安防技术趋势解析之：超高清

施明杰，陈 峰

（上海宝康电子控制工程有限公司，上海 201901）

1 概述

安防视频监控技术更新速度非常快，“十二五”以来高清1080P视频监控系统已替代传统的模拟视频监控占据主流地位，视频的分辨率也变得越来越高。由模拟标清分辨率（704*576）到高清分辨率（1920*1080），主要是由市场需求及厂商设备更新换代强力推动，在此过程中大批传统模拟视频厂商没有跟上市场的潮流消失了，也有部分企业抓住了市场的机遇脱颖而出，占据了高清视频监控的行业引领地位。

现在，高清1080P视频监控占据了主流之后，新一轮的技术更替即将展开。这一次，主角是超高清（4K：3840*2160/8K：7680*4320）。在安防领域，目前1080P的高清视频监控还占领了主流地位，而且目前市场上还有大量模拟视频监控系统等待升级，但安防厂商及超高清设备供应商已迫不及待的发布新的产品，占领新的技术前沿阵地，推动新一轮的安防设备升级大潮。

就目前的安防发展趋势来看，超高清在未来必定占据主流地位，毕竟对细节和全局的监控越清晰越好，但在现阶段，1080P高清还有一段白银时期，毕竟适用性、规模化成本、产业链成熟与需求迫切性方面都需要平衡。超高清在安防项目上也会有一个应用推广，挖掘实战性应用方案的发展过程。

2 视频图像分辨率发展

2.1 视频图像分辨率的发展：标清->高清->超高清

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2.2 数字视频图像解析

2.2.1 原始数字视频图像数据取样结构分析（未经压缩）

原始数字视频及图像采用像素表示清晰度，像素是组成图像的最小单位。表现彩色图像需要RGB或YUV三个独立的分量，因此每个像素实际上都是由3个单位组成的。

RGB色彩模式是一种颜色标准，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一，显示器大都是采用了RGB颜色标准。RGB24使用24位来表示一个像素，RGB分量都用8位二进制数表示，取值范围为0-255。24位RGB色彩总共能组合出约1678万种色彩，也称为24位色。YUV（即YCrCb）是一种主要的图像颜色编码方法，中”Y”表示亮度，也就是灰阶值，是个基带信号，而”U”和”V”表示的则是色度，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。采用YUV色彩空间的重要原因是它的亮度信号Y和色调信号U、V是分离的。YUV与RGB信号可以通过公式进行转换。

为节省带宽起见，大多数YUV格式平均使用的每像素位数都少于24位元。YUV的表示法称为A：B：C表示法，主要的抽样格式有以下几种：

（1）4：4：4表示完全取样。

（2）4：2：2表示2：1的水平取样，垂直完全采样。

（3）4：2：0表示2：1的水平取样，垂直2：1采样。

（4）4：1：1表示4：1的水平取样，垂直完全采样。

YUV 4：4：4

YUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整（每个分量8位编码），经过8比特量化之后，未经压缩的每个像素占用3个字节，与RGB4：4：4完全相同。

YUV 4：2：0

4：2：0并不意味着只有Y、Cb而没有Cr分量。它指得是对每行扫描线来说，只有一种色度分量以2：1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，如果一行是4：2：0的话，下一行就是4：0：2，再下一行是4：2：0…以此类推。对每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都是2：1，所以可以说色度的抽样率是4：1。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

2.2.2 原始数字视频图像数据取样结构小结

基于人眼对亮度的敏感性要高于对色彩的敏感性，在安防系统中，通常采用YUV4：2：0采样原始数据，通常采用8位编码。而随着视频分辨率的越来越高，客户对于视频质量要求的不断提高，编码位数也越来越大，帧率要求也越来越高，这也导致了原始数字图像数据越来越大，给原始数据传输、编码、显示、存储各方面的设备带来新的挑战。

当图像分辨率发展到高清之后，会对数字视频图像供应链上的各种设备、接口与相关技术带来新的挑战，必须将前端至平台各个环节的技术攻克，形成完整的解决方案与产品系列，才能在安防实际项目应用中取得进展。

3 超高清视频关键技术

3.1 4K/8K超高清摄像机及芯片

2013年安博会英飞拓推出了4K超高清摄像机，至2015年海康、大华推出了4K的全系列产品（包括摄像机、存储、显示产品）。在广电领域及民用领域，4K产品早已有成功应用，8K产品相对比较少。美光、豪威、佳能、索尼等有4K及8K传感器产品。高通、三星、联发科等均推出了支持超高清视频的处理芯片。

3.2 4K/8K超高清镜头

佳能、索尼、蔡司、尼康有专门针对4K/8K超高清镜头，但厂商和产品数量相对较少，这也是目前的一个短板，镜头方面有待技术进一步突破。

3.3 传输技术

非压缩的原始数据传输需要特别的传输技术，DWDM也叫密集波分复用系统，能支持在一根光缆上实现1Tb/s数据传输率。完全能满足8K超高清120fps采样非压缩图像数据传输需求。

经压缩的超高清视频数据通常会小于100Mb/s，采用普通千兆网络光端机或其他通用网络技术传输即可。

3.4 数字视频压缩/解码技术

H.264是目前主流的视频压缩技术，但H.264仅在最高等级Level5.1最高级别支持4K超高清，最高支持帧率为30.5fps，针对超高清压缩率上也很难满足实际应用的需求。

H.265是ITU-T VCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准，基于现有的视频编码标准H.264改进。HEVC/H.265在有限的带宽下能传输更高质量的网络视频，相比于H.264的标准，仅需一半的带宽即可播放相同质量的视频，而且HEVC/H.265的标准也同时支持4K和8K超高清视频。H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似，比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具来降低码率。

SVAC是我国自主知识产权的音视频编解码标准，SVAC2.0版即GB/T25724-2017《公共安全视频监控数字视音频编解码技术要求》（标准号：）在安全性、压缩性能、编码效率、智能视频分析支持、大数据支持等方面比SVAC1.0做出了重大提高，支持超高清视频编码。

AVS2即GB/T 33475.2-2016 《信息技术 高效多媒体编码第2部分：视频》是AVS1之后新一代的标准，支持超高清、编码效率极大提高。AVS国标包括三个部分，即视频、音频以及系统。AVS2的目标：在主流技术可实现的前提下，当重建视频主观质量相同时，至少在高清或更高分辨率下编码效率比AVS1的最好性能提高1倍以上。在主流配置下，编码效率优于最新的国际标准。AVS2对于常规视频的编码效率与最新国际标准HEVC/H.265相当，比上一代国家标准AVS1以及国际标准AVC/H.264的效率提高1倍；对于监控视频等场景类视频，AVS2压缩效率又翻了一番，达到AVC/H.264的4倍。

3.5 4K/8K超高清显示技术

超高清在显示技术上的进展最快，有大量产品推出。创维早在2012年安博会上就推出了4K显示器（800万像素），夏普、松下、京东方等已经推出了8K超高清电视机。Sony等公司也早在2010年就推出了超高清投影仪产品。2015年开始，有数十家厂商已推出了支持4K、8K高清显示的显示产品呢。

3.6 4K/8K超高清接口技术

3.6.1 超高清显示接口：HDMI 2.1版本

2013年HDMI Forum Inc.发布HDMI 2.0版，完善了对4K格式的支持，同时加入21：9显示比例的支持和最多32声道的支持，以应付未来5～10年的显示需求。HDMI 1.4版本已经支持4K分辨率，但帧率最高只有30fps，而HDMI 2.0版本则支持4K分辨率下的50fps和60fps，可以带来更加出色的视频体验。2017年1月HDMI Forum Inc.发布HDMI 规范2.1版本，支持更高的视频分辨率和频率：包括 8K 60Hz 和 4K 120Hz，实现最高 48Gb/s 的带宽。

3.6.2 超高清显示接口：DP 1.2版本

2010年VESA发布：DP1.2，每个信道的数据传输率翻番到5.4Gb/s，总带宽最高可达21.6Gb/s，能大大提升显示分辨率、色深、刷新率、多显能力，支持全高清120Hz 3D立体显示、4K 30fps分辨率、高色彩范围等等。

2014年VESA发布：DP1.3，总带宽提升到了32.4Gb/s（4.05GB/s），每个信道达到8.1Gb/s，比DP 1.2/1.2a增大了50%，排除损耗之后实际速率能达到25.92Gb/s（3.24GB/s）。

2016年VESA发布：DP 1.4，支持8K 60Hz 和 4K 120Hz高清视频。

4 超高清发展历程及展望

2003年，加拿大Dalsa公司推出一款4K摄影机。

2005年-2006年NHK采用超高清技术实现IP远程传输及显示。

2006年NHK把Super Hi-Vision提交给ITU和SMPTE，经过考察和评估，ITU将Super Hi-Vision视频技术作为UHDTV的推荐草案。

2012年，创维在安博会上就首次推出4K显示器（800万像素），效果非常震撼。

2013年，英飞拓在安博会推出了4K超高清摄像机样品。

2014年，多家安防业内主流公司，包括海康、大华、安讯士等都展出了4K超高清摄像机。

2015年，海康、大华发布4K超高清解决方案中的成系列产品，包括：摄像机、NVR、解码器、显示器等。

2015年，威智伦发布安防业界首款单传感器7K超高清摄像机（分辨率：7360（H）x 4128（V），6fps）。

2017年，多家公司发布8K级摄像机产品，超高清应用加速。

5 结束语

视频监控的未来必定属于超高清！但还需要时间，产品链及解决方案方面有待进一步完善，成本有待大幅度降低！

[1] GB/T25724-2017《公共安全视频监控数字视音频编解码技术要求》.2017-06-01.