高清攝像機技術

最初，“高清”概念與標準是廣播電視業提出的。上世紀60年代，日本國家廣播公司NHK開始研究高清；90年代初期，NHK和索尼完成了研究並開始試播模擬制式的高畫質電視。但由於多種原因，歐洲並不接受日本的研究成果，80年代中期，飛利浦等公司也聯合完成一個高清研究計畫。然而在1990年，美國一舉推出數字高畫質電視HDTV，後來居上超越日本和歐洲，也是從這時起，大家承認了數字式電視是未來高清的發展方向。目前市場上的高清數位電視可以分為兩大陣營，分別是歐洲的數位電視廣播聯盟DVB和美國的先進電視系統聯盟ATSC。
高清對於視頻監控並不是件容易的事情。它涉及到監控系統的頗多環節，從前端攝像機到傳輸、到記錄存貯和顯示設備，為了到達“高清”指標都需要做出相應調整，只要一個環節滿足不了要求，就達不到“高清”要求。
2、監控行業高清標準
高清視頻監控近年來得以迅速發展，主要是為了解決人們在正常監控過程中“細節”看不清的問題。“高清”即“高解析度”，關於高清的定義，最早來源於數位電視領域，高畫質電視，又叫“HDTV”，是由美國電影電視工程師協會確定的高清晰度電視標準格式。電視的清晰度，是以水平掃描線數作為計量的，它的集中高清劃分方式如下：
（1）1080i格式，是標準數位電視顯示模式，1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16:9，解析度為1920×1080，隔行/60Hz，行頻為33.75KHz。
（2）720p格式，是標準數位電視顯示模式，750條垂直掃描線，720條可見垂直掃描線，16:9，解析度為1280×720，逐行/60Hz，行頻為45KHz。
（3）1080p格式，是標準數位電視顯示模式，1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16:9，解析度為1920×1080逐行掃描，專業格式。
高畫質電視，就是指支持1080i、720p和1080p的電視標準。
目前，在安防行業傳統監控系統最高可達標準清晰度，進行數字編碼後，一般可以達到4CIF或D1的解析度，約為44萬像素，清晰度在300至500電視線之間；採用高清網路攝像機的IP監控，如果要達到800電視線的清晰度，那么網路攝像機的解析度至少要達到1280x720的標準，約90多萬像素；若採用200萬像素的網路攝像機，就達到了超高清圖像的要求，寬高比為16:9的網路攝像機，對應解析度為1920x1080，寬高比為4：3的網路攝像機，對應解析度為1600x1200。安防行業更多的是借用電視領域的高清劃分標準，俗稱為“高清”和“標清”。安防市場中已經出現了解析度能夠達到1080i和720p的網路攝像機，這是因為網路給高清視頻的傳輸提供了一個很高的保障。當然，也有具有高清傳輸接口的模擬攝像機，如具有Y/Pb/Pr和VGA接口的槍機或一體機。
所以，這裡借用一下廣電標準：能達到百萬像素的攝像機，配套以1080p解析度的顯示設備及相應的傳輸通道，就可以形成一套可稱之為高清的監控系統。安防視頻監控行業目前還沒有通用的高清標準。有廠家認為圖像達到D1就是高清，也有廠家認為超過480線就是高清，眾說紛紜。這裡我們可以看看DVR國家標準。2006年國家質量監檢總局發布的《視頻安防監控數字錄像設備國家標準 GB 20815-2006》規定，DVR的等級劃分A級（解析度不小於4CIF）和B級（解析度小於4CIF）。如果按照以上廠家的評價標準要求來看，DVR中A級產品為高清產品，B級為通用產品，即4CIF（解析度為704×576）為高清，CIF（解析度為352×288）為普通清晰度。
隨著科學技術的進步，“高清”技術必然引入視頻監控領域，視頻監控行業的高清標準也會不斷完善。
　3、高清前端採集技術
高清的視頻效果的保證首先來源於高清信息的採集，如果沒有前端高清視頻採集，無法談及後端的高清效果。無論是槍機、一體機還是網路攝像機、模擬攝像機，採集的原理都是一致的，只是技術和器件上的區別。對於高清監控系統，前端採集設備一般使用網路攝像機。我們知道，攝像機的清晰度主要取決於感光晶片的性能，主要有CCD和CMOS兩種，在高清監控領域，也都有所套用。
CCD英文全名Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD為數位相機中可記錄光線變化的半導體，它是一種半導體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。CCD對監控場景的適應性更佳，在低照度下效果表現更好。CCD由以前1/4英寸到現在1/3英寸、1/2英寸甚至2/3英寸等等，代表了其技術的不斷發展，再經過圖像處理晶片的配合，能夠達到解析度720P甚至1080i的輸出。
CMOS英文全名 Compleme-ntary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體，CMOS和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體，而隨著CMOS在製造工藝和影像處理技術上的不斷突破，業內對CMOS的前景預測也越來越樂觀。高清數字影像的普及更是CMOS技術發展的一個難得機遇。而且，與CCD相比，CMOS的製造原理更加簡單，體積更小，功耗可以大大的降低，種種跡像表明：圖像感測器的領域正面臨著一個重大轉折，儘管從目前的狀況看，CMOS與CCD圖像感測器的套用市場仍然有一個分界，但這個界限似乎越來越模糊。有專家預言，隨著300萬像素的CMOS圖像感測器的上市，圖像感測器即將進入“CMOS時代”。CMOS在高像素方面有著一定的優勢。
另外，鏡頭要能夠保證進光量和角度，同時還要有一個適宜調焦和光圈來配合感光元器件的成像，因為高清的視頻通常依賴於一個調焦的操作。對於焦距和光圈不滿足實際需求來說，高清攝像機也惘然。在一體機中通常配合較高的變倍來更好的體現高清的效果。當然，評價一個高清攝像機，除了清晰度外，還有其他許多影響圖像質量的因素，如超寬動態、自動白平衡、自動測光補償等等。
　4、高清編碼標準
除了採集外，高清圖像編碼也是重要環節，高清視頻編碼最常用的編碼格式是MPEG2-TS、MPEG4、H.264和VC-1這四種算法。
MPEG2由MPEG（Moving Picture Experts Group）運動圖像專家組制定，這是國際標準化組織（ISO）於1988年成立的專責制定有關運動壓縮編碼標準的工作組，所制定的標準是國際通用標準。DVD即是MPEG2編碼， 隨著技術的改進，它在高清視頻方面也得到了套用。MPEG2最大的缺點就是檔案體積過大，不過它也有一個優點，那就是相對於另外兩種編碼，它對於系統資源的消耗是最小的。但是隨著硬體技術的發展，H.264和VC-1的解碼必然會成為DVD那樣，任何主流的配置都能流暢播放。
MPEG4主要用於低頻寬套用和互動式圖形套用（遊戲等合成內容）、互動式多媒體（ W W W 等內容分發和訪問技術）套用， MPEG專家組成立了MPEG4工作組，以促進上述三個領域的集成。1999年初，定義標準框架的MPEG4（第一版）成為國際標準（ISO/IEC 14496-1），提供多種算法和工具的第二版已於1999年底成為國際標準（ISO/IEC 14496-2）。
H.264也許是最有前途的一個了，相對於MPEG2、 MPEG4而言，其壓縮效率是三種編碼中最高的。H.264標準由國際電信聯盟電信標準化部（ITU-T）和國際標準化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）共同研究發布，因此H.264有兩個名稱，一個是沿用 ITU-T組織的H.26x名稱，叫“H.264”，另一個則是A V C （ 高級視頻編碼）。H.264格式的最大特點是在保證畫面質量的情況下，它可以把檔案大小控制在MPEG2格式的二分之一甚至三分之一。所以其更高的壓縮比、更好的IP和無線網路信道的適應性，在數字視頻通信和存儲領域得到越來越廣泛的套用。但是需要注意的是，H.264獲得優越性能的代價是計算複雜度增加，因此H.264的硬體要求是最高的。
微軟公司在2003年9月提出了VC-1編碼格式(開發代號Corona)，目前已經得到了 MovieBeam、Modeo等不少公司的採納，同時也包含在HD DVD和藍光中，包括華納和環球等影業公司也有採用這種格式的意向。VC-1基於微軟windows Media Video9 ( WMV9 )格式，而WMV9格式現在已經成為VC-1標準的實際執行部分。VC-1是最後被認可的高清編碼格式，因為有微軟的後台，所以這種編碼格式不能小窺，相對於MPEG2，VC-1的壓縮比更高，但相對於H.264而言，編碼解碼的計算則要稍小一些。
AVS是基於我國自主創新技術和國際公開技術所構建的標準，主要面向高清晰度和高質量數位電視廣播、網路電視、數字存儲媒體和其他相關套用，具有性能高（與H.264相當）、複雜度低（算法複雜度比H.264明顯低）、我國掌握主要智慧財產權、專利授權模式簡單且費用低等特點。基於此，可以認為AVS標準是能夠支撐國家數字音視頻產業發展的重要標準，也是安防監控行業應該採納的重要標準。
jpeg2000 是一種圖像編碼格式, 而並不是視頻編碼格式, 設計之初是用於取代JPEG , 而視頻序列的每一幀畫面也相當於是一幅圖像,與其前輩JPEG相比, JPEG2000放棄了以離散餘弦變換DCT為主的區塊編碼方式, 而改為採用以小波變換為主的多解析編碼方式, 壓縮率比JPEG 高約 30% 左右, 同時JPEG2000支持有損和無損壓縮。JPEG2000有幾個重要特性, 支持“漸進傳輸”及“感興趣區域編碼”。在清晰度方面, 它可以先解碼一副畫面的四分之一尺寸, 然後再二分之一, 最後解碼出整幅畫面；在圖像質量方面, 它可以先傳輸圖像的輪廓, 然後逐步傳輸數據, 不斷提高圖像質量, 讓圖像由朦朧到清晰顯示;“感興趣區域”是指用戶可以任意指定圖像上感興趣區域的壓縮質量, 還可以選擇指定的部份先解壓縮, 便於突出重點。但JPEG2000計算量太大，壓縮率不高，目前很難在嵌入式實時系統中實現，對存儲傳輸也提出了較高的要求，目前僅有一些高清專用系統採用了這個算法。
在編碼晶片上，一般有DSP、ASIC等可供選擇。DSP方案，如達文西數字媒體處理器TMS320DM6467，是基於DSP的SOC（片上系統），集成了300MHz的ARM核心和600MHz的DSP核心，並採用高清視頻協處理器，在執行H．264 HP@L4(1080p 30fps、1080i 60fps、720p 60fps)的同步多格式高清編碼、解碼與轉碼方面，表現出色。還有一款高清入門級的TI晶片DM355，它內置了編解碼算法實現，能夠以720p格式與每秒30幀的速度提供高清MPEG4 SP編解碼能力，是快速開發入門級高清編碼產品的不錯選擇。ASIC方案，如海思3511的處理器，一款基於ARM9處理器核心以及視頻硬體加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成、可程式、支持H.264和MJPEG（Motion JPEG是一種視頻壓縮格式，其中每一幀圖像都分別使用JPEG編碼）等多協定的優點，可廣泛套用於實時視頻通信、數字圖像監控、網路攝像機等領域。
5、高清傳輸技術
監控系統傳輸技術主要有視頻基帶傳輸、光纖傳輸、網路傳輸、微波傳輸、雙絞線平衡傳輸和寬頻共纜傳輸六種傳輸方式。每種傳輸技術都有其自身特點，有各自的套用層面，對於一個複雜的監控系統往往根據不同的傳輸距離，不同的監控要求，採用不同的傳輸方式。面對高清套用的超大數據量，以及實時性的要求，採用光纖傳輸是解決長距離視頻監控高速傳輸系統的最佳解決方式，通過把視頻及控制信號轉換為光信號在光纖中傳輸。光纖傳輸具有衰減小、頻頻寬、不受電磁波干擾、重量輕、保密性好等一系列優點，廣泛套用於國家及省市級的主幹通信網路、有線電視網路及高速寬頻計算機網路。而在視頻監控系統中，光纖傳輸也已成為長距離音視頻及控制信號傳輸的首選方式。但光纖傳輸需專門的技術人員負責光纖熔接及設備維護方面的工作，另外對於近距離監控信號傳輸不夠經濟。
舉例來說，高清意味著需要更高頻寬。一般認為，H.264編碼D1(720×576)畫質的碼流為2M左右，那么以1080P計算，畫面尺寸約是D1的5倍，簡單計算，碼流也是5倍。因此，H.264編碼的一個1080P高清畫面所用頻寬約為10M，與D1畫質的MPEG2相當。由此可以看出，對於“高清”，網路傳輸並沒有特別的要求。不過有一點必須指出，目前的網際網路是不能夠承載高清畫質的，必須是專網甚至光纖。相比模擬傳輸，數字網路傳輸高清視頻具有得天獨厚的優勢。
當然，由於高清占用了更高的網路頻寬，在組建高清系統特別是大路數高清系統時對於網路頻寬的使用還是應該精打細算。例如，如果使用100M乙太網，實際上同時只能承載5路左右的高清圖像（考慮到乙太網的碰撞偵聽特性），如果同一視頻源有多個用戶訪問，占用的頻寬會更大，因此對於系統設計、組播、轉發等技術的使用就顯得尤為重要。
　6、高清顯示技術
後端的顯示設備一般分為CRT、LCD、PDP三種。受高畫質電視技術發展的影響，監控顯示設備的高清化速度非常快。
CRT器件以其亮度高、反差大、色彩還原好、圖像細膩等優勢，一直保持著高指標、高質量的水平，是三種器件中觀看效果最好的。但由於受到自身重量、體積等因素影響，CRT監視器一般用於技術監看，適用於對圖像總體質量的最終把握。而LCD、PDP器件由於採用逐點顯示方式，沒有回掃線，具有圖像細膩、無閃爍現象，不易造成視覺疲勞的優勢。其中，LCD監視器以輕薄、省電為特色，PDP以高亮度、大尺寸聞名。
但三種顯示器件也都存在各自的缺點。CRT最主要的問題是體積龐大、耗電高、容易磁化。PDP的主要問題是小尺高清效果必須使用大尺寸顯示器才能表現出來。真正達到1920×1080解析度的監視器，LCD最小尺寸至少20英寸，PDP最小50英寸，CRT至少20英寸以上。
在軌道交通、平安城市等大型圖像聯網指揮中心，大都使用了拼接大屏。目前拼接屏中DLP最成熟，但LCD的拼接系統也在逐漸搶占市場。LCD拼接系統目前有個2cm左右縫技術沒有解決，因此在高端使用有些受限。單從清晰角度來說，LCD完全可以滿足1080p的使用要求。
現在一些新的顯示技術帶來了產品的不斷升級，如索尼OLED高清屏僅0.3mm厚，日本NICT推出裸眼可視3D顯示產品，還有適用於柔性顯示的EPD等技術將逐漸把各種顯示技術套用到產品，適應於工作、生活的各方面。這些產品無一不把高清放在最重要的位置，未來的高清顯示產品將會擁有更加地多種多樣、多姿多彩的市場，也必將滲透到監控領域之中。
同時，高清接口也有了DVI或HDMI等數字多媒體接口。
DVI信號的傳輸完全採用了數字格式，保證了視頻源到顯示終端的傳輸過程中資料的完整性，可以得到更快捷的傳輸速度以及更清晰的影像。所以，具備DVI接口的顯示終端都是數字顯示終端。DVI接口有三種，分別是DVI-Digital（DVI-D）、DVI-Analog（DVI-A）和DVI-Integrated（DVI-I）。其不同之處在於DVI-D只支持數字顯示的設備；而DVI-A類似於VGA接口，採用模擬信號傳輸；而 DVI-I則是同時支持數字顯示跟模擬顯示，並且可以兼容使用DVI-D的設備。
HDMI避免了DVI有著接口面積過大、不能傳輸音頻等缺點，HDMI其最高傳輸速度雖然小於DVI（DVI可達8Gbps，HDMI為5Gbps，最高畫質的HDTV信號傳輸需要2Gbps），但還支持八聲道96kHz或單聲道的192kHz的數碼音頻傳輸（支持Dolby Digital/DTS格式），無需單獨使用音頻連線線。同時其連線線的長度也可以達到20多米（DVI線在8米以上就會影像畫質）。HDMI接口為19針，在針腳上和DVI兼容，只是採用了不同的封裝，可以通過轉換器兼容DVI接口。與DVI接口相比，HDMI不僅擁有更高頻寬和更高分辨力等特性，還能集視頻傳輸和音頻傳輸於一身，大大簡化了線纜連線設定。HDMI還能夠向下兼容DVI，只要增加一個轉接器，就能夠實現兩者的互連。因此，HDMI已於2007年取代了DVI在數字視頻接口的統治地位。