文/周宇杰   蘇州科達(dá)科技股份有限公司

　　最早的4K應(yīng)用，主要體現(xiàn)在電影后期制作階段—數(shù)字中間片的運(yùn)作中。它首先用膠片掃描儀將35mm攝像機(jī)拍攝的膠片底片掃描成數(shù)字圖像文件，在將膠片轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的過程中，為了最完整地還原膠片拍攝效果，采用了分辨率為4096×3112像素（總像素超過800萬）的圖像文件。由于其水平分辨率為4096像素，是1080P的4倍，故而被簡(jiǎn)稱為4K。

　　之后，4K概念被推廣并引入了電視行業(yè)，被電視廠商迅速接受，但標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)卻略有不同：在已發(fā)布的4K電視樣機(jī)當(dāng)中，一小部分采用了4097×2160的分辨率，其他則采用了16:9寬屏畫面的3840×2160。而在安防行業(yè)，4K監(jiān)控?cái)z像機(jī)的分辨率一般采用3840×2160，保持16:9寬屏畫面。

　 4K與超高清的關(guān)系

　　UHD是（Ultra High Definition）的簡(jiǎn)寫，代表“超高清”，是繼HD（High Definition高清）、Full HD（全高清）之后的下一代技術(shù)。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的“超高清UHD”標(biāo)準(zhǔn)的建議，將屏幕的物理分辨率達(dá)到3840×2160（4K×2K）及以上的顯示，統(tǒng)稱為超高清，包括4K和8K。這里，我們主要講4K超高清技術(shù)。

　　4K超高清應(yīng)用于安防行業(yè)，其好處是顯而易見的：

　?、?得益于4K的超高清分辨率，其獲得的圖像會(huì)更加豐富清晰，同樣的視野，比1080P攝像機(jī)能看到更多的圖像細(xì)節(jié)，比如人臉、車牌等，這些細(xì)節(jié)在實(shí)際應(yīng)用中往往十分關(guān)鍵；

　　② 相同的清晰度，4K攝像機(jī)的視野更大，安裝在十字路口，能夠覆蓋至少2個(gè)以上方向的車輛監(jiān)控，使用傳統(tǒng)720P或1080P攝像機(jī)則至少需要4臺(tái)或更多，無論從實(shí)用性還是美觀性角度，以及成本來講，使用4K攝像機(jī)都更為出色；

　　③ 4K攝像機(jī)能夠解決大場(chǎng)景的監(jiān)控問題，應(yīng)用1臺(tái)4K攝像機(jī)就可以覆蓋火車站站前廣場(chǎng)，同時(shí)經(jīng)過多級(jí)放大后，仍能夠看清行人的面貌，這在高空瞭望、廣場(chǎng)監(jiān)控、森林防火等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中具有非常重要的價(jià)值；

　?、?4K畫面能為大數(shù)據(jù)智能分析提供更多的圖像細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)對(duì)人臉分析、車輛分析等大數(shù)據(jù)應(yīng)用中非常重要。

　  決定4K效果的，除了分辨率還有什么

　　4K超高清對(duì)安防行業(yè)的意義，促使業(yè)內(nèi)主流安防廠商早在2年前就爭(zhēng)相推出4K攝像機(jī)產(chǎn)品，但同樣的分辨率，各家呈現(xiàn)出的4K效果卻大相徑庭，這是為什么呢？一般而言，攝像機(jī)的清晰度，與鏡頭、傳感器、ISP密切相關(guān);其中，傳感器尤為重要。

　　傳感器的主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，它的性能直接決定了圖像質(zhì)量的好壞。分辨率、靶面大小以及寬動(dòng)態(tài)是影響清晰度的幾個(gè)因素：一般同樣大小的分辨率傳感器，靶面越大單位面積上的像素點(diǎn)就越少，對(duì)圖像中的高頻成分區(qū)分度越高，故拍攝出來的圖像也更清晰，所以對(duì)4K如此高的分辨率，為保證良好的清晰度，部分廠家會(huì)選擇大靶面?zhèn)鞲衅?。寬?dòng)態(tài)的作用則主要表現(xiàn)在某些寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中，帶寬動(dòng)態(tài)功能的sensor能夠?qū)堤幣c亮處的細(xì)節(jié)部分還原出來——通過多幀曝光進(jìn)行融合后輸出，長(zhǎng)曝光幀保留暗處的細(xì)節(jié)、短曝光幀保留亮處的細(xì)節(jié)。

　　傳感器的選擇：目前，市場(chǎng)上的圖像傳感器分為CCD與CMOS兩大類，兩者之間的構(gòu)造不同——CCD采用電荷耦合傳遞方式輸出，同一放大器進(jìn)行信號(hào)放大，而CMOS則是每一個(gè)像素都有獨(dú)立的放大器。所以，在相同面積及相同像素點(diǎn)時(shí)，CMOS的感光面積要小于CCD，且由于CMOS每個(gè)放大器放大系數(shù)不一致的原因，在低照度情況下，CCD效果會(huì)更好一些，CMOS躁點(diǎn)較大。但是，CMOS可以輕易將周邊電路集成到芯片中，工藝較CCD簡(jiǎn)單，成本較低，且隨著工藝的提升，CMOS在高像素、信號(hào)處理速度上的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，以及通過后端ISP對(duì)圖像效果的提升，讓CMOS在高清攝像機(jī)中的應(yīng)用越來越多。

　　ISP是一種攝像機(jī)專用技術(shù)，它按照人眼視覺的要求對(duì)攝像機(jī)拍攝到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，目標(biāo)是使視頻或圖片適于人眼觀看。ISP一般包含很多功能模塊，每個(gè)模塊都會(huì)針對(duì)原始數(shù)據(jù)的一種問題進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如降噪模塊 可以減少噪聲的干擾，顏色調(diào)節(jié)模塊可以使圖像的顏色更加真實(shí)自然等。隨著攝像機(jī)像素?cái)?shù)目和視頻實(shí)時(shí)性能的不斷提升，百萬像素已經(jīng)成為基本配置，千萬像素的攝像機(jī)在市場(chǎng)上也可以找到，ISP需要處理的數(shù)據(jù)量急劇增加，復(fù)雜度也隨之增加，這就要求ISP技術(shù)的數(shù)據(jù)處理能力不斷提升。

　　此外，圖像編碼技術(shù)對(duì)攝像機(jī)的清晰度也有一定的影響。早期，攝像機(jī)的后端芯片一般由ISP和接口芯片組成，ISP用于圖像處理，處理后再進(jìn)行壓縮或編碼處理，通過不同的接口輸出給用戶，接口一般分為非壓縮輸出和壓縮輸出兩種，攝像機(jī)也因此分為SDI高清攝像機(jī)(非壓縮)和網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)（壓縮）。SDI高清攝像機(jī)采用非壓縮方式的串行視頻信號(hào)輸出，網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)則按照H.264/MPEG/MJPEG算法編碼壓縮。SDI因非壓縮緣故，視頻數(shù)據(jù)清晰度高，對(duì)帶寬要求也高，傳輸距離有限，隨著網(wǎng)絡(luò)高清的快速發(fā)展，市場(chǎng)占有率不斷縮小，但在特定應(yīng)用場(chǎng)合，SDI仍具備一定的優(yōu)勢(shì)。

　  推不動(dòng)，4K距離規(guī)模化還有多遠(yuǎn)

　　如上文所說，決定4K超高清效果的，除了分辨率仍有很多其他因素，這也導(dǎo)致了目前安防市場(chǎng)中，各家4K攝像機(jī)的效果良莠不齊，呈現(xiàn)效果遠(yuǎn)沒有1080P成熟。除了實(shí)際成像效果外，4K在安防市場(chǎng)的規(guī)模化應(yīng)用還有哪些阻礙？

　　昂貴的編解碼器

　　一般首先想到的就是網(wǎng)速，也就是編解碼技術(shù)。

　　但是，到了今年，主流安防廠商4K攝像機(jī)幾乎都已搭載了H.265編解碼技術(shù)，它能將動(dòng)輒10~15Mbps的4K碼流，降低至6~8Mbps，讓4K碼流在普通帶寬下的瀏覽流暢傳輸成為可能，大型安防監(jiān)控項(xiàng)目如平安城市、智能交通中，規(guī)?；瘧?yīng)用4K也成為了可能。

　　H.265在占用更少帶寬的情況下，可以提供比H.264更優(yōu)異的圖像體驗(yàn)。但這一切并非毫無代價(jià)，對(duì)H.265編碼的視頻進(jìn)行解碼，需要更多的計(jì)算能力。因此，業(yè)內(nèi)各個(gè)編解碼芯片廠商也在逐步推出H.265算法的產(chǎn)品，但是居高不下的成本，也從一定方面限制了H.265的普及。

　　稀缺且昂貴的鏡頭

　　4K攝像機(jī)配套的鏡頭至少需要達(dá)到800W以上的解像力，才能充分呈現(xiàn)4K的效果。但是目前，真正達(dá)到800W以上解像力的鏡頭不多而且成本較高，適合安防應(yīng)用的、支持變焦的機(jī)芯鏡頭更是少之又少。

　　4K監(jiān)視器的空缺

　　4K的超高清攝像機(jī)對(duì)于后端顯示設(shè)備來說，也是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。雖說現(xiàn)在市場(chǎng)中4K電視已經(jīng)大量出現(xiàn)，但是在安防行業(yè)，顯示設(shè)備通常使用的是液晶監(jiān)視器，就目前的市場(chǎng)情況來看，支持4K超高清的監(jiān)視器還是很少。

　　昂貴的信號(hào)傳輸線纜

　　想要完美支持4K碼流的傳輸，HDMI的標(biāo)準(zhǔn)必須支持2.0規(guī)范，相對(duì)于早期的1.3、1.4HDMI標(biāo)準(zhǔn)，新的規(guī)范將傳輸帶寬提升至了18Gbps。同時(shí)，由于高清視頻圖像只能夠使用HDMI線纜進(jìn)行傳輸，而HDMI線纜的理論傳輸距離是10~15米，超過這個(gè)距離，就需要中繼設(shè)備的支持，后端投入成本還是比較高的。

　　略顯遜色的低照度效果

　　由于同樣靶面大小的芯片，像素越高，感光性能就會(huì)越差，4K攝像機(jī)的低照度效果普遍低于同等規(guī)格的1080P攝像機(jī)，但現(xiàn)在需要24小時(shí)監(jiān)控的場(chǎng)景越來越多，對(duì)攝像機(jī)的低照度也越來越高，這是4K攝像機(jī)的一大痛點(diǎn)。

　　完整解決方案的缺失

　　雖然現(xiàn)在不少安防廠商都已經(jīng)推出了4K產(chǎn)品，但是多數(shù)還是前端攝像機(jī)系列，后端的存儲(chǔ)以及顯示環(huán)節(jié)的產(chǎn)品少之又少，但4K不是解決了前端就OK了，它是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，需要前后端匹配起來。目前能夠提供整體端到端4K產(chǎn)品級(jí)解決方案的廠家并不多，而能夠針對(duì)細(xì)分垂直行業(yè)，提供4K行業(yè)級(jí)系統(tǒng)方案的廠家就更少了。

　　用戶反響的低迷

　　上述原因，同時(shí)導(dǎo)致了用戶對(duì)4K超高清技術(shù)的需求不強(qiáng)烈、熱情不高，從根本上難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

　　在4K規(guī)?；瘧?yīng)用的阻礙中，很大一部分都是源于成本，隨著4K市場(chǎng)化的進(jìn)一步成熟，成本的降低是可預(yù)期中的事情。但對(duì)于研發(fā)人員而言，在等待市場(chǎng)的過程中，想辦法解決4K應(yīng)用效果中的低照度難題、存儲(chǔ)難題、ISP處理難題等，并定制完善的解決方案，才能給用戶呈現(xiàn)最完美的4K效果。