4K落实到用户能使用得起的、消费得起的高清，是厂家的一种责任。”这体现出中国安防企业日渐成熟。

在现实应用中，4K的发展面临以下几个重要问题。

首先是技术和成本问题。目前4K的技术还不尽成熟，H.264压缩技术不足以完成4K视频的压缩工作，我们只能寄希望于H.265技术的普及，但是H.265要求的计算设备更多，无形当中增加了成本。另外，4K意味着更清晰，同样意味着视频文件更大，这对现在的宽带需求太高，如果全面普及，那么就面对大面积网络改造，成本是个问题。而且想要支持4K传输，HDMI的标准必须支持2.0规范，HDMI线缆的理论传输距离是10-15米，超过这个距离，就需要中继设备的支持，这还会涉及到成本的问题。

其次是后端显示设备的问题，许多厂商推出了超高清的摄像机，但并不生产后端显示设备，而目前安防行业视频播放设备一般都是液晶监视器，超高清的监控设备太少，不足以支持全面的4K应用。

李正昀：从厂商角度看，他们都想要率先推出4K摄像机，但是能够提供整套4K系统的厂商则少之又少。如果购买4K摄像机，就必须要购买与之相匹配的4K的NVR和4K的监视器。所以如果厂商推出4K产品，乃至H.265产品时，必须要考虑到兼容性和系列化的问题，需要能够提供一套完整的解决方案。而且某些厂商为了率先推广4K摄像机，选择抄近路的方法，不等H.265技术推出，在H.264上就推出了4K产品，导致摄像机的码流非常高，根本没有实际效用，这种做法应该说是不负责任的。除此之外，还应考虑到存储和带宽因素。幸运的是，随着40G以太网技术的发展，也就是网络传输速率能达到每秒40G。但是即便如此，4K文件的压缩技术也是至关重要，保证文件快速和稳定地进行传输。这也是为什么说4K技术和H.265技术是密不可分的，只有在成熟的H.265编码基础上推出的4K产品才是真正可以实际应用的4k产品。

不久的将来，4K肯定会成为视频监控产品分辨率的新标准。不过，在此之前必然有许多困难需要厂商客服，例如，视频码流高，难以捕捉快速移动目标，低照环境下表现糟糕等等。其中低照的问题主要是因为过小的传感器和像素过于集中的画面之间的矛盾，导致进光量过少。目前大多数4K产品使用的传感器质量较差，镜头光圈较慢，并且没有提供红外灯补光。一旦4K能够解决上述问题，更好地应用于各种不同的场景，它将对安防行业带来巨大改变。不过，即便H.265技术日趋成熟，4K技术想要大规模地应用也至少需要一年以上。毫无疑问，H.265技术将会是超高清摄像机的最好选择。凭借出色的压缩技术，H.265将会减少50%的码率，这也会是超高分辨率监控方案的最为重要的部分。

汤杭峰：目前4K技术的普及面临的最大问题，是其超高清分辨率带来的超大带宽占用和超高存储成本。现有的编码算法H.264至今已沿用十多年，4K分辨率需要8-16M的超大码率才能保证图像质量，这对于带宽或存储都是很大的压力。在这样的背景下，需要有比H.264更高效的视频压缩标准才能推动视频高清化发展。最新的H.265编码标准延续了H.264编码框架，同时采用了大量全新的编码压缩技术。这些新技术的使用可以使H.265的压缩性能相比H.264提升一倍，换句话说，就是相同视频质量下，高清视频所需要的传输带宽或者存储空间则为H.264的一半左右。由此可以看出，H.265编码技术必然会成为4K，未来8K甚至更高分辨率的最佳选择。

4K将成安防主流技术

4K仍是高清化浪潮的延续，但是4K带来的却不只是分辨率的增加。要真正实现4K的超高清监控，需要集成一系列视音频编解码、图像处理、智能分析等技术来支撑。

程玮：人们对高清的追求是永无止境的，4K是顺应时代需求的必然产物。这也从另一方面推动了整个监控行业技术的快速变革。目前4K产品在安防中处于高端地位，随着HEVC芯片的推出和普及，以及整个4K产业链的不断完善，有理由相信，在未来的几年内，4K产品带来的细致入微的超清晰监控效果，将会引领视频监控市场进一步步入高清、超高清时代。

陈乾：4K技术普及的主要障碍就是应用成本过高，导致用户的需求并没那么强烈，不过随着技术更迭，更高清产品的投入使用是大势所趋，技术及配套设施将进一步提高，4K技术的性价比达到一个合适的度，4K必将以更成熟的姿态得到普及应用，成为安防主流技术，展示超高清带来的更多价值。

汤杭峰：随着市场高清化发展以及H.265技术的应用发展，未来两年H.265编码的4K产品将会在市场得到广泛应用，特别是类似平安城市、智能交通等公安行业用户。比如4K技术视频应用结合图侦系统做更高精度的数据挖掘，提升了视频的监控效果，使画面的细节更加突出。图侦系统中常用特征检索、图像浓缩等功能在4K技术的加入后它的准确性、易用性会得到更大的提升。这也将推动整个安防监控行业技术变革，加快智慧城市建设步伐。

焦成平：从高清产品各个模块来讲，这是一个产业链条，从镜头到传感设备，到编码，结合4K，包括后端显示设备，只有产业链的各个环节都能实现4K应用，并且能够进入一个价格相对合理的区间，4K才具有真正的应用空间。而在国内，最有机会突破4K瓶颈的无疑是那些拥有完善产品链条、具有整体解决方案能力的厂商。以蓝色星际为例，蓝色星际具有前后端、高中低、IPC、NVR、DVR全面囊括的产品布局，而且又是业界公认的安防整体解决方案供应商。近年来，蓝色星际在研发相关高清技术的同时，还结合不同行业需求，致力于整体高清解决方案和4K技术兼容性的开发。我们有理由相信，在未来的几年内，随着蓝色星际这样厂商不断努力以及整个4K产业链的不断完善，中国安防业将会逐步进入真正的高清和超高清的时代。

李正昀：从国际通信联盟（ITU）设立UHD电视标准以来，4K已经走过了很长的道路。随着厂商不断改善和升级系统，4K技术将会提供给用户更清晰的分辨率，更流畅码流的产品。可以说4K不仅将会是未来监控产品的标准，而且开辟了新的方式，尤其在事后分析和数据收集方面。