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你知道的高清或超高清到底有多清晰？

時(shí)間:2015-08-12 15:09:37 來(lái)源:安防行業(yè)協(xié)會(huì ) 作者:未知

[摘要] 高清攝像機按清晰度進(jìn)而又分為高清、準高清(720P)、高清(1080P)、全高清(1280P)以及4K，而百萬(wàn)高清監控攝像機采用H.264視頻壓縮解碼，支持多碼流選擇?，F在高清已經(jīng)是現在安防監控行業(yè)的主流。 [摘要] 高清攝像機按清晰度進(jìn)而又分為高清、準高清(720P)、高清(1080P)、全高清(1280P)以及4K，而百萬(wàn)高清監控攝像機采用H.264視頻壓縮解碼，支持多碼流選擇?，F在高清已經(jīng)是現在安防監控行業(yè)的主流。

文/湯凱
高清晰度攝像機類(lèi)型

高清攝像機按清晰度進(jìn)而又分為高清、準高清(720P)、高清(1080P)、全高清(1280P)以及4K，而百萬(wàn)高清監控攝像機采用H.264視頻壓縮解碼，支持多碼流選擇?，F在高清已經(jīng)是現在安防監控行業(yè)的主流。

核心架構

網(wǎng)絡(luò )高清已經(jīng)是監控領(lǐng)域的大體趨勢了，而網(wǎng)絡(luò )高清攝像機的關(guān)鍵架構由三部分組成，鏡頭、圖像傳感器以及壓縮處理芯片，其中圖像傳感器是圖像采集處理部分的核心。而網(wǎng)絡(luò )高清攝像機的崛起無(wú)疑又是掀起一場(chǎng)波浪，隨著(zhù)監控行業(yè)的不斷發(fā)展，傳感器的發(fā)展也是日新月異，技術(shù)上更是推陳出新，傳感器的選擇也是成為網(wǎng)絡(luò )高清一個(gè)重要的選擇，CMOS和CCD傳感器誰(shuí)更適合網(wǎng)絡(luò )高清也是一個(gè)值得商榷的問(wèn)題。CCD傳感器的使用是最廣泛的，然而CMOS傳感器在成本上還是給了CCD很大的壓力，盡管CCD和CMOS在監控中有不同的優(yōu)勢，但CMOS工藝和技術(shù)的日趨成熟，以及高端CMOS的成本下降，網(wǎng)絡(luò )高清攝像機的未來(lái)將會(huì )由CMOS傳感器主導。鏡頭又分為固定光圈、自動(dòng)光圈、自動(dòng)變焦和自動(dòng)變倍。

高清成像的關(guān)鍵部件及其功能

浙江大華技術(shù)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大華)研發(fā)經(jīng)理梁文豪向筆者談到從光學(xué)器件、傳感器、ISP及圖像編碼這幾個(gè)方面對清晰度的影響。


光學(xué)器件

他認為，根據凸透鏡折射原理，在成像面上會(huì )有一個(gè)焦點(diǎn)。在攝像機進(jìn)行拍攝時(shí)，調節相機鏡頭焦點(diǎn)，使距離相機一定距離的景物清晰成像的過(guò)程叫做對焦。因為“清晰”并不是一種絕對的概念，所以對焦點(diǎn)前、后一定距離內的景物的成像都可以是清晰的，這個(gè)前后范圍的總和就叫做景深。一般只有那些像位置恰好在感光器件位置上面的物體可以清晰的成像，而更近和更遠的物體在感光器件上面都會(huì )形成一個(gè)彌散光斑，就是虛化現象。這個(gè)彌散斑的增大是逐步的，而感光器件的分辨率也是有限的，因此當彌散斑的大小比較小的時(shí)候，我們仍然可以認為它是清晰的。彌散斑直徑是由通過(guò)鏡頭的最外面的光線(xiàn)決定的。如果遮擋外圍的光線(xiàn)，必然壓縮彌散斑的尺寸，這樣焦點(diǎn)前后成像的可分辨范圍就大。這就是光圈對于景深的作用原理。光圈越大，到達感光器件的光就更多，彌散斑就會(huì )更大，景深就小。鏡頭焦距、濾光片以及偏振鏡都影響清晰度。對焦點(diǎn)越遠，那么其成像越接近鏡頭，像接近鏡頭的時(shí)候，像之間的距離更小，從而彌散斑也更小，景深也會(huì )變大。故焦距最小，對焦點(diǎn)越遠，景深越大。

傳感器

傳感感在攝像機系統中是非常重要的部分，它的主要功能是將光信號轉換成數字信號，它的性能直接決定了圖像質(zhì)量的好壞。影響清晰度的幾個(gè)主要方面是：分辨率、靶面大小以及寬動(dòng)態(tài)。一般同樣大小的分辨率傳感器，靶面大的傳感器在單位面積上像素點(diǎn)少，對圖像中的高頻成分區分度更高，故拍攝出來(lái)的圖像也更清晰。寬動(dòng)態(tài)攝像機在某些寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下發(fā)揮著(zhù)重要作用，帶寬動(dòng)態(tài)功能的sensor能夠將暗處和亮處的細節部分都能還原出來(lái)，這彌補了線(xiàn)性sensor的不足。寬動(dòng)態(tài)sensor是將多幀曝光進(jìn)行融合后輸出，長(cháng)曝光幀保留暗處的細節、短曝光幀保留亮處的細節。在ISP方面，攝像機中的ISP處理模塊很多，也是一個(gè)非常重要的部分。其算法的優(yōu)劣直接影響圖像質(zhì)量。其中對清晰度影響的模塊主要有：曝光時(shí)間、壞點(diǎn)校正、降噪濾波、插值模塊、對比度增強模塊、邊緣增強模塊等。


在圖像編碼上對于高清攝像機而言，分辨率越高圖像信息量越大，這樣大量的圖像信息不利于傳輸和存儲，故需要將處理好的圖像信號做編碼壓縮。由于有信息的壓縮，所以圖像編碼對清晰度也會(huì )有損失。當視頻中的碼流設置的越小，壓縮比越高，圖像清晰度損失的越多。在高清攝像機圖像效果里面，尤其是在光線(xiàn)比較微弱的低照環(huán)境下拍攝時(shí)，清晰度和噪點(diǎn)兩者就比較難權衡，保留清晰度的同時(shí)噪點(diǎn)就會(huì )起來(lái)，否則噪點(diǎn)抹的太平滑清晰度就不夠了。我們可以通過(guò)采用更大光圈的鏡頭，切換濾光片，采用更好的降噪濾波方法來(lái)抑制噪點(diǎn)的同時(shí)保證清晰度，采用更高的碼流或者更好的編碼算法來(lái)減少清晰度的損失。

浙江紅蘋(píng)果電子有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)紅蘋(píng)果)研發(fā)主任毛光輝介紹到，根據成像原理上不難看出，攝像機的清晰度，跟鏡頭、傳感器、ISP密切相關(guān)，傳感器尤為重要，目前市場(chǎng)上的圖像傳感器分為CCD和CMOS兩大類(lèi)，主要有Sony、Aptina、Omnivison等主流廠(chǎng)商供應。由于兩者之間的構造不同，CCD采用電荷耦合傳遞方式輸出，同一放大器進(jìn)行信號放大，而CMOS則是每一個(gè)像素都有獨立的放大器，所以在相同面積及相同像素點(diǎn)時(shí)，CMOS的感光面積要小于CCD，同時(shí)由于每個(gè)放大器放大系數不一致的原因，所以CMOS在低照度情況下，CCD效果會(huì )更好一些，CMOS躁點(diǎn)較大。此外由于CMOS傳感器采用半導體最常見(jiàn)的CMOS工藝，可以輕易的將周邊電路集成到芯片中，工藝較CCD簡(jiǎn)單，成本較低，并且隨著(zhù)工藝的提升，CMOS在高像素、信號處理速度上的優(yōu)勢逐漸體現，以及通過(guò)后端ISP對圖像效果的提升，CMOS在高清監控領(lǐng)域越來(lái)越多的被應用在高清攝像機中。


后端ISP及編碼芯片，用于處理前端傳感器采集到的視頻信號，直接影響到呈現給用戶(hù)的圖像品質(zhì)，不同的ISP用來(lái)匹配不同廠(chǎng)商的圖像傳感器。早期后端芯片一般由ISP和接口芯片組成，ISP用于進(jìn)行圖像處理，處理后再進(jìn)行壓縮或編碼處理，通過(guò)不同的接口輸出給用戶(hù)，一般有非壓縮輸出和壓縮輸出兩種，在安防監控相機中一般有SDI高清攝像機和網(wǎng)絡(luò )高清攝像機，SDI高清攝像機是采用非壓縮方式的串行視頻信號輸出，網(wǎng)絡(luò )高清攝像機是按照H.264/MPEG/MJPEG算法編碼壓縮并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議發(fā)送的視頻信號輸出。SDI因非壓縮緣故，視頻數據清晰度高，但帶寬要求也高，傳輸距離有限，在高清監控剛發(fā)展階段曾一度和網(wǎng)絡(luò )高清產(chǎn)品競爭。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )高清的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )高清已占據了大部分的高清監控市場(chǎng)，但在特定的應用場(chǎng)合，SDI還是具備一定的優(yōu)勢。

傳感器尺寸

北京藍色星際軟件技術(shù)發(fā)展(以下簡(jiǎn)稱(chēng)藍色星際)有限公司產(chǎn)品經(jīng)理焦成平談到，其實(shí)CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時(shí)起步，但由于受當時(shí)工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來(lái)和光照靈敏度不夠，因而沒(méi)有得到重視和發(fā)展，之前通常用于一些電腦攝像頭、手機攝像頭等對畫(huà)質(zhì)要求不高的電子產(chǎn)品等設備上，以至于CMOS成了低端的代名詞。而CCD器件因為有光照靈敏度高、噪音低、像素多等優(yōu)點(diǎn)一直在之前主宰著(zhù)圖像傳感器市場(chǎng)。

高清監控攝像機中，圖像傳感器尺寸越大，感光面積就越大，成像效果就會(huì )越好。比如1/1.9英寸的200萬(wàn)像素的傳感器效果通常好于1/2.8英寸的同像素產(chǎn)品。 (后者的感光面積只有前者的大約55%)。更大靶面的傳感器，帶來(lái)的通常是更好的低照效果，更好的像素寬容度，和像素密度。但是更大的傳感器，同時(shí)帶來(lái)的還有更加高昂的成本。

高清、超高清，如何表現?

高清的標準是視頻垂直分辨率超過(guò)720P或1080i，視頻寬縱比為16;9。而超高清分辨率是1080P的4倍。紅蘋(píng)果的毛主任還介紹到，百萬(wàn)高清度，是指網(wǎng)絡(luò )攝像機清晰度的一個(gè)級別，一般是指百萬(wàn)及百萬(wàn)以上像素和720P/1080i/1080P以上分辨率的高清攝像機，主要是跟攝像機所應用的傳感器有效像素數有關(guān)，另外跟攝像機輸出的分辨率也有關(guān)，像素越高，分辨率越大，清晰度越高。而傳統模擬相機因為是模擬信號，所以用掃描線(xiàn)來(lái)表達清晰度。目前在安防領(lǐng)域，百萬(wàn)成為高清的分水嶺，市面上主流攝像機有百萬(wàn)像素、130萬(wàn)像素、200萬(wàn)像素、甚至到500萬(wàn)像素， 1280×720分辨率實(shí)際像素數為92萬(wàn)，從嚴格意義上講未達到百萬(wàn)級別，所以也有人稱(chēng)之為準高清，而1920×1080分辨率200萬(wàn)畫(huà)質(zhì)才是被公認的高清圖像。4K的分辨率有4096*2160和3840*2160兩種，也就是超高清。前者主要用于數字電影領(lǐng)域。


4K的攝像機在一些專(zhuān)用領(lǐng)域如智能交通道路監控，因為在需要較大分辨率的攝像機來(lái)監控多個(gè)車(chē)道的車(chē)輛情況，300萬(wàn)、600萬(wàn)像素的IP攝像機也不斷得到應用，4K即800萬(wàn)像素甚至是1200萬(wàn)像素的IP攝像機也逐漸推出市場(chǎng)。除了前端以及顯示設備，中間傳輸的光端機采用光纖傳輸，不必太擔心分辨率的問(wèn)題，因此原有設備便可支持4K的傳輸，那么就只剩下后端的解碼設備和存儲設備了。隨著(zhù)性能的提升，縱然現在的解碼設備還不具備解碼多路4K攝像機的能力，但集中力量解一路視頻還是沒(méi)問(wèn)題的。另外，各大廠(chǎng)商已相繼推出4K NVR產(chǎn)品，它能夠接入4K分辨率的超清網(wǎng)絡(luò )攝像機，在不進(jìn)行縮放的前提下對4K圖像進(jìn)行預覽、錄像、解碼回放和顯示輸出，這對于NVR來(lái)說(shuō)也是一個(gè)新的高度

存儲設備對網(wǎng)絡(luò )高清的影響

對于監控系統中重要的環(huán)節存儲來(lái)說(shuō)，高清監控的應用也對其發(fā)展提出了相應的需求。面對高清監控更寬的數據傳輸帶寬和更大的存儲容量要求，高清監控系統采用高清網(wǎng)絡(luò )攝像機作為監控點(diǎn)視頻采集設備，這類(lèi)設備的數據存儲過(guò)程更多是經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，進(jìn)而在其他專(zhuān)門(mén)的存儲設備上實(shí)現數據的存儲。高清監控帶來(lái)更高清晰度畫(huà)質(zhì)的同時(shí)，隨之而來(lái)的是編碼流增大、同樣的存儲時(shí)間但存儲數據量增大的壓力，這就要存儲設備能夠基于高清監控碼流的特性，高效、完整地實(shí)現視頻數據的安全寫(xiě)入。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )高清監控的不斷發(fā)展，存儲設備需要滿(mǎn)足視頻信息所需的存儲空間，要充分考慮到視頻的訪(fǎng)問(wèn)特點(diǎn)，以及與數據庫系統存儲和文件服務(wù)系統存儲的區別。

]藍色星際的焦經(jīng)理談到，現如今，隨著(zhù)H.265技術(shù)的成熟，高清監控行業(yè)也正在悄悄的發(fā)生著(zhù)改變。H.265相比264編碼主要更新的內容包括：提高壓縮效率、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機接入時(shí)延、降低復雜度等。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現標清數字圖像傳送;H265則可以實(shí)現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送1080P(分辨率1920*1080)高清音視頻傳送。在H.265的影響下，安防行業(yè)廠(chǎng)家在今年陸續推出了自己的2K、4K甚至是8K的超高清晰度網(wǎng)絡(luò )攝像機。

高清、超高清，未來(lái)如何發(fā)展

從行業(yè)發(fā)展趨勢上，網(wǎng)絡(luò )高清監控是必然趨勢，目前網(wǎng)絡(luò )高清監控產(chǎn)品(如：前端相機、存儲、顯示等)已經(jīng)完善和成熟，未來(lái)的發(fā)展將重點(diǎn)將在智能化、云服務(wù)及終端應用等環(huán)節。自安防行業(yè)智能化的實(shí)現，為滿(mǎn)足各行業(yè)的需求，安防產(chǎn)品會(huì )根據市場(chǎng)需求逐步的細分，安防產(chǎn)品也會(huì )逐漸趨向于多樣化，根據不同的應用環(huán)境及應用場(chǎng)合(如：交通、社區、家庭、物聯(lián)網(wǎng))結合智能化的應用將產(chǎn)品進(jìn)行細化，不再是原來(lái)的一套解決方案可以滿(mǎn)足大部分的需求。

2014年前，高清監控產(chǎn)品受價(jià)格、帶寬、標準及老系統的影響，大部分企業(yè)市場(chǎng)并沒(méi)有達到預期值，但隨著(zhù)技術(shù)的突破，高清監控已進(jìn)入快車(chē)道，后續發(fā)展必將是由現有市場(chǎng)的快速膨脹，并向多樣化方向延伸，重新占領(lǐng)新市場(chǎng)的發(fā)展方向。

目前H.265標準的推出，將網(wǎng)絡(luò )高清監控推向新的高點(diǎn)，為高清及超高清產(chǎn)品的推廣奠定了一個(gè)基礎，形成可持續發(fā)展的道路，同時(shí)應對編解碼芯片和相關(guān)產(chǎn)品會(huì )得到一個(gè)快速發(fā)展的空間?；厥滓呀?jīng)過(guò)去的2014年，高清圖像的分辨率從主流的720p發(fā)展到1080p。未來(lái)的高監控市場(chǎng)，將會(huì )是1080P占據市場(chǎng)主導地位，4K/8K主攻高端市場(chǎng)。同時(shí)隨著(zhù)整體成本的下降，高清監控將逐步普及到民用及家用市場(chǎng)中去。
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