淺析高清監(jiān)控中的圖像處理技術(shù)的介紹

前言

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化這幾個(gè)歷史階段后，高清監(jiān)控隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的展開，成為新的應(yīng)用需求亮點(diǎn)。在高清攝像機(jī)內(nèi)部集成了圖像采集，圖像編碼，圖像傳輸?shù)饶K。在圖像采集部分，CCD和CMOS兩種傳感器分別針對(duì)不同的需求而設(shè)計(jì)，CMOS在高像素方面有著一定的優(yōu)勢(shì)，而CCD對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景的適應(yīng)性更佳。在視頻壓縮編碼部分，不同的壓縮算法和算法實(shí)現(xiàn)方案決定了高清圖像的質(zhì)量和編碼效率。在通信控制部分，網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性、安全性、碼流的封裝格式和傳輸功能，取決于監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。相信隨著技術(shù)的革新，圖像處理技術(shù)的方方面讓高清監(jiān)控已經(jīng)不在是浮云。

圖像處理之視頻采集

對(duì)于高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)來說，傳感器是最核心的部件，相當(dāng)于監(jiān)控?cái)z像機(jī)的眼睛。被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至 傳感器芯片上， 傳感器根據(jù)光的強(qiáng)弱經(jīng)過處理，形成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。從高清監(jiān)控誕生之初，CCD和CMOS的爭(zhēng)霸就已經(jīng)開始。CCD和CMOS有什么區(qū)別?高清監(jiān)控圖像處理的芯片究竟是CCD還是CMOS?

從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個(gè)方面的不同：

1.信息讀取方式

CCD是 Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，它是一種半導(dǎo)體成像器件，CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。

CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor(互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體)的縮寫，和CCD一樣同為在高清攝像機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單。

2.速度

CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

3.電源及耗電量

CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

4.成像質(zhì)量

CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅(SiO2)隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

從實(shí)際應(yīng)用中看，CCD和CMOS相比較，CCD的夜間成像效果要大大好于CMOS，但是CCD的價(jià)格要比CMOS貴出很多，而且受技術(shù)能力限制，目前CCD大部分都集中于200萬(wàn)像素以下的高清健康產(chǎn)品，而200萬(wàn)像素以上則是CMOS的天下。所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，高清監(jiān)控一定是朝著一個(gè)高像素的方向發(fā)展，如果CCD在300萬(wàn)以上像素缺少實(shí)際應(yīng)用的話，未來則很有可能高清監(jiān)控是CMOS的天下。

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圖像處理之視頻編碼

當(dāng)前端的傳感器采集完視頻信號(hào)之后，就進(jìn)入圖像編碼這個(gè)環(huán)節(jié)，目前主流的編碼技術(shù)包括H.264和M-JPEG以及MPEG4等幾種編碼格式，其中以H.264應(yīng)用最為廣泛。H.264/AVC是由ITU-T VCEG與ISO/IEC MPEG組成的聯(lián)合專家行動(dòng)組JVT共同制定并于2003年5月發(fā)布的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，在ITU-T體系內(nèi)被稱為H.264，在ISO/IEC體系內(nèi)被稱為MPEG4 part10 - AVC，所以通常被稱為H.264/AVC或簡(jiǎn)稱H.264。

H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)制定的目標(biāo)是能夠在相對(duì)上一代廣泛使用的MPEG4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)降低一半以上碼率的前提下提供相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量，同時(shí)覆蓋到更大范圍的碼率、幀率及分辨率等應(yīng)用場(chǎng)合，并提高對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪m應(yīng)性，即能在各種不同條件網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)上(例如組播、存儲(chǔ)、RTP/IP包網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò))工作。?對(duì)于面向安防領(lǐng)域的高清視頻監(jiān)控應(yīng)用，H.264編解碼標(biāo)準(zhǔn)相比MPEG2、MPEG4 part2等有多方面的優(yōu)勢(shì)。

更高的壓縮率

眾所周知，高清應(yīng)用最大的問題在于需要數(shù)倍于以往標(biāo)清的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和存儲(chǔ)容量。僅以分辨率換算，相同幀率的720P像素點(diǎn)數(shù)為D1的2倍有余，1080P則為4倍左右。如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的MPEG4編解碼算法，達(dá)到可接受清晰度的D1視頻一般需要5Mbps以上碼率。以此計(jì)算，高清應(yīng)用的巨大數(shù)據(jù)量負(fù)荷是現(xiàn)有系統(tǒng)難以承受的，成本也會(huì)極為高昂。H.264壓縮算法包含了眾多先進(jìn)的壓縮技術(shù)，例如1/4像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(Quarter Pixel Motion Compensation)、環(huán)路濾波(Loop Filter)、幀內(nèi)空域預(yù)測(cè)(Spatial Intra Prediction)、上下文自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼(CAVLC)、上下文自適應(yīng)算術(shù)編碼(CABAC)、多種變換類型(4x4 Transform、8x8 Transform)等，相對(duì)于MPEG4大幅度提高了壓縮比，數(shù)據(jù)量能夠減少一半甚至更多，為高清應(yīng)用提供了有力的保障。

更清晰的檔次、級(jí)別定義

H.264標(biāo)準(zhǔn)在制定之初就充分考慮各種應(yīng)用場(chǎng)合，定義了清晰嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋n次(Profile)與級(jí)別(Level)。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋n次和級(jí)別劃分能夠?yàn)榻獯a器與編碼器之間的性能匹配提供依據(jù)，帶來更好的兼容性。

目前較為多見的是面向普通場(chǎng)合的基本檔次(Baseline Profile)，以及部分主檔次(Main Profile)應(yīng)用。而對(duì)于希望獲得更高壓縮率的高清需求，H.264還提供高壓縮比及支持更大位深的高檔次(High Profile)，目前應(yīng)用較為少見。級(jí)別主要限制碼率、幀率/分辨率等圖像相關(guān)屬性，不同級(jí)別會(huì)影響存儲(chǔ)空間等系統(tǒng)資源的需求。一般情況下標(biāo)清主要使用Level3及以下級(jí)別，200W像素的高清則需要Level4及以上級(jí)別。H.264的級(jí)別明確定義到Level 5.1，支持的碼率達(dá)到240Mbps，因此能夠滿足未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的主流應(yīng)用。必須指出的是，編碼使用高檔次和級(jí)別在提升壓縮效率的同時(shí)也對(duì)解碼設(shè)備性能提出了更高要求，導(dǎo)致低能力的解碼設(shè)備無(wú)法支持，所以需要權(quán)衡考慮。

相比而言，MPEG4 part2等標(biāo)準(zhǔn)由于制定時(shí)間較早，標(biāo)準(zhǔn)主要面向D1及以下分辨率進(jìn)行定義，沒有充分針對(duì)高清應(yīng)用設(shè)計(jì)相應(yīng)的檔次和級(jí)別，因此在高清分辨率時(shí)存在未經(jīng)定義的兼容隱患。

三種不同壓縮格式的比較表如下所示：

項(xiàng)目H.264MPEG4MJPEG

同碼流畫質(zhì)優(yōu)中差

復(fù)雜度高中低

網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快中慢

以天地偉業(yè)最新研發(fā)的第三代壓縮編碼技術(shù)為例，可以實(shí)現(xiàn)在2M的碼流下傳輸720P的高清圖像，而且對(duì)后端PC解碼壓力要求也比較低，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)也做了專門的優(yōu)化，可以控制延時(shí)在300ms之內(nèi)。

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圖像處理之視頻流

所謂碼流(Data Rate)是指視頻文件在單位時(shí)間內(nèi)使用的數(shù)據(jù)流量，也叫碼率，是圖像處理編碼環(huán)節(jié)中畫面質(zhì)量控制中最重要的部分。同樣分辨率下，視頻文件的碼流越大，壓縮比就越小，畫面質(zhì)量就越高，但是存儲(chǔ)的空間和占用的帶寬就越大;視頻文件的碼流越小，壓縮比就越高，相應(yīng)的畫面質(zhì)量也會(huì)受影響。以H.264壓縮編碼的碼流為例，傳輸720P的圖像一般都需要4M碼流，而同樣畫質(zhì)的圖像，有的企業(yè)如天地偉業(yè)，對(duì)壓縮算法優(yōu)化的比較好的情況下則只需要2M碼流。

除了碼流之外，還有一個(gè)概念叫比特率是指每秒傳送的比特(bit)數(shù)，單位為 bps(Bit Per Second)。視頻比特率與碼流是同一個(gè)問題的兩種叫法，比如一個(gè)H.264的視頻文件，一般不但包含視頻信息還有音頻信息，音頻也有自己的比特率，這是音視信息復(fù)合在一起的文件，這個(gè)文件的碼流是其音視碼流的總合。

不論是碼流還是比特率，均表示經(jīng)過編碼(壓縮)后的音頻數(shù)據(jù)每秒鐘需要用多少個(gè)比特來表示，而比特就是二進(jìn)制里面最少的單位，要么是0，要么是1。比特率與音視頻壓縮的關(guān)系簡(jiǎn)單的說就是比特率越高音視頻的質(zhì)量就越好，但編碼后的文件就越大;如果比特率越少則情況剛好翻轉(zhuǎn)。

例如：以2000Kbps來編碼音視頻。

其中 bps是 比特1K= 1010=1024

b就是比特(bit)

s就是秒(second)

p就是每(per)

所以，以2000kbps來編碼表示經(jīng)過編碼后的音視頻數(shù)據(jù)每秒鐘需要用2000K的比特來表示。

在傳輸過程中，經(jīng)常會(huì)用到CBR和VBR等參數(shù)設(shè)置。CBR(Constant BitRate)就是靜態(tài)比特率，CBR約定采樣率為固定值。高清視頻編碼從頭至尾為某固定值如4096KBit/s進(jìn)行壓縮。而VBR則采取了一種全新的，全程動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的壓縮方法。當(dāng)為靜態(tài)畫面時(shí)，VBR會(huì)自動(dòng)采用較低的比特率如500KBit/s對(duì)視頻進(jìn)行壓縮;當(dāng)在動(dòng)態(tài)畫面時(shí)會(huì)用較高的比特率如2000KBit/s對(duì)視頻進(jìn)行壓縮;當(dāng)在動(dòng)作很劇烈的視頻畫面時(shí)則采用最高4096KBit/s進(jìn)行壓縮。VBR就是在控制文件大小的情況下，最大限度的提高了高清的圖像畫質(zhì)。

影響圖像畫質(zhì)的還有并發(fā)流和雙碼流等技術(shù)。并發(fā)流，是指在VOD點(diǎn)播中同時(shí)點(diǎn)播節(jié)目的用戶數(shù)。并發(fā)流受碼流的限制，碼流越大并發(fā)流越小。相同配置和同樣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用高清和標(biāo)清的并發(fā)流是不一樣的;雙碼流是指在編碼中，同時(shí)輸出兩種碼流，一路高碼率的碼流用于本地高清存儲(chǔ),例如720P/1080P編碼，一路低碼率的碼流用于網(wǎng)絡(luò)傳輸,例如CIF/D1編碼，同時(shí)兼顧本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸。雙碼流能實(shí)現(xiàn)本地傳輸和遠(yuǎn)程傳輸兩種不同的帶寬碼流需要，本地傳輸采用高碼流可以獲得更高的高清錄像存儲(chǔ)，遠(yuǎn)程傳輸采用較低的碼流以適應(yīng)CDMA/ADSL等各種網(wǎng)絡(luò)而獲得更高的圖像流暢度。雙碼流是對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的一次提速，這種創(chuàng)造性地將雙碼流拓寬應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)任意碼流格式選擇編碼技術(shù)，使大規(guī)模的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中成百上千臺(tái)攝像機(jī)產(chǎn)生海量的視頻、音頻、存儲(chǔ)、報(bào)警以及管理數(shù)據(jù)，能在用戶所能獲得的網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，得已確保傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

除以上常見圖像處理技術(shù)之外還有逐行掃描，3D降噪，寬動(dòng)態(tài)，強(qiáng)光抑制，背光補(bǔ)償，低照度等等技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用極大的推動(dòng)了高清監(jiān)控的發(fā)展。