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高清摄像机和高清系统doc
高清网络摄像机与高清系统
郑新炬昆山市银河系统工程技术有限公司ksyinhe@
摘要：
本文从标清监控的缺陷和不足入手阐述了高清的定义、高清网络摄像机的优势及高清（压缩编码）监控系统的方案，从安防设计施工单位的角度分析了当前高清监控应用面临的问题和解决办法。
关键词：
高清网络摄像机、高清系统
对于视频监控而言，图像清晰度无疑是最关键的特性。
图像越清晰，细节越明显，观看体验越好，公安、智能等应用业务的准确度也越高。
所以图像清晰度是视频监控永恒的追求，对视频监控系统的要求也从看得见提升到看得清的层面。
衡量图像清晰度的标准是分辨率，单位是像素。
这个值越大，图像越清晰。
分辨率是一个表示平面图像精细程度的概念，通常它是以横向和纵向点的数量来衡量的，表示成水平点数×垂直点数的形式。
在一个固定的平面内，分辨率越高，意味着可使用的点数越多，图像越细致，以大家熟悉的标清系统中的4CIF（D1）为例，4CIF（D1）分辨率为704×576（720×576）（PAL制），4CIF的像素约为42万左右。
标清监控：
一般来说，是指分辨率达到4CIF（D1）或以下的模拟视频监控标准，40多万像素。
目前在闭路监控系统设计安装中较为普遍采用的是标清摄像机和标清系统。
1标清监控主要存在以下种种缺陷和不足
1.1看得见图像，却看不清图像细节
图1-1放大后的细节无法为破案提供依据
通常情况下，当出现突发性事件需要调看录像回放时，安保人员会发现事件发生的来龙去脉都可以被监控摄像机从头到尾，毫无遗漏地捕捉，但是当公安人员希望看清事件发生现场的细节之处（例如犯罪嫌疑人的面貌，机动车牌照等）时，就遇到了难题，如图1-1所示。
当把一副看上去还算清晰的图像的某些关键区域放大时，会出现严重的“马赛克”以致无法获取任何有价值的信息，这正是由于传统图像的画面分辨率过低和标清监控系统制式的缺陷造成的。
1.2摄像机的动态范围小，无法同时兼顾到画面中的亮处和暗处
由于摄像机的动态范围小，无法同时兼顾到画面中的亮处和暗处，导致当监控场景明暗对比非常强烈时，要么亮处非常亮，只能看到一片白，要么暗处非常暗，只能看到一片黑，要么亮处和暗处都看不清楚，如图1-2所示。
图1-2无法同时兼顾到亮处和暗处的图像细节
1.3夜间不能清晰成像
监控摄像机需要24小时连续不间断地工作，尤其是夜间更是恶性事件的高发期，这就要求摄像机对相同的监控场景在夜晚也能做到清晰地成像。
然而有时摄像机白天的效果无可挑剔，但是到了夜晚时，拍摄的效果则一片漆黑，无法为破案提供必要的线索。
图1-3使用1/250秒快门时白天和夜间的图像效果
白天由于光照条件充足，为了拍摄流畅无拖尾的视频图像，通常情况下摄像机使用高速快门，例如快门速度设置为1/250或者更高。
而夜间的光线条件差，这时就需要降低快门速度以保证有充足的曝光时间，从而提高画面的可视性。
这组相互矛盾的参数是由于摄像机的成像原理造成的，如图1-3所示。
考虑到实际使用过程中的易用性，不可能要求客户对参数改来改去。
那么既然必须固定同一组参数，又要同时保证白天和晚上的拍摄效果，能否使用图像处理技术来达到要求呢？
1.4依赖于人工方式的被动监控的监控效率亟待提高
目前大多数的平安城市项目中，仍然是依赖于人工的方式去发现问题和解决问题。
有时一名安保人员要同时面对多达几十个监控画面，既要集中精神去发现问题，又要第一时间对突发事件做出响应。
在这种长时间精神高度集中的工作状态下，很容易产生疲劳感而降低工作效率。
尽管摄像机或软件平台具有分析报警功能，可是其误报率和漏报率很高，难以达到令人满意的程度。
如何提高摄像机的监控效率，成为能否解放警力，及时处置突发事件的重要因素。
1.5维修率高，后期维护工作量大
监控摄像机的质量与使用年限密切相关，这就要求摄像机等前端设备具备出色的稳定性和可靠性，以保证在自然环境中，即使在恶劣的天气状况下也能保证全天候不间断地工作。
监控系统是否能可靠工作与定期维护和发生故障及时维修有很大关系监控系统前端设备的维护维修会产生大量的人工和维修费用，更需要时间到现场排除设备故障。
经验证明不少监控前端设备的故障可通过电源重启方法解决，如果设备故障了如何能够第一时间发现问题和找到故障原因？
甚至可在中心机房遥控重启设备电源排除故障，由此必将带来维修成本的降低和维修效率的提高。
2标清摄像机的发展受制约的原因
2.1标清制约于制式
视频监控一直依照相应的电视标准，最早的CCTV闭路监控系统，从前端采集、中间传输一直到后端存储、显示，全部采用PAL制作为设计依据。
随着安防行业的发展，传统的标清监控系统无法再满足日益增长的安防需求。
究其根本原因，不仅仅是前端摄像机分辨率不够的单一要素，PAL制的缺陷也是导致清晰度无法提高的瓶颈。
PAL制的缺陷：
视频信号6Mhz的带宽和采用625行50场隔行扫描，导致理论上标清摄像机垂直分解率最高为５７５线，从清晰度来说，模拟摄像机已经接近极限，在短时间内也没有提升的空间。
由于PAL是50场隔行扫描的制式，影响了单帧画面的清晰度；电视强调连续，采用50场隔行显示的标准，PAL制的奇数行和偶数行是交替显示的，它利用了人眼的视觉惰性，消除了画面的锯齿感觉。
但如果将画面定格，会有明显的锯齿感或模糊的情况，原因是奇数行和偶数行的画面交错。
而且一旦有快速运动的物体经过，也会有明显的锯齿感。
而在公安行业的监控系统中，主要是依靠录像回放、定格的方式，，发现其中的关键证据，而PAL制的缺陷恰恰成了寻找证据的不利因素。
譬如：
车牌出现锯齿，无法辨认；人脸分辨率不够，无法辨认。
这些都会导致执法人员工作难度的增加。
2.2标清制约于CCD芯片
所有摄像机厂家最常用的SONYCCD套件解决方案存在缺陷：
a）标清摄像机CCD最高为40多万像素，所关心物体的有效像素不够；
b）电子快门和光圈是自动控制的，而且是被限定的，无法对光圈和快门速度进行因地制宜的调节（ISP技术被SONY垄断），光照不够或变化适应度不够，导致图像噪点变大。
3高清网络摄像机
高清，固名思义就是高清晰度，就是高分辩率。
近年来，视频监控设备逐步从传统的标清向百万高清跨进，百万高清监控以成熟的技术和合理的价格正逐渐渗透整个视频监控市场，百万高清产品也逐渐被越来越多的用户所接受，目前也出现了不少成功应用的案例，像广州亚运、上海世博都已采用了高清解决方案。
安防行业已进入高清时代。
有人甚至说2010年是高清元年，2011年或将成为高清推广年。
目前常见视频分辨率见表1
视频分辨率
简称
水平点数*垂直点数
扫描方式
水平线数
像素
H.264编码
CIF
352*288
D1
480i
704*576
隔行扫描
480线
40万
1~2Mbps
D3
1080i
1920*1080
隔行扫描
1080线
1~3Mbps
D4
720P
1280*720
逐行扫描
720线
100万
3~4Mbps
D5
1080P
1920*1080
逐行扫描
1080线
200万
8~10Mbps
1920P
2560*1920
逐行扫描
1920线
500万
20~25Mbps
表1：
常见视频分辨率
CIF：
352*288，相当于VCD格式，D1（4CIF）是目前标清系统可达到的最高清晰度，相当于DVD格式。
D3以上为高清视频，D5（1080P）1920×1080（水平1080线，逐行扫描）目前民用高清视频的最高标准，分辨率为1920×1080P/60Hz。
表中最下一行500万像素的高清摄像机对应，供参考。
表中红色部分为高清模式，标清与高清的分界线就是百万像素或720P。
3.1标清与高清的分界线
标清与高清两者的分界线就是百万像素或720p，达到百万像素或720p的称之为高清。
目前，高清的定义只出现在广电行业，按照有关标准,一般显示比例为16:
9,至少能解析1080i（分辨率（1920X1080）的数字信号，或扫描线数垂直和水平方向都必须达到720P的数字信号，只有满足或超过以上标准的产品才能被归类为高清产品。
目前普遍公认的高清百万像素网络摄像机标准是：
能按大于12FPS连续采集，最大分辨率大于720P（1280*720），甚至达到或超过1080P（分辨率1920*1080）的网络摄像机。
同时视频宽纵比为16:
9。
而百万像素并不是一个公认的标准，它仅仅是代表一个行业最佳实践的概念，具体指的是网络摄像机的图像传感器元素数量。
也就是说，当我们听到一个高清网络摄像机说支持百万像素、两百万像素或五百万像素时，我们并不知道这个摄像机的帧率是多少、视频宽高比如何、隔行还是逐行、色彩保真度怎么样等等，而这些信息同样是衡量一个高清网络摄像机性能的重要参照。
因此，符合HDTV720p/1080i/1080p标准的高清网络摄像机毫无疑问将成为主流。
3.2高清网络摄像机的分类
a）按感光芯片CCD或CMOS
网络摄像机的核心组成部分有三块：
镜头、图像传感器以及压缩处理芯片。
其中，图像传感器是图像采集处理部分的核心。
图像传感器有CMOS和CCD两种。
两者之间的差异大家已经讨论得非常多了，主要体现在灵敏度、成本、噪声、功耗等几个方面：
1）在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器；2）CCD传感器的成本比CMOS传感器高；3）相同尺寸的CCD传感器分辨率通常优于CMOS传感器；4）与CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声更大；5）CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。
在标清监控时代，无论是模拟摄像机还是标清网络摄像机，使用最广泛的是CCD。
而在高清监控时代，情况将会有所改变。
高清监控对成本非常敏感，CMOS传感器尽管图像品质总体上还不如CCD，但它在成本上的优势对CCD还是造成了非常大的威胁。
当然，两者博弈的结果最终将由性价比决定，谁既能保证比较好的图像品质又不贵谁就胜出。
从目前的趋势来看，CMOS胜出的机会明显更大。
一方面，随着技术的发展，CMOS的灵敏度正在得到快速改善，目前市场上致力于CMOS研究的厂商已经研发出灵敏度性能与CCD接近的720p与1080p专用CMOS器件。
另一方面，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器，但如果不考虑尺寸限制，CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。
另外，CMOS响应速度比CCD快，因此更适合高清监控的大数据量特点。
因此，尽管CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势，但随着CMOS工艺和技术的不断提升，以及高端CMOS价格的不断下降，未来高清网络摄像机将更多的选择CMOS
b）按编码传输格式方式
图像压缩格式直接决定了对传输网络、录像存储、后端处理的要求，也很大程度影响着图像品质。
一种是HI-SDI方式，不进行任何压缩编码直接以高达1.485Gbit/s、最高分辨率1080P，的数据带宽可使摄像机在全分辨率的情况下达到25帧图像的实时输出。
这是一款专门面向高端安防市场的产品，需要专门的编解码器以及视频服务器、高清显示器进行匹配，并且在控制中心配合高清视频矩阵可直接投影到大屏，这种方式保证了高清实时监控图像的流畅度，设备要求较高。
另一种是编码压缩，将视频进行高清编码压缩并IP封装，然后利用IP网络来承载高清视频流，实现高清的实时监控、录像、回放、转发的工作。
这就是我们目前使用较多的高清网络摄像机，这是一种较为经济的方法，能较好地与现有标清系统兼容。
本文对高清的讨论主要针对编码压缩类高清网络摄像机和对应的高清系统。
目前在高清网络摄像机中被广泛采用的图像压缩技术有JPEG/MPEG-4/H.264三种方式，每种压缩方式有不同的特点。
如JPEG能获得最高的单幅画面质量，且对摄像机本身的处理平台要求也较低，但对连续图像压缩占用带宽最大；H.264可以获得最高的压缩比，但对摄像机本身处理平台要求也最高。
为适应各种不同的应用需求和网络环境，比较高端的高清网络摄像机都同时具备这三种编码能力及双码流、多码流功能。
c）按像素、接口方式
CMOS具有200万像素,300万像素,500万像素……，CCD具有130万像素,200万像素,500万像素；接口型式具有RJ45,光纤,DVI…..等。
3.3高清网络摄像机
高清网络摄像机是高质量成像监控系统的源头，直接将视频进行高清编码压缩并IP封装，然后利用IP网络来承载高清视频流，实现高清的实时监控、录像、回放、转发的工作。
4高清网络摄像机的优势
高清网络摄像机较传统模拟摄像机、普通网络摄像机具有如下优势
4.1监视范围更广
高清网络摄像机采用百万像素级传感器，采用百万像素镜头，能获得更多的视频信息。
如图2-1、图2-2。
高清网络摄像机覆盖面更广，相同监视区域可以替代原有的多个固定点摄像机和一个全方位摄像机。
且节省线缆。
4.2高清晰度
图象显示质量更高，能够更好地捕捉细节；如图2-3，从分辨率来看，720p的分辨率是CIF分辨率的9倍、1080i/1080p的分辨率是CIF分辨率的20倍，在同样的显示环境下，高清会清晰得多。
4.3流畅度
高清网络摄像机采用逐行扫描方式，从流畅度来看，高清支持更高的帧率，比如720p和1080i/1080p都可以支持60帧/秒或60场/秒，其图像流畅度比标清要高一倍。
让画面更清晰、动态表现更流畅；无论是从分辨率、显示效果还是流畅度来看，高清都比标清更有优势。
4.4支持智能分析和图像处理技术、远程控制
高清前端设备方便集成支持智能分析功能，图2-4为智能分析规则举例。
智能分析分以下两种，实时智能：
警戒线（报警输出）、视频分析；事后智能：
智能检索、数据分析。
图像处理技术：
目前最常用的是车牌智能识别功能，在向中心提供视频流的同时，根据触发信号（线圈或雷达或视频）进行图像抓拍，自动记录图片中的车辆通过时间、车牌、车型、车速、车道号及车辆前排司乘人员相貌特征等信息。
远程控制：
可通过Web方式远程配置、控制高清网络摄像机。
4.5宽屏输出
高清可支持HDTV的宽屏输出模式（16:
9）；宽纵比更大的图像可以有效地增加对横向区域的监控范围，从显示效果来看，高清既支持大屏显示，又支持16:
9宽屏显示，可以大大增强用户的观看体验。
HDTV确保更清晰的画面、更好的色彩保真度。
图2-1标清图像与高清图像的对比
图2-2对相同区域放大相同倍数后，标清与高清图像的对比
图2-3昆山张浦路口高清监控视频截图
图2-4摄像机智能视频分析功能的规则举例
5高清系统方案
想要高清，就是要整个系统的集成高清，必须要做到前端设备高清、传输高清、后端存储显示设备高清。
必须满足从前端采集、编码压缩、传输、解码、显示都达到高清的标准，任何一个环节出现瓶颈都会导致系统清晰度的大大降低。
5.1建设高清监控系统必要条件
前端采集——使用高清IP摄像机、高清数字摄像机+高清编码器管理平台——支持对高清视频流、管理信令等进行集中/分布式管理存储——支持高清码流的存取交换与输出——能够直接对高清数字信号进行交换控制，以便输出显示——做到高清显示扩展应用——高清的扩展应用，例如智能分析——更高的分辨率能够带来更高的分析准确率高清传输——支持高清码流的传输，条件成熟时，可直接传输未经压缩的数字流，实现低延时
5.2高清系统方案结构拓扑图
高清系统解决方案，目前最常用的架构是：
采用更大尺寸，更高分辨率的CCD或CMOS传感器来获取更好的原始图像，经过视频压缩编码，将视频数据打包成IP流传输，后端用NVR或混合型DVR存储，经电脑或者专用设备解码上墙显示。
6高清监控面临的问题和解决办法
高清网络摄像机使图像清晰度有了质的飞跃，但是高清监控系统在应用上也面临一系列现实的问题：
6.1网络带宽
网络带宽紧张：
分辨率越大、清晰度超高，意味着在进行数据传输的时候码流也会增大，增加网络带宽压力。
如:
130万像素,3-4兆码流.而200万像素则要8-10兆码流.传输至中心就是N*8兆.对网络带宽要求较高（详见表1）
6.2存储空间
存储空间庞大：
数据流量的翻倍，增大了录像容量，给网络存储带来压力。
如6路200万像素视频信号（12FPS时）需16T硬盘方可存储30天。
6.3投资成本较高
对中心控制、管理软件和硬件性能的要求成倍增长和对传输、存储的要求成倍增长导致投资成本较高。
6.4低照度成像
高清摄像机在低照度情况下成像分辨率降低
6.5没有统一标准
各个高清摄像机厂家的视频数据流格式各异，没有统一标准。
各产品的兼容存在问题，造成配套产品如存储设备无法统一。
6.6施工难度
原来的标清视频，一般用电缆和光缆传送视频信号，使用一般视频设备，工艺简单，图像效果直观；高清系统将视频数据打包成IP流传输，需使用网络设备，需要一定的网络技术基础；同时要对高清系统的参数（如视频流、曝光、抓拍区域、智能分析功能、帧率等）作设定，工艺要求较高，施工调试难度增加，提高了对作业人员的要求。
6.7高清监控目前的解决办法
上述高清监控面临的技术挑战可以通过应用来解决。
（a）设计适合的解决方案；根据目前的现状，用户不应该盲目追求高清。
如果所有前端监控点都使用高清网络摄像机，且全部采用实时高清传输的话，对后端的存储和传输会造成很大压力，并造成成本和效率的浪费。
所以，应根据用户的需求设计适合的解决方案，比如在高危场所设计安装高清百万像素网络摄像机，正常情况下只采用普通分辨率（CIF、D1）来传输实时视频图像，而在报警条件发生时以高像素的JPEG形式传输高分辨率的图像，以便于事后放大观看，掌控细节。
这样就可以大大缓解网络压力、存储压力、降低投资成本等。
（b）随着应用的广泛，高清摄像机和配套产品的价格正在下降，高清系统投资成本高的问题得到解决.
（c）高清技术在不断进步，随着芯片内存量的增加和运算速度的提高，更多更好的应用正不断被注入高清设备中（如智能、车牌识别、可视增强技术等），高清的性价比正在提高中。
（d）安防系统设计施工单位应了解高清产品的技术动态，提高自身技术水平和施工能力。
在设计时应选用主流厂家的高清产品，选用可与原有标清系统兼容、日后可升级的高清方案，预留足够带宽传输通道和可扩展的存储空间，尽量延长系统的使用寿命，避免落入日后标准不兼容、升级困难的误区。
7高清监控在昆山地区的应用
昆山目前部份使用高清监控技术的项目：
（截止2011年6月）
（a）道路车辆监控抓拍系统（已建成110套以上）（130万或200万像素）
（b）陆家小区出入车辆抓拍系统（130万像素）
（c）路口高清监控系统（26套）（200万像素）
（d）昆山综合保税区第一卡口车辆抓拍系统（130万像素，四车道）
（e）路口高清电子警察及高清视频录像（500万像素，正在施工中）
（f）9个老小区出入口高清摄像、高清抓拍系统（200万像素，正在施工中）
（g）昆山南站广场监控系统（200万像素，包括智能分析、车辆抓拍）
昆山老小区改造监控系统采用的方案：
前端：
采用200万像素的高清摄像机，高清镜头
传输：
网线或光缆（光调制器）
存储：
小区机房：
混合型硬盘录像机（视频）；公安局：
服务器（车牌、车辆照片）
显示：
电脑或经专用解码器用液晶显示器（监视器）显示（小区机房和派出所）
联网：
小区高清摄像机实时画面和录像资料可在派出所显示，车辆信息保存在服务器。
8高清的展望
国内高清网络摄像机的市场正处于一个快速发展阶段，但由于受到价格、高清配套、低照度性能等各方面因素困扰，在一定程度上阻碍了百万高清的发展与普及，但随着技术的不断提升、高清网络摄像机和传输设备的完善、成本的降低，高清网络摄像机及高清整体解决方案在安防监控上的应用将会越来越多。
同时带智能分析功能的高清网络摄像机将会成为新亮点，高清是监控发展的趋势！
现在已经进入高清时代。
高清网络摄像机一定会成为是未来视频监控市场的主力军。
安全防范是公共安全的重要组成部分，直接关系到人民群众的生命财产安全，关系到社会治安的稳定，关系到城市的形象和投资环境，昆山安防行业的发展将直接影响到本地区安全防范的水平。
今天提供的这些仅为抛砖引玉，希望能为大家在应用高清摄像机、高清监控系统时提供参考，技术无止境，学习无止境，让我们共同努力为昆山安防行业作出自己最大的贡献！
参考文献
[1]慧聪安防网：
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