超高清视频在安防应急产业中的应用

张黎敏 刘虹君 韦胜钰 蔡 佳

1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610 2.智能产品质量评价与可靠性保障技术工业和信息化部重点实验室，广东 广州 510610

超高清视频是具有4K（3 840×2 160 像素）或8K（7 680×4 320 像素）分辨率，在色深、色域、帧率、分辨率、三维声和动态范围六大维度上实现突破的新一代视频技术[1]。超高清视频涉及摄录编码、内容制作、网络传输、终端呈现等多个环节[2]，不仅能够提供更精细的图像细节，推动显示、传输等相关行业的迭代更新，还在AI、5G、云计算等新一代信息技术的支持下，拓展了在广播电视、安防应急等领域的融合应用。

为了扶持超高清视频技术的发展和应用，国家相继发布了一系列政策法规。《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022 年）》明确提出要在安防监控等领域实现超高清视频的规模化应用；《中国安防行业“十四五”发展规划（2021—2025 年）》提到要加快5G 等移动通信技术的落地，为超高清摄像功能提供支持，并基于AI 技术，推进安防智能化深度应用；《5G应用“扬帆”行动计划（2021—2023 年）》明确提出加快推进5G 技术在超高清视频监控、智慧应急终端等产品在城市安防、应急管理方面的应用，建设实时精准的安防体系。超高清视频、5G、AI 等技术和安防应急协同发展，安防应急将变得更清晰、更快速、更智能[3]。

2020 年超高清视频行业应用规模已超9 800 亿元，其中安防监控占比达19%。2021 年我国超高清视频产业总规模达2.45 万亿元，推动超高清视频+安防应急融合应用朝规模化方向快速发展。

1 安防应急行业发展现状

1.1 安防应急产业链内容

安防应急产业链可分为上游、中游和下游3 个部分。上游涉及算法、芯片和其他精细零部件，其中算法主要包括内容识别、轨迹预测、图像增强等AI 算法和视频编解码算法，芯片包括ISP、IPC SoC、DVR SoC、NVR SoC、GPU 等视频管理芯片，零部件则涉及光学镜头、图像传感器和存储器。中游包括智能安防应急软硬件、云服务、大数据处理和运营服务，其中软硬件主要包括超高清摄像机、存储录像、网络传输等设备，大数据处理包括数据挖掘和海量数据并行处理，运营服务根据用户群的不同可分为针对家庭及中小企业的通信运营商，以及针对政府或大型企业会场的服务提供商。下游则是在城市、行业和家庭中的应用，如智慧城市、智慧交通、智慧车站、智能家居等领域。

1.2 安防应急产业布局

我国主要在经济较为发达的“珠三角”“长三角”“环渤海”三大地区形成安防应急产业聚集区，其中，珠三角是以研发生产为主的中上游企业群；长三角汇聚了安防应急行业巨头和高新技术企业群；环渤海集成了应用、软件及服务企业，三大集群共占据我国安防产业2/3 以上的市场份额。

1.3 安防应急行业发展情况

安防应急行业正经历由“看得见”到“看得清”再到“看得懂”的飞跃，2021 年，中国安防行业总产值已超9 000 亿元，随着超高清视频技术不断深入安防监控、应急无人机和指挥车等领域，安防应急行业“超高清时代”加速到来。2022 年8 月，工业和信息化部办公厅、国家广播电视总局办公厅发布了《关于公布超高清视频典型应用案例名单的通知》，共104 项覆盖六大领域的超高清视频典型应用案例入选，其中安防领域入选13 项。安防应急行业正逐渐利用超高清视频技术节省人力物力，赋能千行百业，并在保障人民财产、生命安全等方面发挥越来越重要的作用。

2 超高清视频在安防应急产业中的应用

超高清视频依赖其高动态范围、大覆盖范围和高分辨率技术，解决了安防应急产业复杂环境下摄录的关键信息丢失、大视角监控难以满足、监控视频事后分析耗时耗力等痛点问题，提高了事前预警和事后应急的处理效率，推动了安防应急产业的高质量发展。

2.1 超高清视频记录复杂场景关键信息

光线高反差场景在日常生活中极为常见，如阳光下的阴影、夜晚明亮的灯光、车库门打开时照进的阳光等。在这些场景中，摄像机感知和鉴别细节的能力取决于同时处理场景中高亮部和暗黑部的图像处理能力。当强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等亮度较低的区域在图像中同时存在时，市面上绝大多数摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色而黑暗区域因曝光不足成为黑色的现象，导致拍摄的图像质量较差，严重影响信息的提取与分析。

标准动态范围技术和高动态范围技术[4]能够分别呈现1 000 cd/m2和100 000 cd/m2的亮度显示范围，因此，凭借高动态范围技术，超高清视频能够同时增强图像对高亮部分和低照度部分的表现能力，拍摄的图像也能够具备更多、更丰富的亮度层次。在现实情况中，配备标准动态范围技术的安防摄像机拍摄到的图像中人脸、肢体等部位会出现死黑，导致无法直接辨认关键信息。而在配备了高动态范围技术的摄像机拍摄到的图像中，夜间办公大楼的室内高亮部分不再因为曝光过度而完全丧失影像细节，人脸等低照度部分信息也得以保留。超高清视频的高动态范围技术能够清晰记录光线高反差场景，避免关键信息的丢失，为后续智能算法处理或人工判断记录更全面的画面信息。

2.2 超高清视频提供大覆盖范围监控

大型会议活动场馆或者大流量场所均具备规模大、人员密集、组织工作烦琐、持续时间长、情况多变等特点[5]，容易引起公共安全事件，需要可靠且稳定的技术手段来确保活动的顺利开展。现实中通常采取布置足量摄像机的做法，以实现场景全方位覆盖。但多相机系统之间相互独立，因此需要处理如遮挡、形变等共性难题，另外，多相机的维护成本也是居高不下。

超高清视频同时具备高分辨率与大覆盖范围的特点，在兼顾画面细节的同时，能够解决大场景的监控问题。一台4K 超高清摄像机与4 台高清摄像机的视野覆盖范围相同。在广州市黄埔区“透明旧改”施工现场，部署的超高清摄像机能够对扬尘防控、施工安全及建筑施工质量等现场情况进行全面拍摄，并与具备大带宽特性的5G 技术相结合[6]，免除了多相机接线供电、布线传输等烦琐操作，大大减少摄像机的布控数量，实现录制影像实时全天候不间断传输，满足超高清的实时监控需求，有效防范施工风险。此外，结合搭载摄像机的移动设备，如搭载相机的无人机、无人指挥车等，实现灵活布控现场的同时，还能以广阔观察视野对目标进行全方位观测跟踪，丰富指挥调度手段，增强大型场所的应急响应能力。

2.3 超高清视频实现监控视频智能快速分析

执法部门使用的大多是传统的安防摄像机，分辨率普遍为200 万～300 万像素，还受限于低动态范围、遮挡等因素影响，直观展现的多是模糊、重要细节辨认不清的画面效果，工作人员直接获取有用信息的难度较大，需要耗费大量的时间和人力进行图像处理，导致相关部门难以开展下一步的行动。

超高清视频的分辨率可以达到800 万像素以上，在交通、车站场景中，4K 超高清摄像机拍摄的汽车车牌和品牌等信息清晰可见，闯红灯、闯闸等违法行为也更易被识别记录，而高清摄像机拍摄的有关车辆身份信息模糊、难以辨认。此外，超高清摄像机能够记录行人的微小动作、面部的细微特征、设备的微小动态等细节，为画质增强、目标识别分类、有效数据提取挖掘等AI分析提供更为详细的画面信息[7]，进而实现可疑人员迅速跟踪预警、安全事故高危场所监测预警、森林火灾监测等智能操作。在紧急情况发生时，还可通过无人机、LED 拼接大屏等设备实时反馈的超高清画面做出应急反应，提高应急效率。

3 超高清视频在安防应急产业中的发展与展望

虽然超高清视频为安防应急产业提供了高分辨率、高帧率的监控视频，但激增的视频数据量对传输、存储、算力、安全等方面提出了高要求。在这个“万物互联”的智能时代，任何技术都无法单独实现爆炸式发展，超高清视频也不例外，需要视频编解码、5G、AI 算法等技术的支持和保障来实现超高清视频在安防应急产业中高质量可持续发展。

（1）加速视频编解码算法的发展和应用。4K 超高清视频数据量已经是高清视频数据量的4 倍，录制20 min 未经压缩的8K 超高清视频需要的存储空间更是高达4 TB[8]，所以需要视频编解码技术来提高压缩效率，同时也需要考虑可能出现的画质损伤及传输延迟。目前，面向安防应急领域的视频编解码标准主要有国外的H.264、H.265、H.266，以及国内的AVS、AVS2、AVS3 和SVAC 1.0、SVAC 2.0[9]，3 种 标 准新版本的出现意味着压缩效率的提升。由于国内不同行业关注点不同，目前应用较为成熟的是H.265、AVS2 及SVAC 1.0，随着各编解码设备的连通性与兼容性不断优化完善，更加适用于超高清视频的H.266、AVS3、SVAC 2.0 将得到进一步推广。

（2）加强网络传输建设。超高清视频数据量的激增引发了传输难题，除了需要研发高效的视频编解码算法外，还需要大传输带宽。现有的4G 技术难以承载超高清视频的传输需求，需探索并发挥5G 的大带宽、低延时、超可靠优势，实现从监控画面采集到显示终端呈现全过程的稳定快速传输。未来，随着信息技术的不断突破，5G 及未来演进的6G 技术将推动安防应急产业走向现实与虚拟的交互融合，近眼应急显示装备、一体式安防应急设备、数字孪生智慧交通等有望得到进一步发展。

（3）加快AI 算法与云计算、大数据、边缘计算等技术的融合应用。超高清视频使得本地的数据量和计算需求急剧增加，需要额外的技术来保障监控视频有效信息的提取与长时间存储。AI 算法具有视频特征提取与内容理解优势，结合云计算和大数据技术可以实现数据汇聚，从而方便AI 算法对监控视频数据进行学习、挖掘、训练和推理。此外，还可以考虑将AI 芯片内置在超高清摄像机中，利用边缘计算技术将算力前移，使得监控摄像机具备一定的分析识别能力，从而减少延迟和带宽消耗，解放传输设施和云端的资源。

4 结语

超高清视频技术已应用于安防应急产业的视频监控、大型会场监管、监控信息分析等细分领域，使得夜间监控画面更清晰、监控细节更丰富，大视角监控更轻松实现，监控视频智能分析价值更高。未来，随着超高清视频和5G、AI 等新技术的进一步融合，安防应急产业将得到长足发展。