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高清监控系统的误区

    进入21世纪以来，图像技术的发展突飞猛进。在广电专业领域，高清视频制作和高清视频播放已经进入到千家万户。在美国，模拟视频信号已经停播，高清频道已经达到了几百个，全数字视频时代来临了。另外，消费电子视频技术更是发展迅速，照相机从2000年的500万象素已经发展到现在的2千万像素，即便是手机，00万像素已经是主流配置，最新的诺基亚PureView手机应用无对焦系统，像素达到了4100万像素，可以说，最新的技术在广电和消费电子已经应用到了极致。

    视频监控技术和应用虽然总是滞后于广电系统，但是近年来也发展迅速，这体现在越来越多的高清摄像机也已成为主流选项，模拟摄像机逐渐淡出大项目采购范畴。

    高清监控有其理论上的技术优势，从成本控制上来讲，CMOS成像器件可以采用标准的集成电路生产线，摄像机厂家都可以设计集成度更高的CMOS成像器件，从而获得更好的图像处理效果和更低的生产成本。从系统设计上来讲，1台1080P摄像机画面场景相当于5个D1摄像机画面，安装成本会大大降低，由于覆盖面积很大，可以直接代替球机，利用电子PTZ跟踪、观察目标细节。和球机相比，高清摄像机没有传动机械部件，使用寿命长，维护成本低。

    但是，在实际项目中，往往发现高清图像质量并没有理论上那么完美，白天目标距离稍远，成像效果就很差；尤其是晚上，高清摄像机低照度能力差、镜头不支持红外矫正、夜间成像模糊，这一切和各大厂家所宣传的相差很远。对于大型项目来说，预算高，场景覆盖面积设计合理，可以采购大品牌厂商产品，视频质量还可以控制；但是对于很多中小型项目，用户也是急于采用高清监控产品，但没有足够的预算支撑，而工程商不了解当前高清摄像技术的发展趋势，设备厂家没有充足的培训投入，工程商也没有足够的经验来有效设计监控区域，其结果是必然会发生验收质量争执，从而不仅打消了用户未来扩容更多高清摄像机的积极性，也对工程商造成了高清技术的心理误区。

    高清监控系统画面质量的挑战

    模拟摄像机技术应用成熟：模拟摄像机已经经过了几十年的技术发展，从CCD成像器件制造、配套的ISP图像处理算法到镜头设计和制造都已经非常成熟，镜头已经完全可以低成本、高画质国产化，大规模矩阵国产技术成熟，DVR硬盘录像机已经打上了中国制造的出口标签。所以，按照成像理论(CCD靶面、镜头焦距、目标距离换算关系)和实际效果相比，相差很小。对于从业人员来讲，避免采购那些采用低劣元器件生产的摄像机、矩阵和DVR硬盘录像产品，最终交付的监控系统往往都能够满足用户的需求。

    在笔者看来，工程商直接套用模拟监控时代的技术来设计高清监控系统，必然存在一定的误区。总结起来，有以下六个方面：

    ·不同厂家高清摄像机CMOS成像质量参差不齐：进入高清时代以来，整体系统架构发生了革命性变化，首先CMOS成像器件占据了高清监控的大部分市场份额，不同CMOS厂家生产的CMOS器件在低照度、宽动态上成像质量不一，高清CCD现在只用于机器视觉或交通卡口等领域；

    ·高清镜头解析度不够。

主流大厂的高清镜头的解析度只有140万象素，日本腾龙也仅是在2010年3月正式发布2款支持3百万像素的日夜镜头，这种镜头采用了非球面、超低色散镜片，这才宣告1080P高清监控(需要采用3百万像素的成像器)真正能够达到标称分辨率。而3百万像素镜头要求极高的工艺和模具精度，工艺精度稍微偏移，则导致镜头分辨率下降、图像位移，甚至镜头边缘模糊。所以国产高清3百万像素镜头尚不足以达到主流价格和性能，这导致小马拉大车，只能支持720P的100万像素的镜头搭配1080P的摄像机，这样直接导致监控效果大打折扣，从而大大降低业界对于高清监控的心理预期；

    ·ISP图像处理器性能差异：当前很多高清摄像机厂商直接采用CMOS厂商提供的ISP或者一体化CMOS(内置ISP图像处理器)，这些ISP图像处理器可以应付一般的场景，但是对于需要宽动态的场景，处理效果差，而监控系统和消费电子或者广电应用模式不同，在视频监控系统中，被监控对象无法配合摄像机的角度，所以在背光、逆光等情况下，普通的ISP图像处理器则无法提供有效的宽动态图像，从而造成可视图像质量下降；

    ·视频编码压缩算法差异：当前的网络摄像机主要有两大类，一类是直接购买外协厂家的设计，直接生产，另外一种是自己设计系统并优化视频编码算法。所以为了降低码流，各个厂家会对H.264MP编码算法进行优化，也可称为简化，与广电行业的全动感电影画面相比，安防监控只有30%的典型运动画面。但是过度的优化会导致在运动画面增大时，DSP处理性能不够，直接导致画面质量下降；

    ·VMS视频管理软件约束：标准配置的VMS视频服务器可以处理32路1Mbps标清视频码流，如果是6Mbps高清码流，那么每台视频服务器仅能够处理5路，这必然导致VMS服务器硬件成本的提高。当然对网络也造成很大的压力，因为没有了网络，就没有录像。所以，为了降低网络和服务器压力，高清录像码流降低到4Mbps甚至2Mbps，这也导致了日后查询到的录像画面质量下降；

    ·虽然硬盘容量每年都在翻倍，但是对于高清监控来说，视频录像数据是海量的，虽然95%的视频数据可能永远没有机会被检索，但是安全的需要，有些行业需要保证2年的数据储存。到目前为止，还没有比较成熟的技术能够大幅压缩视频数据，从而降低存储空间。所以为了降低存储空间成本，降低录像码流就不可避免，那么录像回放质量就可想而知。

    图像清晰度保持之道

    针对以上提到的六种导致图像质量下降的核心问题，笔者认为如300万像素镜头的成本问题，高压缩比编码算法的技术瓶颈问题，都是无法能够直接立刻解决的。但是笔者认为，技术上无法解决的问题，其实是可以转化为架构上的问题，下边笔者将逐一论述如何破解高清监控的图像质量下降的一些难题。

    智能视频分析技术

    视频存储时间长是安防行业的特点。根据监控行业的视频画面特点，30%的画面为重要画面(人/车运动)，其他70%基本上都是次要画面(晃动的树、花草、动物)。

    而在30%的重要画面中，可能只有20%的运动画面是我们所关注的，其他80%的人/车运动并不影响我们的安全。

所以，如果利用智能视频分析将重要画面识别出来，那么我们就可以节省94%的高码流空间，考虑到智能视频分析算法识别性能，对于这94%的次要画面，我们可以采用低帧速率+高码流来进行录像(视场景不同而定，对于实时性画面要求高的应用，可考虑低码流+高帧速率)。表1简要说明了采用智能视频分析前后的存储空间差别。

    视频存储所占空间

    从表1可以看出，每天的硬盘空间节省了40GB，是传统高清存储空间需求的37%。假设一块2TBSATA硬盘800元，硬盘录像1年，那么节省的硬盘成本是6000元，如果以IPSAN存储系统考虑的话，那节省的成本将近10万元。

    当前市场上有很多产品都宣称自己是智能的，其实，当前市场大部分产品都是高级移动侦测(AdvancedVMD)。高级移动侦测可以景深标定，可以做很好的前/背景分离来做目标探测，通过像素大小也可以做基本的目标分类，从而在干净的环境下获得不错的识别性能和误报抑制能力，但是高级移动侦测和智能视频分析技术的一个最大区别就是智能视频分析是采用目标分类技术和自动标定技术。在这里，高清智能视频分析的应用具有如下三个特点：

    自动标定：摄像机在经过一段时间运行后，因为大风、支架安装力度等原因，可能会发生角度偏移，没有自动标定功能的AVMD高级移动侦测技术将造成景深标定错误，从而造成根据像素大小对目标进行分类的算法失败，出现大量误报。真正的智能视频分析系统具有自动标定能力，无论摄像机如何发生倾斜，都可以自动学习环境景深，从而为目标识别创造良好的基础像素数据。

    目标分类：智能视频分析技术的第二个特点就是先进的目标分类能力，通过内置20多万种目标模式，利用强大的人工智能神经学习算法，可以大大抑制自然界引起的误报，如雨、雪、大风、小动物、飞鸟、光影变化、树枝晃动等。而高级移动侦测技术仅简单地根据像素大小来判定目标，不考虑目标的外表纹理、颜色、形体几何组合、步伐等人体/车辆模式，必将导致很高的误报率。如夏天飞虫、昆虫在摄像机前面飞动，露水、雨水滴滑过镜头表面，这些异常事件都会导致系统依据像素大小来做目标分类的错误，从而出现大量误报，浪费录像空间。

    1080P高清分辨率智能视频分析：当前市场主流的高级移动侦测技术都是采用CIF格式来做目标探测，CIF格式必然导致探测区域小，从而导致大量的漏报和降低录像系统的可用性。真正的高清智能视频分析能够在1080P分辨率画面上进行目标探测和目标分类，从而保证广阔的识别区域，不发生漏报，保证未来查询录像时，能够获得所有的运动目标的高清录像。

    降低网络传输压力

    网络和VMS视频服务器之所以压力大，是因为所有的高码流高清视频必须传输到控制中心才能保存，这对于传统安防工程商来讲是一个挑战。过多的视频流需要划分VLAN网段，而VLAN网段需要中心路由，所以3层交换机、核心交换机、边缘交换机等等大量的设计和安装配置工作是必不可少的。网络人才来自IT系统和电信、网络通信行业，人工成本高，人才流动性大，对工程商也造成了很大的公司运营负担。

    而VMS视频管理服务器、转发服务器、IPSAN存储系统，更是传统的IT人士比较熟悉的。

对于小型工程商来讲，需要招聘高素质专业人才或培养专业人才，这对于传统模拟监控工程商来讲，也是很大的开支。

    除此之外，大量的VMS视频服务器、IPSAN存储系统需要良好的供电、空调、防静电和接地系统，这需要专业的机房工程，这也是一笔隐形的成本，对于很多用户来讲，大屏是面子工程，但是对幕后工作的机房工程往往不够重视，一旦遭到雷击或者断电，系统有可能面临瘫痪的风险。

    笔者认为，如果将NVR录像转移到每台摄像机上，那么我们将不需要如此复杂的网络和后台服务器、存储系统以及机房工程。即便网络中断，虽然控制中心无法看到实时画面，但是监控系统的最基本功能录像还在每台摄像机上继续运转，完全可以待网络恢复后浏览录像或直接到现场摄像机以太网直连下载录像，供警方查证。

    通过分布式录像设计，工程商可以降低施工队伍的人才质量要求，同时提高摄像机内置的录像码流，保证最好的视频回放画面。分布式录像还可以分时间段、分批回传备份到后台服务器上，充分利用当前的百兆网络技术优势，可以1小时之内把摄像机上的当天录像回传备份。

    采用宽动态成像元件

    除此之外，选取内置宽动态的SonyExmor1080PCMOS成像器件的高清摄像机，也是图像清晰度保证的一个基本原则。按照Sony的测试报告，它的Exmor1080PCMOS成像器件已经超越了同样分辨率的CCD的成像能力，当然和另外两大CMOS器件厂商(同样是最大的两大手机照相机芯片供货商)相比，Exmor成像质量技高一筹，就连下一代的苹果公司iPhone5也要采用Exmor作为其手机照相机标配。

    当然，为了满足实际安装需要，笔者在此对高清摄像机厂商提出了过高要求。不过在笔者看来，美国VideoIQ公司(前GE安防子公司)作为一个致力于智能视频分析技术的一体化摄像机厂商，在图像清晰度保证问题上，却远远走在了其它国际大厂的前列，应该值得我们高清摄像机厂商深思。VideoIQ公司的iCVR一体化球机真正解决上面谈到的几个大问题。在某个方面做到最好很容易，但是从每个方面都做到最好，是真正的不简单。总结起来，VideoIQ公司做到了几个第一：

    ·第一家采用了Sony公司的Exmor宽动态、低照度1080P成像器件，在Sony还未发布自己的1080P摄像机时，就提前拿到了Exmor成像器件，发布了自己的智能高清摄像机；

    ·第一家采用1080P解析度的内置镜头，2009年通过日本镜头大厂定制了300万像素的镜头(VideoIQ在2010年3月发布1080P智能球机时，还没有一家镜头厂商能够提供商用3MP镜头)；

    ·第一家做到自适应高清智能分析算法，在主流市场还是CIF分析的情况下，VideoIQ抢先做到了1080P分辨率的智能视频分析。据笔者了解，以色列DVTEL(原IOImage)也推出了3MP的智能摄像机，但其还是采用4CIF分辨率的目标探测算法，而且当时其镜头也无法达到3MP解析度；

    ·第一家内置集成了750GB硬盘录像，通过专利技术延长了硬盘10倍使用寿命。

本地录像降低了网络带宽的要求，也大大降低了VMS视频服务器和IPSAN存储系统的要求，为中小型工程商提供了即装即用的解决之道。

    路漫漫兮其修远兮，吾将上下而求索。国际大厂的发展思路就是我们学习的标杆，笔者真诚希望国内广大智能高清摄像机厂商能够快速研发出和VideoIQ公司类似的高清产品，填补我国的空白，充分利用我们发达的制造业，在技术创新上也打上“中国制造”的标签。