4K在安防行业应用现状分析

□ 文 /许小思

视频监控作为人们日常生活中不可或缺的安防设备之一，在传统的背景单一、人流量较小的情况下，也会存在视频画面模糊的情况，更何况是在机场、火车站等人流量密集的场景下，视频的监控效果更会大不如前。因此，图像呈现的清晰度便成为视频数据反馈的关键性指标。伴随着安防行业的一步步成长，以及用户对于清晰度的更高要求，传统的百万像素高清摄像机已无法适应环境的变化，安防领域的超高清已经到来。4K超高清成为当代新宠。这不仅意味着画面清晰度及用户体验的提升，更代表着未来安防“超高清”的时代触手可及。

4K技术的起源

4K技术首先发展于电视领域。2012年5月，国际电信联盟发布了BT.2020“超高清电视UHDTV标准的建议，将大屏幕的物理分辨率达到3840×2160(4K×2K)及以上的电视称之为超高清电视，因此4K又称为2160p。此外，BT.2020标准也将8K(7680×4320)纳入超高清标准。BT.2020标准定义的超高清系统除了在分辨率、刷新率、色彩深度上进行了提高，还在色彩空间、伽玛校正等方面进行了全方位的调整，特别是色域三角形方面的扩展，使得画面的色彩表现远胜于高清系统。

不论是家电行业还是安防领域，对于4K的定义都是一致的。现在广泛应用的200万像素，即1080P高清，分辨率为1920*1080，而4K（超高清）分辨率为3840*2160，4K的分辨率相当于4个1080P，即一部4K监控摄像机可以当4个准高清监控摄像机用，使用超高分辨率为视频监控采集超高清图像，即使图片放大了也不会造成图片模糊不清的状况。

4K技术的应用特点

4K技术表现最明显之处在于，其显示分辨率的提升，使得画面更加精细。影响画面的精细度有两个重要关键因素，一个是画面的像素，另一个是画面的垂直分辨率。画面的像素越高，在相同尺寸的画面上的像素就越精细，晶格就越小。而因为人眼对于影像的垂直分辨率相当敏感，越高的垂直分辨率，人眼就能辨识越多的细节与层次。4K技术在采集图像设备领域里能实现的就是在提高像素的同时，又增强了画面的垂直分辨率，使得画面的细节和层次更加精准。其次，色彩层次与细节的增强，使得画面更接近真实生活。

其次，色彩层次与细节的增强，使得画面更接近真实生活。从标清到高清显示系统的转变，实际上主要是分辨率方面的升级，在色彩方面并没有太过明显的提升。不过进入到4K超高清的时代，画面方面的变化除了分辨率出现飞跃之外，色彩方面的变化尤其引人注目。

此外，4K视频系统处理的是10位，甚至是12位编码的视频信号。现阶段高清或全高清系统通常采用的是8位的视频系统，而4K超高清则采用10位甚至12位的视频系统，对于色泽的处理非常分明，无论是灰阶层次过渡还是色深的层次表现都优于高清系统，色彩层次感和画面感增强，更加真实地还原生活。

考虑到4K的高清网络摄像机画质相比于200万像素，垂直分辨率更高，画面细节层次更精准，显示更清晰、更干净细腻，它的应用场景也便一目了然。4K摄像机能实现更广角度的监控，纵览全局，可监控更广阔的区域。同时，对视频查看、检索、分析应用提供了更丰富、更有价值的图像素材，让可视化管理更高效、联动响应更及时、安全系统更有保障；基于超高清的视频源，人脸识别、车牌识别等智能分析结果也将更加精确；同时，4K画面丰富的细节可以让各个部门进行信息共享，不用为了看清不同区域而架设多台摄像机，达到节约投资成本的目的。例如在火车站广场前使用1个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；如果抓拍车牌，高清摄像机能拍下一条车道，4K则可以直接拍摄4条车道；在十字路口安装一台4K摄像机，能够覆盖到路口4个方向的车辆监控。

4K应用下的高效视频压缩算法

虽然视频清晰度的提升给安防领域带来了不小的变化，但伴随而来的超大带宽占比和超高存储成本也成为新的问题。为此，更加高效的视频压缩算法应运而生。HEVC是新一代的视频编码标准。H.265可保证相同视频质量的前提下，降低40%-50%的编码比特率，简单来说，高清视频所需要的传输带宽或存储空间将为H.264的一半。H.265基本继承了H.264的框架，同时对一些相关的技术加以改进，并使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。与H.264相比，H.265提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等好处。由于H.264只可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；而H.265则可以实现利用1～2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280*720)普通高清音视频传送。更令人高兴的是，H.265由于其本身算法的特点，在4K这种更高分辨率的编码处理上效果会更高，充分解决4K时代视频编码的瓶颈。

高压缩率

H.265采用多样的宏块二叉树的编码分隔方式、帧内预测方向和帧间预测技术，具有更好的运动补偿处理方式和矢量预测方法，编码更加灵活，编码数据大幅降低。相比H.264，H.265编码可将码流降低40～50%，压缩比达到400:1，编码耗时降低70～80%，这将使存储成本大大降低，优势极为明显。

高清晰度

H.265支持4K和8K（8192*4320）超高清分辨率，计算能力不再受到制约，跟上了显示屏高分辨率的脚步，给客户更高的视频清晰度体验，避免了码流几何倍数增长的尴尬局面，增强用户的视觉体验。

存储便捷

随着用户对安防监控中高清视频的需求越来越高，所需存储空间急剧上升。与H.264编码技术相比，H.265的高压缩率可以节省一半的存储空间，通过降低码流来为客户节省存储成本，降低硬盘的存储空间。

智能互联

在这个物联网、云计算的时代，各部门的信息共享尤为重要。原H.264时代，由于分辨率的限制，各部门只能独立获取有效数据，造成采集点的冗余，无法实现信息共享。而H.265的超高清摄像机，采集视角广泛，可以同时实现多项业务的采集需求，减少同区域范围内的采集节点，有效提高了信息共享的效率。

经济实用

高分辨率可以降低采集节点的数目，同时高压缩率致使存储空间下降。降低硬盘数目，这会大大降低客户系统的建设成本。同时，在保证画面质量不变的前提下，H.265的数据传输带宽和节点数量的明显降低，对交换机的要求不再苛刻，也为用户节省了投资成本。

4K高清监控解决方案

4K高清监控一直是一个整体系统而不是单个设备或环节。从前端采集到网络传输到后端解码、存储以及显示都需要配套的产品，每个环节均满足4K的要求，才能更好的展示出4K超高清的效果。

目前，由于4K在电视行业发展快速，因而在安防监控系统中最早出现的是4K的大屏，84英寸4K面板都已上市，大尺寸显示屏是整个4K系统中的先行者。国内的诸多监视器厂家也纷纷发布4K监视器产品。随着前端4K设备的跟进，视频源已经不是问题。

其次，要实现4K超高清体验和应用，高像素的监控摄像机是必不可少的条件，普通的百万级像素高清摄像机无法体现和满足4K超高清的需求，因而800万至1200万像素的摄像机逐渐被采用，行业内推出了800万乃至更高像素的监控摄像机。同时，芯片技术的发展，也将推动能够匹配4K或8K超高清摄像机的丰富发展。

在后端存储设备方面，由于超高清所带来的超大数据量，传统DVR已难以负荷，普通高清NVR也难以实现4K超高清视频监控的需求，因而针对4K超高清的NVR产品应运而生，在不进行缩放的前提下对4K图像进行预览、录像、解码回放和显示输出，这对于NVR来说也是到达了一个新的高度。

安防行业高清化以及产品分辨率的不断提升是安防行业的必然趋势，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，尽管4K技术在安防行业中存在技术及成本上的瓶颈，但我们相信，在不久的将来，4K产品带来的超高清监控效果，将会引领市场步入超高清时代，为高清安防厂商带来新的经济增长点。