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高清監控系統的誤區

    進入21世紀以來，圖像技術的發展突飛猛進。在廣電專業領域，高清視頻制作和高清視頻播放已經進入到千家萬戶。在美國，模擬視頻信號已經停播，高清頻道已經達到了幾百個，全數字視頻時代來臨了。另外，消費電子視頻技術更是發展迅速，照相機從2000年的500萬象素已經發展到現在的2千萬像素，即便是手機，00萬像素已經是主流配置，最新的諾基亞PureView手機應用無對焦系統，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應用到了極致。

    視頻監控技術和應用雖然總是滯后于廣電系統，但是近年來也發展迅速，這體現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。

    高清監控有其理論上的技術優勢，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成本。從系統設計上來講，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。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，往往發現高清圖像質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品，視頻質量還可以控制；但是對于很多中小型項目，用戶也是急于采用高清監控產品，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驗來有效設計監控區域，其結果是必然會發生驗收質量爭執，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。

    高清監控系統畫面質量的挑戰

    模擬攝像機技術應用成熟：模擬攝像機已經經過了幾十年的技術發展，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非常成熟，鏡頭已經完全可以低成本、高畫質國產化，大規模矩陣國產技術成熟，DVR硬盤錄像機已經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。對于從業人員來講，避免采購那些采用低劣元器件生產的攝像機、矩陣和DVR硬盤錄像產品，最終交付的監控系統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控時代的技術來設計高清監控系統，必然存在一定的誤區。總結起來，有以下六個方面：

    ·不同廠家高清攝像機CMOS成像質量參差不齊：進入高清時代以來，整體系統架構發生了革命性變化，首先CMOS成像器件占據了高清監控的大部分市場份額，不同CMOS廠家生產的CMOS器件在低照度、寬動態上成像質量不一，高清CCD現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，這樣直接導致監控效果大打折扣，從而大大降低業界對于高清監控的心理預期；

    ·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的場景，處理效果差，而監控系統和消費電子或者廣電應用模式不同，在視頻監控系統中，被監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圖像，從而造成可視圖像質量下降；

    ·視頻編碼壓縮算法差異：當前的網絡攝像機主要有兩大類，一類是直接購買外協廠家的設計，直接生產，另外一種是自己設計系統并優化視頻編碼算法。所以為了降低碼流，各個廠家會對H.264MP編碼算法進行優化，也可稱為簡化，與廣電行業的全動感電影畫面相比，安防監控只有30%的典型運動畫面。但是過度的優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。當然對網絡也造成很大的壓力，因為沒有了網絡，就沒有錄像。所以，為了降低網絡和服務器壓力，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量下降；

    ·雖然硬盤容量每年都在翻倍，但是對于高清監控來說，視頻錄像數據是海量的，雖然95%的視頻數據可能永遠沒有機會被檢索，但是安全的需要，有些行業需要保證2年的數據儲存。到目前為止，還沒有比較成熟的技術能夠大幅壓縮視頻數據，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，其實是可以轉化為架構上的問題，下邊筆者將逐一論述如何破解高清監控的圖像質量下降的一些難題。

    智能視頻分析技術

    視頻存儲時間長是安防行業的特點。根據監控行業的視頻畫面特點，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，每天的硬盤空間節省了40GB，是傳統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，那么節省的硬盤成本是6000元，如果以IPSAN存儲系統考慮的話，那節省的成本將近10萬元。

    當前市場上有很多產品都宣稱自己是智能的，其實，當前市場大部分產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，從而造成根據像素大小對目標進行分類的算法失敗，出現大量誤報。真正的智能視頻分析系統具有自動標定能力，無論攝像機如何發生傾斜，都可以自動學習環境景深，從而為目標識別創造良好的基礎像素數據。

    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，通過內置20多萬種目標模式，利用強大的人工智能神經學習算法，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依據像素大小來做目標分類的錯誤，從而出現大量誤報，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域小，從而導致大量的漏報和降低錄像系統的可用性。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域，不發生漏報，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。

    降低網絡傳輸壓力

    網絡和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到控制中心才能保存，這對于傳統安防工程商來講是一個挑戰。過多的視頻流需要劃分VLAN網段，而VLAN網段需要中心路由，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。網絡人才來自IT系統和電信、網絡通信行業，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、轉發服務器、IPSAN存儲系統，更是傳統的IT人士比較熟悉的。

對于小型工程商來講，需要招聘高素質專業人才或培養專業人才，這對于傳統模擬監控工程商來講，也是很大的開支。

    除此之外，大量的VMS視頻服務器、IPSAN存儲系統需要良好的供電、空調、防靜電和接地系統，這需要專業的機房工程，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，系統有可能面臨癱瘓的風險。

    筆者認為，如果將NVR錄像轉移到每臺攝像機上，那么我們將不需要如此復雜的網絡和后臺服務器、存儲系統以及機房工程。即便網絡中斷，雖然控制中心無法看到實時畫面，但是監控系統的最基本功能錄像還在每臺攝像機上繼續運轉，完全可以待網絡恢復后瀏覽錄像或直接到現場攝像機以太網直連下載錄像，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量要求，同時提高攝像機內置的錄像碼流，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絡技術優勢，可以1小時之內把攝像機上的當天錄像回傳備份。

    采用寬動態成像元件

    除此之外，選取內置寬動態的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、低照度1080P成像器件，在Sony還未發布自己的1080P攝像機時，就提前拿到了Exmor成像器件，發布了自己的智能高清攝像機；

    ·第一家采用1080P解析度的內置鏡頭，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。

本地錄像降低了網絡帶寬的要求，也大大降低了VMS視頻服務器和IPSAN存儲系統的要求，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。國際大廠的發展思路就是我們學習的標桿，筆者真誠希望國內廣大智能高清攝像機廠商能夠快速研發出和VideoIQ公司類似的高清產品，填補我國的空白，充分利用我們發達的制造業，在技術創新上也打上“中國制造”的標簽。