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在當今安防視頻監控領域，數字化、網絡化、高清化、智能化的概念早已為業內人士所了解、所接受，并在具體設備和應用系統中得以體現、得以推廣。然而在實際應用中，卻常常因對若干技術概念的錯誤理解致使安防產品市場略顯混亂，表現為產品性能說法不一、產品指標良莠不齊，而實際的應用系統則由于在某些技術環節做得不到位、不匹配，致使系統出現了瓶頸，影響了系統的最佳整體表現。為此，本文僅從“高清化”的角度對其基本概念進行深入探討，充分解釋“高清化”的真正含義，這對于合理有效地構建真正意義上的高清視頻監控系統無疑具有重要的參考意義。

解析高清視頻技術由來與其在監控的應用

1．高清的由來

鑒于近年來安防監控領域開始出現“模擬高清”的術語，致使用戶在構建高清視頻監控系統時難以分辨到底是“模擬高清”系統好還是“數字高清”系統好。為了使相關人士真正了解高清的實質，有必要從高清的由來說起，這就不妨簡要地從廣播電視的高清化過程談起，因為安防視頻監控技術的發展與廣播電視技術的發展是密切相關的。

自上個世紀初出現黑白電視以后，人們在感受電視帶來的快感后卻又不滿足于沒有顏色的黑白電視畫面，因而開始把目光轉向了彩色電視，并先后研究出臺了彩色與黑白兼容的NTSC、SECOM和PAL等三大彩色電視制式。在彩色電視進入實用化以后，人們在欣賞艷麗色彩的同時卻又對其亮/色串擾現象以及電視畫面的清晰程度感到不滿足，于是進一步把目光轉向了彩色電視的高清化，其中日本從1964年即最早開始了模擬高清晰度電視的研討，并于1970年開始高品位電視（先命名為Hi-Vision，后改為HDTV）的研究。然而直到1978年，由日本放送株式會社（NHK）向前國際無線電咨詢委員會（CCIR）提交的“新研究計劃——高清晰度電視的建議”才以暫行標準形式被寫入CCIR801報告書。

HDTV的掃描格式為1125/60/2:1，亮度信號帶寬達20MHz，兩個色差信號的帶寬分別為7.0MHz和5.5MHz，畫面寬高比先是5:3，后改為16:9；伴音采用前面3聲道、后面1聲道的3-1方式。HDTV系統的圖像質量極佳，但其射頻傳輸帶寬高達27MHz，且接收機造價昂貴（1994年上半年在日本，一臺32英寸高清電視接收機的售價約合1萬美元），難以普及應用。為了降低傳輸帶寬，NHK于1984年提出了多重亞奈奎斯特取樣編碼（MUSE）系統方案，將高清電視的傳輸帶寬壓縮到8MHz，并用這種編碼方案成功地對1988年漢城奧運會進行了高清電視實況轉播。

在日本進行HDTV研究的同時，由英、法、德、意等國組成的歐洲集團也根據其擬定的“尤里卡-95”計劃向CCIR提出了多重模擬分量結構的HD-MAC高清晰度電視方案，除了在歐洲各國試播外（包括用于1992年巴塞羅那奧運會的高清電視轉播），歐洲集團還于1989年專門組團攜產品與技術來中國進行全面展示。

以上兩大高清系統的確都是模擬高清系統，然而1990年5月由美國通用儀器公司（GI）提出的全數字高清晰度電視的實現方案——DigiCipher象是一記重磅炸彈全面擊毀了日本與歐洲的模擬高清方案：DigiCipher的輸入視頻源為1050行2:1隔行掃描的YUV分量信號，場頻59.94Hz，畫面寬高比為16:9，采用了離散余弦變換（DCT）、可變長編碼（VLC）和運動估計/運動補償（ME/MC）等技術，最后采用16QAM方式進行傳送，綜合評價指標全面超越了日、歐的模擬高清方案，致使全世界從事高清電視研究的人們豁然眼開，轉而開始了全數字高清電視的研究，而歐、日的兩大模擬高清體系則在經歷了一段茍延殘喘的試播后先后夭折。歐洲從1991年起成立了歐洲啟動集團（ELG），后于1993年改名為數字視頻廣播（DVB）聯盟；日本則于1999年開始了包括兼容數字高清電視的綜合業務數字廣播（ISDB）的研究；而美國則在其DigiCipher一炮打響的基礎上由7家公司組成了數字高清晰度電視大聯盟，進一步深入研究其先進的數字高清電視體系（ATSC）。

由上可見，模擬高清是在傳統模擬電視基礎上通過增加基帶視頻信號帶寬以及掃描行數來增加圖像清晰度的（水平及垂直方向的分辨率至少都要加倍），另外，為了與既有電視系統兼容，在高清電視的研究進程中還曾有多個改良型/改進型（IDTV，ImprovedDefinitionTV）或增強型（EDTV，ExtendedDefinitionTV）方案。然而，隨著數字技術的飛速發展，廣播電視的數字化進程逐步加快，很多復雜的模擬處理技術很容易地被數字技術全面取代，因而全球范圍內模擬高清晰度電視事實上已不復存在。如此說來，在安防視頻監控領域重提“模擬高清”是沒有意義的，況且在目前的安防產品市場上并沒有真正意義上的模擬高清產品。退一步說，只有模擬攝像機輸出的模擬視頻信號帶寬達20MHz以上、顯示分辨率達1200電視線以上，才算得上是模擬高清。

2．高清的定義

顧名思義，高清就是指視頻圖像的清晰度更高了。但由于“高”字在含義上僅僅是一個相對的概念，并沒有直接給出“高”的程度，因此，在安防視頻監控領域，曾多次出現“高清”的說法，且每一次“高清”所描繪的圖像清晰程度并不相同。比如，上個世紀末安防視頻監控系統剛剛開始數字化時，圖像分辨率僅為10萬像素級（352×288像素，CIF格式）；后來有廠家推出40萬像素級（704×576像素，4CIF格式）的DVR時即號稱推出了“高清”監控系統；隨著百萬像素網絡攝像機（IPC）的推出，人們將高清的概念綁定于百萬像素級；但是很快，200萬、300萬、500萬甚至超大成像靶面的1600萬像素級的IPC陸續出臺。那么監控圖像的分辨率究竟達到多少像素才算是真正的“高清”呢？另外對DVR或所謂的數字矩陣等數字視頻設備來說，即使設備本身能夠處理200萬像素級（1920×1080像素）的數字編碼視頻信號，但其輸入接口僅僅是普通的CVBS復合視頻接口，這樣的DVR或矩陣能算是“高清”的嗎？

不妨參考一下國際權威機構對高清的定義。國際電信聯盟的無線電通信部門ITU-R（前國際無線電咨詢委員會CCIR）曾對高清晰度電視（HDTV）給出這樣的定義：“高清晰度電視應是一個透明系統，一個正常視力的觀眾在距該系統顯示屏高度的三倍距離上所看到的圖像質量應具有觀看原始景物或表演時所得到的印象。”這就是說，在規定的觀看距離上，人們從高清晰度電視屏幕上看到的景物的清晰程度應該與在同樣距離上看到的真實景物一樣清晰（暫且不考慮真實的3D深度感）。為達到這種觀看效果，通過大量的實驗比對，人們得出趨于一致的結論：HDTV電視屏幕上顯示圖像的原始像素數應不低于200萬像素。這也是ITU-R規定的高清晰度電視的基本要求，即圖像分辨率應達到1920×1080像素。須注意，用像素數表示的清晰度與用電視線表示的清晰度在顯示效果上有近似正比的關系，但他們在概念上是不同的。

3．關于720p格式

目前在安防視頻監控領域常有720p這一高清格式術語，對應分辨率為1280×720像素的逐行掃描格式。如若對比上述ITU-R的定義，這720p的格式顯然弱了一些，畢竟其像素數還不足100萬，而1920×1080格式的像素數高達200多萬。不過，由于后者的掃描方式通常都是隔行掃描（簡記為1080i），而人眼對隔行掃描的垂直分辨能力低于逐行掃描（影響視在垂直分辨率的Kell系數對逐行掃描來說約為0.9，而對隔行掃描的來說僅為0.7左右），因此在考慮了Kell系數因素的影響后，1080i與720p兩種格式的圖像在實際顯示時的視在垂直分辨率相差并不太多。

事實上，在廣播電視業界初步確定了HDTV高清晰度電視格式（隔行掃描方式的1920×1080像素分辨率，即1080i）后，相應的廣播級高清電視設備的價格是非常高的，一時難以在大范圍推廣，為此，索尼、夏普、佳能、JVC等設備廠商于2003年9月聯合提出了一種視頻指標略低于HDTV的低檔次高清標準，稱為HDV標準，索尼公司還進一步于2004年9月推出了基于HDV標準的首款民用高清攝像機。四家聯合體推出HDV標準的目的就在于開發生產廉價的準專業小型高清攝像機和家用便攜式高清攝像機，使高清技術能夠在更廣的范圍內普及。

HDV采用了4:2:0取樣的MPEG-2壓縮標準，像素分辨率為1280×720p（16:9）或1440×1080i（4:3）。該標準使得在普通數字DV磁帶上就可以錄制HDV格式的高清視頻，而數據碼流僅與普通DV相當。

由上可見，720p并不是嚴格意義上的高清，其像素數介于數字標準清晰度電視（SDTV）和數字高清晰度電視（HDTV）之間，但其確實又比將現有模擬電視數字化后的標清視頻格式在清晰度方面有了實質改善，可稱其為“準高清”格式。

4．網絡高清視頻

廣播電視信號的傳輸受到模擬電視時代射頻帶寬（頻道）以及電視機掃描格式的限制，進入高清時代仍需考慮到與既有系統的兼容，因此廣播電視的高清格式相對固定、單一（我國高清電視標準確定為1920×1080/50i）。然而網絡傳輸沒有射頻頻帶的約束，理論上只受網絡（含交換路由設備）最高數據率的限制，因而可以傳輸各種不同分辨率的數字視頻，唯有圖像分辨率越高則視頻流速率越高而已。而聯網計算機（視頻流客戶端）對于不同格式的數字視頻可以自適應地進行顯示（小幅面視頻可以原分辨率顯示或放大到全屏顯示，而大幅面視頻則可以抽點壓縮為小畫面顯示或僅顯示畫面的一部分），這就是為什么前述的網絡攝像機可以有從百萬像素到200萬、300萬、500萬甚至1600萬像素等多種不同格式的原因。

需要注意的是，由于攝像機圖像傳感器像素數提高了，在保證幀率不變的情況下必然使大幅面高清視頻在傳輸時占用過高的網絡帶寬。而由于攝像機及網絡硬件設備自身的運算能力（CPU資源及時鐘頻率）有限，難以實時處理大幅面的視頻信號，使大幅面高清視頻在傳輸時的幀率降低（小于25幀/s），比如安防市場上1600萬像素的超高清網絡攝像機的幀率一般僅能達到6幀/s左右。

5．數字高清視頻

除了以壓縮方式經由網絡傳輸的網絡攝像機以及網絡高清視頻編碼器外，安防監控領域近年來出現了另一種形式的數字高清視頻產品。這類產品的視頻格式是參照了廣播電視技術領域高清數字演播室串行數字接口標準，攝像機的輸出信號不需要網絡傳輸環境，而是采用同軸電纜直接傳輸非壓縮的HD-SDI（HighDefinitionSerialDigitalInterface）信號，其他相關視頻設備也支持HD-SDI接口，但是這種接口標準規定的數字視頻信號在傳輸我國高清晰度電視標準規定的1920×1080/50i格式的高清視頻時，其碼率就已高達1485Mbps，而若是傳輸采用逐行掃描方式的1080p格式的高清視頻時，其雙鏈HD-SDI或3G-SDI接口碼率更是高達2970Mbps，傳輸距離十分有限，在諸如平安城市之類的大型聯網監控系統中難以單獨應用。

需要說明的是，高清HD-SDI（包括標清SD-SDI）的傳輸方式并未涉及網絡視頻壓縮編碼，這就同時澄清了安防技術領域長期以來的一個模糊概念，即數字化并不意味著一定是網絡化，數字攝像機（DigitalCamera）并不僅僅指的是網絡攝像機（NetworkCamera因其視頻信號經壓縮后按TCP/IP協議封包傳輸也稱IPC）。特別是2009年，幾家國際知名企業專門成立了HDcctv國際聯盟，其核心目標就是基于在廣播電視技術領域已成熟應用的HD-SDI技術，制訂在安防監控領域使用標準同軸電纜傳送安防監控高清視頻的統一開放標準，面向特定的安防高清視頻應用。結果，HDcctv聯盟似乎是形成了與ONVIF和PSIA聯盟三足鼎立的局面。然而一般來說，HDcctv聯盟關注于用HD-SDI技術標準實現的監控產品及解決方案（高清前端設備、高清傳輸設備、高清交換設備、控制等），而ONVIF和PSIA聯盟本質上是解決不同廠家的IPC（高清HDTV格式及標清D1格式等）與后端不同廠家的NVR之間的互通接口問題，并沒有很嚴格地涉及高清標準本身。

6．構建完整的高清視頻監控系統

安防視頻監控走向高清之路是必然趨勢，但是它涉及到整個系統，不僅前端攝像機要高清的，傳輸設備、存儲設備、矩陣切換設備、顯示設備等都需要是高清的。在這個系統鏈路上，任何一個環節不滿足高清要求，都會形成系統瓶頸，使系統的整體質量下降。正如前面提到過的，如果一臺高清DVR只是通過普通的CVBS接口與模擬攝像機相接，那么由于模擬攝像機輸出的復合視頻信號的最高分辨率一般不超過600線（受模擬視頻帶寬限制，6MHz標稱視頻帶寬理論上只能提供468線），因而DVR所能記錄的最好圖像質量也達不到高清晰度電視圖像質量，只是其記錄格式可能已滿足某種高清記錄格式而已。如果將這樣記錄的“高清視頻”送往高清監視器去顯示，即使其格式可能已是1080p的，人們實際能看到的也僅僅是與普通模擬攝像機輸出視頻相當的圖像質量，清晰度并不高。另一個相關的例子是很多智能手機都號稱支持1080p格式的高清視頻播放，然而手機顯示屏的像素分辨率卻遠小于1920×1080，這就意味著用手機去播放1080p格式的高清視頻時，實際顯示畫面尺寸是通過對原始高清畫面進行抽行、抽點（即亞取樣）后得到的，顯示分辨率并未達到真正意義上的高清。

為實現全系統的高清化，就應從整體上充分考慮系統中的每一個細部。從信號的傳輸路由來說，就應使信號在任何一條路徑或任何一個節點上都是高清的，無論該信號是否是經過壓縮編碼的。

按照上述思路，完整的高清視頻監控系統應從前端攝像機開始，小型本地系統可首選具有HD-SDI接口的數字高清攝像機，而大型聯網系統則可首選網絡高清攝像機。如果大型聯網系統的前端選用HD-SDI數字高清攝像機，其后則一定要配接支持HD-SDI接口網絡視頻壓縮編碼傳輸設備。在這種情況下，如果需要本地存儲，攝像機應向本地DVR提供高清視頻監控信源，這就要求DVR也具有HD-SDI接口（上海世博會的安防監控系統曾部分地采用了這種方式），這也從另一個角度再次說明HD-SDI不能在大系統中單獨使用，特別是大型聯網系統，必須經過相應的高清視頻壓縮編碼設備后再經由網絡傳輸。

無論采用數字高清攝像機還是網絡高清攝像機，聯網系統中的存儲設備均應選用高清NVR或支持網絡接口的增強型高清DVR。還可進一步考慮采用NVR前端分散存儲＋中心選擇性存儲方式來解決存儲系統的安全隱患。另外，為了解決聯網監控系統的帶寬問題，還應在多碼流以及時/空、信噪比、復雜度可分級等視頻壓縮編碼標準的具體編碼功能方面進行權衡考慮，通過統一協議和接口解決兼容問題、中心存儲壓力大問題，通過錄像標記、事件錄像、智能檢索等功能解決海量數據查詢問題等。

對于各級監控中心來說，顯示設備顯然要支持高清格式。其中對于HD-SDI傳輸方式，顯示設備應支持HD-SDI格式，而對于網絡視頻傳輸來說，剛應有相應的網絡視頻解碼器將網絡視頻以一定的高清格式（HD-SDI、HDMI、寬帶YCbCr……）接入顯示設備。

需要注意的是，某些廠家在宣傳HDcctv標準時，曾簡單地提出將傳統安防視頻監控系統升級為高清監控系統時只需更換攝像機而不需重置電纜，這種說法并不總是成立，除非原系統的覆蓋范圍很小，電纜長度在許用范圍內。否則，HD-SDI信號在長纜中傳輸時會因迅速衰減而無法滿幅無失真地到達中心端，因此，在根據HDcctv規范去設計高清監控系統時，應優先考慮HD-SDI光纖傳輸設備。

7．結論

構建高清視頻監控系統一定要從整體上考慮，而在設備選型上的最大差別在前端攝像機，既有非壓縮的HD-SDI數字高清攝像機，又有壓縮的網絡高清攝像機IPC。

HD-SDI高清攝像機采用的是廣播電視技術領域的非壓縮高清信號傳輸格式，具有信號質量高、實時性強等突出優點，可以在顯示時充分地還原高清圖像細節，這對于運動目標的快速跟蹤以及車牌識別、人臉識別等智能視頻分析應用來說無疑是很有意義的。也正是因為如此，在部分對圖像質量及實時性要求較高的監控項目中采用了HD-SDI傳輸技術。但是HD-SDI格式點對點的傳輸方式以及超大、超寬的視頻數據率在一定程度上限制了該技術在安防監控系統中特別是大型聯網系統中的實際應用，至少現階段是這樣的。

網絡高清攝像機的信號處理更高效，單根網線可同時傳輸視頻、控制數據，還可采用網絡供電（PoE）方式，且布線相對便捷，攝像機端當然也可嵌入智能視頻分析功能。特別是，信號傳輸采用網絡封包形式，因此對視頻元數據的限制少，目前已有200萬、300萬、500萬、800萬、1200萬以及1600萬像素等多種高清格式，為不同領域的應用提供了更多的選擇。

因此，在實際的安防視頻監控系統中，應根據應用需求來合理地選配高清監控設備，而不要考慮誰“取代”誰的問題。這樣，既可保證關鍵視頻的高清晰采集、傳輸與存儲，又不至于使整個系統耗費過多的系統資源，實現“把鋼使在刀刃上”的效果。