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高清監(jiān)控系統(tǒng)的誤區(qū)

    進入21世紀以來，圖像技術的發(fā)展突飛猛進。在廣電專業(yè)領域，高清視頻制作和高清視頻播放已經(jīng)進入到千家萬戶。在美國，模擬視頻信號已經(jīng)停播，高清頻道已經(jīng)達到了幾百個，全數(shù)字視頻時代來臨了。另外，消費電子視頻技術更是發(fā)展迅速，照相機從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，00萬像素已經(jīng)是主流配置，最新的諾基亞PureView手機應用無對焦系統(tǒng)，像素達到了4100萬像素，可以說，最新的技術在廣電和消費電子已經(jīng)應用到了極致。

    視頻監(jiān)控技術和應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也已成為主流選項，模擬攝像機逐漸淡出大項目采購范疇。

    高清監(jiān)控有其理論上的技術優(yōu)勢，從成本控制上來講，CMOS成像器件可以采用標準的集成電路生產(chǎn)線，攝像機廠家都可以設計集成度更高的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)設計上來講，1臺1080P攝像機畫面場景相當于5個D1攝像機畫面，安裝成本會大大降低，由于覆蓋面積很大，可以直接代替球機，利用電子PTZ跟蹤、觀察目標細節(jié)。和球機相比，高清攝像機沒有傳動機械部件，使用壽命長，維護成本低。

    但是，在實際項目中，往往發(fā)現(xiàn)高清圖像質(zhì)量并沒有理論上那么完美，白天目標距離稍遠，成像效果就很差；尤其是晚上，高清攝像機低照度能力差、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。對于大型項目來說，預算高，場景覆蓋面積設計合理，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目，用戶也是急于采用高清監(jiān)控產(chǎn)品，但沒有足夠的預算支撐，而工程商不了解當前高清攝像技術的發(fā)展趨勢，設備廠家沒有充足的培訓投入，工程商也沒有足夠的經(jīng)驗來有效設計監(jiān)控區(qū)域，其結果是必然會發(fā)生驗收質(zhì)量爭執(zhí)，從而不僅打消了用戶未來擴容更多高清攝像機的積極性，也對工程商造成了高清技術的心理誤區(qū)。

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

    模擬攝像機技術應用成熟：模擬攝像機已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的技術發(fā)展，從CCD成像器件制造、配套的ISP圖像處理算法到鏡頭設計和制造都已經(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)技術成熟，DVR硬盤錄像機已經(jīng)打上了中國制造的出口標簽。所以，按照成像理論(CCD靶面、鏡頭焦距、目標距離換算關系)和實際效果相比，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、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)控時代的技術來設計高清監(jiān)控系統(tǒng)，必然存在一定的誤區(qū)。總結起來，有以下六個方面：

    ·不同廠家高清攝像機CMOS成像質(zhì)量參差不齊：進入高清時代以來，整體系統(tǒng)架構發(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、寬動態(tài)上成像質(zhì)量不一，高清CCD現(xiàn)在只用于機器視覺或交通卡口等領域；

    ·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)真正能夠達到標稱分辨率。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到主流價格和性能，這導致小馬拉大車，只能支持720P的100萬像素的鏡頭搭配1080P的攝像機，這樣直接導致監(jiān)控效果大打折扣，從而大大降低業(yè)界對于高清監(jiān)控的心理預期；

    ·ISP圖像處理器性能差異：當前很多高清攝像機廠商直接采用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圖像處理器可以應付一般的場景，但是對于需要寬動態(tài)的場景，處理效果差，而監(jiān)控系統(tǒng)和消費電子或者廣電應用模式不同，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：當前的網(wǎng)絡攝像機主要有兩大類，一類是直接購買外協(xié)廠家的設計，直接生產(chǎn)，另外一種是自己設計系統(tǒng)并優(yōu)化視頻編碼算法。所以為了降低碼流，各個廠家會對H.264MP編碼算法進行優(yōu)化，也可稱為簡化，與廣電行業(yè)的全動感電影畫面相比，安防監(jiān)控只有30%的典型運動畫面。但是過度的優(yōu)化會導致在運動畫面增大時，DSP處理性能不夠，直接導致畫面質(zhì)量下降；

    ·VMS視頻管理軟件約束：標準配置的VMS視頻服務器可以處理32路1Mbps標清視頻碼流，如果是6Mbps高清碼流，那么每臺視頻服務器僅能夠處理5路，這必然導致VMS服務器硬件成本的提高。當然對網(wǎng)絡也造成很大的壓力，因為沒有了網(wǎng)絡，就沒有錄像。所以，為了降低網(wǎng)絡和服務器壓力，高清錄像碼流降低到4Mbps甚至2Mbps，這也導致了日后查詢到的錄像畫面質(zhì)量下降；

    ·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)可能永遠沒有機會被檢索，但是安全的需要，有些行業(yè)需要保證2年的數(shù)據(jù)儲存。到目前為止，還沒有比較成熟的技術能夠大幅壓縮視頻數(shù)據(jù)，從而降低存儲空間。所以為了降低存儲空間成本，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致圖像質(zhì)量下降的核心問題，筆者認為如300萬像素鏡頭的成本問題，高壓縮比編碼算法的技術瓶頸問題，都是無法能夠直接立刻解決的。但是筆者認為，技術上無法解決的問題，其實是可以轉(zhuǎn)化為架構上的問題，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

    視頻存儲時間長是安防行業(yè)的特點。根據(jù)監(jiān)控行業(yè)的視頻畫面特點，30%的畫面為重要畫面(人/車運動)，其他70%基本上都是次要畫面(晃動的樹、花草、動物)。

    而在30%的重要畫面中，可能只有20%的運動畫面是我們所關注的，其他80%的人/車運動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+高碼流來進行錄像(視場景不同而定，對于實時性畫面要求高的應用，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空間差別。

    視頻存儲所占空間

    從表1可以看出，每天的硬盤空間節(jié)省了40GB，是傳統(tǒng)高清存儲空間需求的37%。假設一塊2TBSATA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存儲系統(tǒng)考慮的話，那節(jié)省的成本將近10萬元。

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

    自動標定：攝像機在經(jīng)過一段時間運行后，因為大風、支架安裝力度等原因，可能會發(fā)生角度偏移，沒有自動標定功能的AVMD高級移動偵測技術將造成景深標定錯誤，從而造成根據(jù)像素大小對目標進行分類的算法失敗，出現(xiàn)大量誤報。真正的智能視頻分析系統(tǒng)具有自動標定能力，無論攝像機如何發(fā)生傾斜，都可以自動學習環(huán)境景深，從而為目標識別創(chuàng)造良好的基礎像素數(shù)據(jù)。

    目標分類：智能視頻分析技術的第二個特點就是先進的目標分類能力，通過內(nèi)置20多萬種目標模式，利用強大的人工智能神經(jīng)學習算法，可以大大抑制自然界引起的誤報，如雨、雪、大風、小動物、飛鳥、光影變化、樹枝晃動等。而高級移動偵測技術僅簡單地根據(jù)像素大小來判定目標，不考慮目標的外表紋理、顏色、形體幾何組合、步伐等人體/車輛模式，必將導致很高的誤報率。如夏天飛蟲、昆蟲在攝像機前面飛動，露水、雨水滴滑過鏡頭表面，這些異常事件都會導致系統(tǒng)依據(jù)像素大小來做目標分類的錯誤，從而出現(xiàn)大量誤報，浪費錄像空間。

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

    降低網(wǎng)絡傳輸壓力

    網(wǎng)絡和VMS視頻服務器之所以壓力大，是因為所有的高碼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挑戰(zhàn)。過多的視頻流需要劃分VLAN網(wǎng)段，而VLAN網(wǎng)段需要中心路由，所以3層交換機、核心交換機、邊緣交換機等等大量的設計和安裝配置工作是必不可少的。網(wǎng)絡人才來自IT系統(tǒng)和電信、網(wǎng)絡通信行業(yè)，人工成本高，人才流動性大，對工程商也造成了很大的公司運營負擔。

    而VMS視頻管理服務器、轉(zhuǎn)發(fā)服務器、IPSAN存儲系統(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視頻服務器、IPSAN存儲系統(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險。

    筆者認為，如果將NVR錄像轉(zhuǎn)移到每臺攝像機上，那么我們將不需要如此復雜的網(wǎng)絡和后臺服務器、存儲系統(tǒng)以及機房工程。即便網(wǎng)絡中斷，雖然控制中心無法看到實時畫面，但是監(jiān)控系統(tǒng)的最基本功能錄像還在每臺攝像機上繼續(xù)運轉(zhuǎn)，完全可以待網(wǎng)絡恢復后瀏覽錄像或直接到現(xiàn)場攝像機以太網(wǎng)直連下載錄像，供警方查證。

    通過分布式錄像設計，工程商可以降低施工隊伍的人才質(zhì)量要求，同時提高攝像機內(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間段、分批回傳備份到后臺服務器上，充分利用當前的百兆網(wǎng)絡技術優(yōu)勢，可以1小時之內(nèi)把攝像機上的當天錄像回傳備份。

    采用寬動態(tài)成像元件

    除此之外，選取內(nèi)置寬動態(tài)的SonyExmor1080PCMOS成像器件的高清攝像機，也是圖像清晰度保證的一個基本原則。按照Sony的測試報告，它的Exmor1080PCMOS成像器件已經(jīng)超越了同樣分辨率的CCD的成像能力，當然和另外兩大CMOS器件廠商(同樣是最大的兩大手機照相機芯片供貨商)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作為其手機照相機標配。

    當然，為了滿足實際安裝需要，筆者在此對高清攝像機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)作為一個致力于智能視頻分析技術的一體化攝像機廠商，在圖像清晰度保證問題上，卻遠遠走在了其它國際大廠的前列，應該值得我們高清攝像機廠商深思。VideoIQ公司的iCVR一體化球機真正解決上面談到的幾個大問題。在某個方面做到最好很容易，但是從每個方面都做到最好，是真正的不簡單。總結起來，VideoIQ公司做到了幾個第一：

    ·第一家采用了Sony公司的Exmor寬動態(tài)、低照度1080P成像器件，在Sony還未發(fā)布自己的1080P攝像機時，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；

    ·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智能球機時，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，但其還是采用4CIF分辨率的目標探測算法，而且當時其鏡頭也無法達到3MP解析度；

    ·第一家內(nèi)置集成了750GB硬盤錄像，通過專利技術延長了硬盤10倍使用壽命。

本地錄像降低了網(wǎng)絡帶寬的要求，也大大降低了VMS視頻服務器和IPSAN存儲系統(tǒng)的要求，為中小型工程商提供了即裝即用的解決之道。

    路漫漫兮其修遠兮，吾將上下而求索。國際大廠的發(fā)展思路就是我們學習的標桿，筆者真誠希望國內(nèi)廣大智能高清攝像機廠商能夠快速研發(fā)出和VideoIQ公司類似的高清產(chǎn)品，填補我國的空白，充分利用我們發(fā)達的制造業(yè)，在技術創(chuàng)新上也打上“中國制造”的標簽。