高清監(jiān)控系統(tǒng)的誤區(qū)
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，圖像技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。在廣電專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，高清視頻制作和高清視頻播放已經(jīng)進(jìn)入到千家萬(wàn)戶(hù)。在美國(guó)，模擬視頻信號(hào)已經(jīng)停播，高清頻道已經(jīng)達(dá)到了幾百個(gè)，全數(shù)字視頻時(shí)代來(lái)臨了。另外，消費(fèi)電子視頻技術(shù)更是發(fā)展迅速，照相機(jī)從2000年的500萬(wàn)象素已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的2千萬(wàn)像素，即便是手機(jī)，00萬(wàn)像素已經(jīng)是主流配置，最新的諾基亞PureView手機(jī)應(yīng)用無(wú)對(duì)焦系統(tǒng)，像素達(dá)到了4100萬(wàn)像素，可以說(shuō)，最新的技術(shù)在廣電和消費(fèi)電子已經(jīng)應(yīng)用到了極致。
視頻監(jiān)控技術(shù)和應(yīng)用雖然總是滯后于廣電系統(tǒng)，但是近年來(lái)也發(fā)展迅速，這體現(xiàn)在越來(lái)越多的高清攝像機(jī)也已成為主流選項(xiàng)，模擬攝像機(jī)逐漸淡出大項(xiàng)目采購(gòu)范疇。
高清監(jiān)控有其理論上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從成本控制上來(lái)講，CMOS成像器件可以采用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路生產(chǎn)線(xiàn)，攝像機(jī)廠(chǎng)家都可以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上來(lái)講，1臺(tái)1080P攝像機(jī)畫(huà)面場(chǎng)景相當(dāng)于5個(gè)D1攝像機(jī)畫(huà)面，安裝成本會(huì)大大降低，由于覆蓋面積很大，可以直接代替球機(jī)，利用電子PTZ跟蹤、觀察目標(biāo)細(xì)節(jié)。和球機(jī)相比，高清攝像機(jī)沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)械部件，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。
但是，在實(shí)際項(xiàng)目中，往往發(fā)現(xiàn)高清圖像質(zhì)量并沒(méi)有理論上那么完美，白天目標(biāo)距離稍遠(yuǎn)，成像效果就很差；尤其是晚上，高清攝像機(jī)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(chǎng)家所宣傳的相差很遠(yuǎn)。對(duì)于大型項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，預(yù)算高，場(chǎng)景覆蓋面積設(shè)計(jì)合理，可以采購(gòu)大品牌廠(chǎng)商產(chǎn)品，視頻質(zhì)量還可以控制；但是對(duì)于很多中小型項(xiàng)目，用戶(hù)也是急于采用高清監(jiān)控產(chǎn)品，但沒(méi)有足夠的預(yù)算支撐，而工程商不了解當(dāng)前高清攝像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)備廠(chǎng)家沒(méi)有充足的培訓(xùn)投入，工程商也沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)來(lái)有效設(shè)計(jì)監(jiān)控區(qū)域，其結(jié)果是必然會(huì)發(fā)生驗(yàn)收質(zhì)量爭(zhēng)執(zhí)，從而不僅打消了用戶(hù)未來(lái)擴(kuò)容更多高清攝像機(jī)的積極性，也對(duì)工程商造成了高清技術(shù)的心理誤區(qū)。
高清監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面質(zhì)量的挑戰(zhàn)
模擬攝像機(jī)技術(shù)應(yīng)用成熟：模擬攝像機(jī)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的技術(shù)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(shè)計(jì)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(huà)質(zhì)國(guó)產(chǎn)化，大規(guī)模矩陣國(guó)產(chǎn)技術(shù)成熟，DVR硬盤(pán)錄像機(jī)已經(jīng)打上了中國(guó)制造的出口標(biāo)簽。所以，按照成像理論(CCD靶面、鏡頭焦距、目標(biāo)距離換算關(guān)系)和實(shí)際效果相比，相差很小。對(duì)于從業(yè)人員來(lái)講，避免采購(gòu)那些采用低劣元器件生產(chǎn)的攝像機(jī)、矩陣和DVR硬盤(pán)錄像產(chǎn)品，最終交付的監(jiān)控系統(tǒng)往往都能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。
在筆者看來(lái)，工程商直接套用模擬監(jiān)控時(shí)代的技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)高清監(jiān)控系統(tǒng)，必然存在一定的誤區(qū)。總結(jié)起來(lái)，有以下六個(gè)方面：
·不同廠(chǎng)家高清攝像機(jī)CMOS成像質(zhì)量參差不齊：進(jìn)入高清時(shí)代以來(lái)，整體系統(tǒng)架構(gòu)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(chǎng)份額，不同CMOS廠(chǎng)家生產(chǎn)的CMOS器件在低照度、寬動(dòng)態(tài)上成像質(zhì)量不一，高清CCD現(xiàn)在只用于機(jī)器視覺(jué)或交通卡口等領(lǐng)域；
·高清鏡頭解析度不夠。
主流大廠(chǎng)的高清鏡頭的解析度只有140萬(wàn)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(wàn)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(wàn)像素的成像器)真正能夠達(dá)到標(biāo)稱(chēng)分辨率。而3百萬(wàn)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(dǎo)致鏡頭分辨率下降、圖像位移，甚至鏡頭邊緣模糊。所以國(guó)產(chǎn)高清3百萬(wàn)像素鏡頭尚不足以達(dá)到主流價(jià)格和性能，這導(dǎo)致小馬拉大車(chē)，只能支持720P的100萬(wàn)像素的鏡頭搭配1080P的攝像機(jī)，這樣直接導(dǎo)致監(jiān)控效果大打折扣，從而大大降低業(yè)界對(duì)于高清監(jiān)控的心理預(yù)期；
·ISP圖像處理器性能差異：當(dāng)前很多高清攝像機(jī)廠(chǎng)商直接采用CMOS廠(chǎng)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(yīng)付一般的場(chǎng)景，但是對(duì)于需要寬動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景，處理效果差，而監(jiān)控系統(tǒng)和消費(fèi)電子或者廣電應(yīng)用模式不同，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，被監(jiān)控對(duì)象無(wú)法配合攝像機(jī)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(wú)法提供有效的寬動(dòng)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(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是直接購(gòu)買(mǎi)外協(xié)廠(chǎng)家的設(shè)計(jì)，直接生產(chǎn)，另外一種是自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)并優(yōu)化視頻編碼算法。所以為了降低碼流，各個(gè)廠(chǎng)家會(huì)對(duì)H.264MP編碼算法進(jìn)行優(yōu)化，也可稱(chēng)為簡(jiǎn)化，與廣電行業(yè)的全動(dòng)感電影畫(huà)面相比，安防監(jiān)控只有30%的典型運(yùn)動(dòng)畫(huà)面。但是過(guò)度的優(yōu)化會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)畫(huà)面增大時(shí)，DSP處理性能不夠，直接導(dǎo)致畫(huà)面質(zhì)量下降；
·VMS視頻管理軟件約束：標(biāo)準(zhǔn)配置的VMS視頻服務(wù)器可以處理32路1Mbps標(biāo)清視頻碼流，如果是6Mbps高清碼流，那么每臺(tái)視頻服務(wù)器僅能夠處理5路，這必然導(dǎo)致VMS服務(wù)器硬件成本的提高。當(dāng)然對(duì)網(wǎng)絡(luò)也造成很大的壓力，因?yàn)闆](méi)有了網(wǎng)絡(luò)，就沒(méi)有錄像。所以，為了降低網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器壓力，高清錄像碼流降低到4Mbps甚至2Mbps，這也導(dǎo)致了日后查詢(xún)到的錄像畫(huà)面質(zhì)量下降；
·雖然硬盤(pán)容量每年都在翻倍，但是對(duì)于高清監(jiān)控來(lái)說(shuō)，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(yuǎn)沒(méi)有機(jī)會(huì)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(chǔ)存。到目前為止，還沒(méi)有比較成熟的技術(shù)能夠大幅壓縮視頻數(shù)據(jù)，從而降低存儲(chǔ)空間。所以為了降低存儲(chǔ)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(duì)以上提到的六種導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降的核心問(wèn)題，筆者認(rèn)為如300萬(wàn)像素鏡頭的成本問(wèn)題，高壓縮比編碼算法的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，都是無(wú)法能夠直接立刻解決的。但是筆者認(rèn)為，技術(shù)上無(wú)法解決的問(wèn)題，其實(shí)是可以轉(zhuǎn)化為架構(gòu)上的問(wèn)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(shù)
視頻存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)是安防行業(yè)的特點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)控行業(yè)的視頻畫(huà)面特點(diǎn)，30%的畫(huà)面為重要畫(huà)面(人/車(chē)運(yùn)動(dòng))，其他70%基本上都是次要畫(huà)面(晃動(dòng)的樹(shù)、花草、動(dòng)物)。
而在30%的重要畫(huà)面中，可能只有20%的運(yùn)動(dòng)畫(huà)面是我們所關(guān)注的，其他80%的人/車(chē)運(yùn)動(dòng)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(huà)面識(shí)別出來(lái)，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(shí)別性能，對(duì)于這94%的次要畫(huà)面，我們可以采用低幀速率+高碼流來(lái)進(jìn)行錄像(視場(chǎng)景不同而定，對(duì)于實(shí)時(shí)性畫(huà)面要求高的應(yīng)用，可考慮低碼流+高幀速率)。表1簡(jiǎn)要說(shuō)明了采用智能視頻分析前后的存儲(chǔ)空間差別。
視頻存儲(chǔ)所占空間
從表1可以看出，每天的硬盤(pán)空間節(jié)省了40GB，是傳統(tǒng)高清存儲(chǔ)空間需求的37%。假設(shè)一塊2TBSATA硬盤(pán)800元，硬盤(pán)錄像1年，那么節(jié)省的硬盤(pán)成本是6000元，如果以IPSAN存儲(chǔ)系統(tǒng)考慮的話(huà)，那節(jié)省的成本將近10萬(wàn)元。
當(dāng)前市場(chǎng)上有很多產(chǎn)品都宣稱(chēng)自己是智能的，其實(shí)，當(dāng)前市場(chǎng)大部分產(chǎn)品都是高級(jí)移動(dòng)偵測(cè)(AdvancedVMD)。高級(jí)移動(dòng)偵測(cè)可以景深標(biāo)定，可以做很好的前/背景分離來(lái)做目標(biāo)探測(cè)，通過(guò)像素大小也可以做基本的目標(biāo)分類(lèi)，從而在干凈的環(huán)境下獲得不錯(cuò)的識(shí)別性能和誤報(bào)抑制能力，但是高級(jí)移動(dòng)偵測(cè)和智能視頻分析技術(shù)的一個(gè)最大區(qū)別就是智能視頻分析是采用目標(biāo)分類(lèi)技術(shù)和自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)。在這里，高清智能視頻分析的應(yīng)用具有如下三個(gè)特點(diǎn)：
自動(dòng)標(biāo)定：攝像機(jī)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，因?yàn)榇箫L(fēng)、支架安裝力度等原因，可能會(huì)發(fā)生角度偏移，沒(méi)有自動(dòng)標(biāo)定功能的AVMD高級(jí)移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)將造成景深標(biāo)定錯(cuò)誤，從而造成根據(jù)像素大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)的算法失敗，出現(xiàn)大量誤報(bào)。真正的智能視頻分析系統(tǒng)具有自動(dòng)標(biāo)定能力，無(wú)論攝像機(jī)如何發(fā)生傾斜，都可以自動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境景深，從而為目標(biāo)識(shí)別創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)像素?cái)?shù)據(jù)。
目標(biāo)分類(lèi)：智能視頻分析技術(shù)的第二個(gè)特點(diǎn)就是先進(jìn)的目標(biāo)分類(lèi)能力，通過(guò)內(nèi)置20多萬(wàn)種目標(biāo)模式，利用強(qiáng)大的人工智能神經(jīng)學(xué)習(xí)算法，可以大大抑制自然界引起的誤報(bào)，如雨、雪、大風(fēng)、小動(dòng)物、飛鳥(niǎo)、光影變化、樹(shù)枝晃動(dòng)等。而高級(jí)移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)僅簡(jiǎn)單地根據(jù)像素大小來(lái)判定目標(biāo)，不考慮目標(biāo)的外表紋理、顏色、形體幾何組合、步伐等人體/車(chē)輛模式，必將導(dǎo)致很高的誤報(bào)率。如夏天飛蟲(chóng)、昆蟲(chóng)在攝像機(jī)前面飛動(dòng)，露水、雨水滴滑過(guò)鏡頭表面，這些異常事件都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)依據(jù)像素大小來(lái)做目標(biāo)分類(lèi)的錯(cuò)誤，從而出現(xiàn)大量誤報(bào)，浪費(fèi)錄像空間。
1080P高清分辨率智能視頻分析：當(dāng)前市場(chǎng)主流的高級(jí)移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)都是采用CIF格式來(lái)做目標(biāo)探測(cè)，CIF格式必然導(dǎo)致探測(cè)區(qū)域小，從而導(dǎo)致大量的漏報(bào)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(huà)面上進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和目標(biāo)分類(lèi)，從而保證廣闊的識(shí)別區(qū)域，不發(fā)生漏報(bào)，保證未來(lái)查詢(xún)錄像時(shí)，能夠獲得所有的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高清錄像。
降低網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力
網(wǎng)絡(luò)和VMS視頻服務(wù)器之所以壓力大，是因?yàn)樗械母叽a流高清視頻必須傳輸?shù)娇刂浦行牟拍鼙４妫@對(duì)于傳統(tǒng)安防工程商來(lái)講是一個(gè)挑戰(zhàn)。過(guò)多的視頻流需要?jiǎng)澐諺LAN網(wǎng)段，而VLAN網(wǎng)段需要中心路由，所以3層交換機(jī)、核心交換機(jī)、邊緣交換機(jī)等等大量的設(shè)計(jì)和安裝配置工作是必不可少的。網(wǎng)絡(luò)人才來(lái)自IT系統(tǒng)和電信、網(wǎng)絡(luò)通信行業(yè)，人工成本高，人才流動(dòng)性大，對(duì)工程商也造成了很大的公司運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)。
而VMS視頻管理服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、IPSAN存儲(chǔ)系統(tǒng)，更是傳統(tǒng)的IT人士比較熟悉的。
對(duì)于小型工程商來(lái)講，需要招聘高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才或培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才，這對(duì)于傳統(tǒng)模擬監(jiān)控工程商來(lái)講，也是很大的開(kāi)支。
除此之外，大量的VMS視頻服務(wù)器、IPSAN存儲(chǔ)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(zhuān)業(yè)的機(jī)房工程，這也是一筆隱形的成本，對(duì)于很多用戶(hù)來(lái)講，大屏是面子工程，但是對(duì)幕后工作的機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。
筆者認(rèn)為，如果將NVR錄像轉(zhuǎn)移到每臺(tái)攝像機(jī)上，那么我們將不需要如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)服務(wù)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)以及機(jī)房工程。即便網(wǎng)絡(luò)中斷，雖然控制中心無(wú)法看到實(shí)時(shí)畫(huà)面，但是監(jiān)控系統(tǒng)的最基本功能錄像還在每臺(tái)攝像機(jī)上繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，完全可以待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后瀏覽錄像或直接到現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)以太網(wǎng)直連下載錄像，供警方查證。
通過(guò)分布式錄像設(shè)計(jì)，工程商可以降低施工隊(duì)伍的人才質(zhì)量要求，同時(shí)提高攝像機(jī)內(nèi)置的錄像碼流，保證最好的視頻回放畫(huà)面。分布式錄像還可以分時(shí)間段、分批回傳備份到后臺(tái)服務(wù)器上，充分利用當(dāng)前的百兆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以1小時(shí)之內(nèi)把攝像機(jī)上的當(dāng)天錄像回傳備份。
采用寬動(dòng)態(tài)成像元件
除此之外，選取內(nèi)置寬動(dòng)態(tài)的SonyExmor1080PCMOS成像器件的高清攝像機(jī)，也是圖像清晰度保證的一個(gè)基本原則。按照Sony的測(cè)試報(bào)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(dāng)然和另外兩大CMOS器件廠(chǎng)商(同樣是最大的兩大手機(jī)照相機(jī)芯片供貨商)相比，Exmor成像質(zhì)量技高一籌，就連下一代的蘋(píng)果公司iPhone5也要采用Exmor作為其手機(jī)照相機(jī)標(biāo)配。
當(dāng)然，為了滿(mǎn)足實(shí)際安裝需要，筆者在此對(duì)高清攝像機(jī)廠(chǎng)商提出了過(guò)高要求。不過(guò)在筆者看來(lái)，美國(guó)VideoIQ公司(前GE安防子公司)作為一個(gè)致力于智能視頻分析技術(shù)的一體化攝像機(jī)廠(chǎng)商，在圖像清晰度保證問(wèn)題上，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了其它國(guó)際大廠(chǎng)的前列，應(yīng)該值得我們高清攝像機(jī)廠(chǎng)商深思。VideoIQ公司的iCVR一體化球機(jī)真正解決上面談到的幾個(gè)大問(wèn)題。在某個(gè)方面做到最好很容易，但是從每個(gè)方面都做到最好，是真正的不簡(jiǎn)單。總結(jié)起來(lái)，VideoIQ公司做到了幾個(gè)第一：
·第一家采用了Sony公司的Exmor寬動(dòng)態(tài)、低照度1080P成像器件，在Sony還未發(fā)布自己的1080P攝像機(jī)時(shí)，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(jī)；
·第一家采用1080P解析度的內(nèi)置鏡頭，2009年通過(guò)日本鏡頭大廠(chǎng)定制了300萬(wàn)像素的鏡頭(VideoIQ在2010年3月發(fā)布1080P智能球機(jī)時(shí)，還沒(méi)有一家鏡頭廠(chǎng)商能夠提供商用3MP鏡頭)；
·第一家做到自適應(yīng)高清智能分析算法，在主流市場(chǎng)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(jī)，但其還是采用4CIF分辨率的目標(biāo)探測(cè)算法，而且當(dāng)時(shí)其鏡頭也無(wú)法達(dá)到3MP解析度；
·第一家內(nèi)置集成了750GB硬盤(pán)錄像，通過(guò)專(zhuān)利技術(shù)延長(zhǎng)了硬盤(pán)10倍使用壽命。
本地錄像降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，也大大降低了VMS視頻服務(wù)器和IPSAN存儲(chǔ)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(yuǎn)兮，吾將上下而求索。國(guó)際大廠(chǎng)的發(fā)展思路就是我們學(xué)習(xí)的標(biāo)桿，筆者真誠(chéng)希望國(guó)內(nèi)廣大智能高清攝像機(jī)廠(chǎng)商能夠快速研發(fā)出和VideoIQ公司類(lèi)似的高清產(chǎn)品，填補(bǔ)我國(guó)的空白，充分利用我們發(fā)達(dá)的制造業(yè)，在技術(shù)創(chuàng)新上也打上“中國(guó)制造”的標(biāo)簽。
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