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      高清或超高清到底有多“清晰”?

      文章出處:責任編輯:人氣:-發表時間:2015-05-14 15:27【

      高清或超高清到底有多“清晰”?

      高清晰度攝像機類型

      高清攝像機按清晰度進而又分為高清、準高清(720P)、高清(1080P)、全高清(1280P)以及4K,而百萬高清監控攝像機采用H.264視頻壓縮解碼,支持多碼流選擇?,F在高清已經是現在安防監控行業的主流。

      核心架構

      網絡高清已經是監控領域的大體趨勢了,而網絡高清攝像機的關鍵架構由三部分組成,鏡頭、圖像傳感器以及壓縮處理芯片,其中圖像傳感器是圖像采集處理部分的核心。而網絡高清攝像機的崛起無疑又是掀起一場波浪,隨著監控行業的不斷發展,傳感器的發展也是日新月異,技術上更是推陳出新,傳感器的選擇也是成為網絡高清一個重要的選擇,CMOS和CCD傳感器誰更適合網絡高清也是一個值得商榷的問題。CCD傳感器的使用是最廣泛的,然而CMOS傳感器在成本上還是給了CCD很大的壓力,盡管CCD和CMOS在監控中有不同的優勢,但CMOS工藝和技術的日趨成熟,以及高端CMOS的成本下降,網絡高清攝像機的未來將會由CMOS傳感器主導。鏡頭又分為固定光圈、自動光圈、自動變焦和自動變倍。

      高清成像的關鍵部件及其功能

      從光學器件、傳感器、ISP及圖像編碼這幾個方面對清晰度的影響。光學器件:根據凸透鏡折射原理,在成像面上會有一個焦點。在攝像機進行拍攝時,調節相機鏡頭焦點,使距離相機一定距離的景物清晰成像的過程叫做對焦。因為“清晰”并不是一種絕對的概念,所以對焦點前、后一定距離內的景物的成像都可以是清晰的,這個前后范圍的總和就叫做景深。一般只有那些像位置恰好在感光器件位置上面的物體可以清晰的成像,而更近和更遠的物體在感光器件上面都會形成一個彌散光斑,就是虛化現象。這個彌散斑的增大是逐步的,而感光器件的分辨率也是有限的,因此當彌散斑的大小比較小的時候,我們仍然可以認為它是清晰的。彌散斑直徑是由通過鏡頭的最外面的光線決定的。如果遮擋外圍的光線,必然壓縮彌散斑的尺寸,這樣焦點前后成像的可分辨范圍就大。這就是光圈對于景深的作用原理。光圈越大,到達感光器件的光就更多,彌散斑就會更大,景深就小。鏡頭焦距、濾光片以及偏振鏡都影響清晰度。對焦點越遠,那么其成像越接近鏡頭,像接近鏡頭的時候,像之間的距離更小,從而彌散斑也更小,景深也會變大。故焦距最小,對焦點越遠,景深越大。

      傳感器:傳感器在攝像機系統中是非常重要的部分,它的主要功能是將光信號轉換成數字信號,它的性能直接決定了圖像質量的好壞。影響清晰度的幾個主要方面是:分辨率、靶面大小以及寬動態。一般同樣大小的分辨率傳感器,靶面大的傳感器在單位面積上像素點少,對圖像中的高頻成分區分度更高,故拍攝出來的圖像也更清晰。寬動態攝像機在某些寬動態場景下發揮著重要作用,帶寬動態功能的sensor能夠將暗處和亮處的細節部分都能還原出來,這彌補了線性sensor的不足。寬動態sensor是將多幀曝光進行融合后輸出,長曝光幀保留暗處的細節、短曝光幀保留亮處的細節。在ISP方面,攝像機中的ISP處理模塊很多,也是一個非常重要的部分。其算法的優劣直接影響圖像質量。其中對清晰度影響的模塊主要有:曝光時間、壞點校正、降噪濾波、插值模塊、對比度增強模塊、邊緣增強模塊等。

      在圖像編碼上對于高清攝像機而言,分辨率越高圖像信息量越大,這樣大量的圖像信息不利于傳輸和存儲,故需要將處理好的圖像信號做編碼壓縮。由于有信息的壓縮,所以圖像編碼對清晰度也會有損失。當視頻中的碼流設置的越小,壓縮比越高,圖像清晰度損失的越多。在高清攝像機圖像效果里面,尤其是在光線比較微弱的低照環境下拍攝時,清晰度和噪點兩者就比較難權衡,保留清晰度的同時噪點就會起來,否則噪點抹的太平滑清晰度就不夠了。我們可以通過采用更大光圈的鏡頭,切換濾光片,采用更好的降噪濾波方法來抑制噪點的同時保證清晰度,采用更高的碼流或者更好的編碼算法來減少清晰度的損失。根據成像原理上不難看出,攝像機的清晰度,跟鏡頭、傳感器、ISP密切相關,傳感器尤為重要,目前市場上的圖像傳感器分為CCD和CMOS兩大類,主要有Sony、Aptina、Omnivison等主流廠商供應。由于兩者之間的構造不同,CCD采用電荷耦合傳遞方式輸出,同一放大器進行信號放大,而CMOS則是每一個像素都有獨立的放大器,所以在相同面積及相同像素點時,CMOS的感光面積要小于CCD,同時由于每個放大器放大系數不一致的原因,所以CMOS在低照度情況下,CCD效果會更好一些,CMOS躁點較大。此外由于CMOS傳感器采用半導體最常見的CMOS工藝,可以輕易的將周邊電路集成到芯片中,工藝較CCD簡單,成本較低,并且隨著工藝的提升,CMOS在高像素、信號處理速度上的優勢逐漸體現,以及通過后端ISP對圖像效果的提升,CMOS在高清監控領域越來越多的被應用在高清攝像機中。

      后端ISP及編碼芯片,用于處理前端傳感器采集到的視頻信號,直接影響到呈現給用戶的圖像品質,不同的ISP用來匹配不同廠商的圖像傳感器。早期后端芯片一般由ISP和接口芯片組成,ISP用于進行圖像處理,處理后再進行壓縮或編碼處理,通過不同的接口輸出給用戶,一般有非壓縮輸出和壓縮輸出兩種,在安防監控相機中一般有SDI高清攝像機和網絡高清攝像機,SDI高清攝像機是采用非壓縮方式的串行視頻信號輸出,網絡高清攝像機是按照H.264/MPEG/MJPEG算法編碼壓縮并通過網絡協議發送的視頻信號輸出。SDI因非壓縮緣故,視頻數據清晰度高,但帶寬要求也高,傳輸距離有限,在高清監控剛發展階段曾一度和網絡高清產品競爭。隨著網絡高清的快速發展,網絡高清已占據了大部分的高清監控市場,但在特定的應用場合,SDI還是具備一定的優勢。

      傳感器尺寸:其實CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時起步,但由于受當時工藝水平的限制,CMOS圖像傳感器圖像質量差、分辨率低、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠,因而沒有得到重視和發展,之前通常用于一些電腦攝像頭、手機攝像頭等對畫質要求不高的電子產品等設備上,以至于CMOS成了低端的代名詞。而CCD器件因為有光照靈敏度高、噪音低、像素多等優點一直在之前主宰著圖像傳感器市場。3
      高清監控攝像機中,圖像傳感器尺寸越大,感光面積就越大,成像效果就會越好。比如1/1.9英寸的200萬像素的傳感器效果通常好于1/2.8英寸的同像素產品。(后者的感光面積只有前者的大約55%)。更大靶面的傳感器,帶來的通常是更好的低照效果,更好的像素寬容度,和像素密度。但是更大的傳感器,同時帶來的還有更加高昂的成本。

      高清、超高清,如何表現?

      高清的標準是視頻垂直分辨率超過720P或1080i,視頻寬縱比為16;9。而超高清分辨率是1080P的4倍。紅蘋果的毛主任還介紹到,百萬高清度,是指網絡攝像機清晰度的一個級別,一般是指百萬及百萬以上像素和720P/1080i/1080P以上分辨率的高清攝像機,主要是跟攝像機所應用的傳感器有效像素數有關,另外跟攝像機輸出的分辨率也有關,像素越高,分辨率越大,清晰度越高。而傳統模擬相機因為是模擬信號,所以用掃描線來表達清晰度。目前在安防領域,百萬成為高清的分水嶺,市面上主流攝像機有百萬像素、130萬像素、200萬像素、甚至到500萬像素, 1280×720分辨率實際像素數為92萬,從嚴格意義上講未達到百萬級別,所以也有人稱之為準高清,而1920×1080分辨率200萬畫質才是被公認的高清圖像。4K的分辨率有4096*2160和3840*2160兩種,也就是超高清。前者主要用于數字電影領域。4K的攝像機在一些專用領域如智能交通道路監控,因為在需要較大分辨率的攝像機來監控多個車道的車輛情況,300萬、600萬像素的IP攝像機也不斷得到應用,4K即800萬像素甚至是1200萬像素的IP攝像機也逐漸推出市場。除了前端以及顯示設備,中間傳輸的光端機采用光纖傳輸,不必太擔心分辨率的問題,因此原有設備便可支持4K的傳輸,那么就只剩下后端的解碼設備和存儲設備了。隨著性能的提升,縱然現在的解碼設備還不具備解碼多路4K攝像機的能力,但集中力量解一路視頻還是沒問題的。另外,各大廠商已相繼推出4K NVR產品,它能夠接入4K分辨率的超清網絡攝像機,在不進行縮放的前提下對4K圖像進行預覽、錄像、解碼回放和顯示輸出,這對于NVR來說也是一個新的高度

      存儲設備對網絡高清的影響

      對于監控系統中重要的環節存儲來說,高清監控的應用也對其發展提出了相應的需求。面對高清監控更寬的數據傳輸帶寬和更大的存儲容量要求,高清監控系統采用高清網絡攝像機作為監控點視頻采集設備,這類設備的數據存儲過程更多是經過網絡傳輸數據,進而在其他專門的存儲設備上實現數據的存儲。高清監控帶來更高清晰度畫質的同時,隨之而來的是編碼流增大、同樣的存儲時間但存儲數據量增大的壓力,這就要存儲設備能夠基于高清監控碼流的特性,高效、完整地實現視頻數據的安全寫入。隨著網絡高清監控的不斷發展,存儲設備需要滿足視頻信息所需的存儲空間,要充分考慮到視頻的訪問特點,以及與數據庫系統存儲和文件服務系統存儲的區別。藍色星際的焦經理談到,現如今,隨著H.265技術的成熟,高清監控行業也正在悄悄的發生著改變。H.265相比264編碼主要更新的內容包括:提高壓縮效率、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等。H264由于算法優化,可以低于1Mbps的速度實現標清數字圖像傳送;H265則可以實現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送1080P(分辨率1920*1080)高清音視頻傳送。在H.265的影響下,安防行業廠家在今年陸續推出了自己的2K、4K甚至是8K的超高清晰度網絡攝像機。

      高清、超高清,未來如何發展:

      從行業發展趨勢上,網絡高清監控是必然趨勢,目前網絡高清監控產品(如:前端相機、存儲、顯示等)已經完善和成熟,未來的發展將重點將在智能化、云服務及終端應用等環節。自安防行業智能化的實現,為滿足各行業的需求,安防產品會根據市場需求逐步的細分,安防產品也會逐漸趨向于多樣化,根據不同的應用環境及應用場合(如:交通、社區、家庭、物聯網)結合智能化的應用將產品進行細化,不再是原來的一套解決方案可以滿足大部分的需求。2014年前,高清監控產品受價格、帶寬、標準及老系統的影響,大部分企業市場并沒有達到預期值,但隨著技術的突破,高清監控已進入快車道,后續發展必將是由現有市場的快速膨脹,并向多樣化方向延伸,重新占領新市場的發展方向。目前H.265標準的推出,將網絡高清監控推向新的高點,為高清及超高清產品的推廣奠定了一個基礎,形成可持續發展的道路,同時應對編解碼芯片和相關產品會得到一個快速發展的空間?;厥滓呀涍^去的2014年,高清圖像的分辨率從主流的720p發展到1080p。未來的高監控市場,將會是1080P占據市場主導地位,4K/8K主攻高端市場。同時隨著整體成本的下降,高清監控將逐步普及到民用及家用市場中去

       

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