分析：HDTV(高清電視)與視頻監(jiān)控的關(guān)系

     簡介

    【慧聰安防網(wǎng)】TV市場正迅速向高清電視（HDTV）發(fā)展。這種變化顯著改善了圖像質(zhì)量和色彩保真度。與傳統(tǒng)模擬TV相比，HDTV的分辨率*高可達(dá)到前者的五倍，線性分辨率可達(dá)到前者的兩倍。此外，HDTV還具有寬屏格式和DVD質(zhì)量音頻。

    HDTV消費(fèi)市場的增長同樣非常快。2007年，HDTV在美國家庭的普及率約為35%。據(jù)估計(jì)，85%的觀眾到2012年家里都將擁有一臺(tái)HDTV電視機(jī)。實(shí)際上，目前生產(chǎn)的所有電視幾乎都是高清電視。

    當(dāng)今的兩個(gè)*重要HDTV標(biāo)準(zhǔn)是SMPTE296M和SMPTE274M，它們由SMPTE（美國電影電視工程師協(xié)會(huì)）定義。

    HDTV對視頻監(jiān)控市場的影響

    隨著客戶紛紛要求更高圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這種發(fā)展現(xiàn)在開始影響視頻監(jiān)控市場。這種更清晰、更逼真的圖像正是監(jiān)控行業(yè)長期苦苦追尋的，尤其是在那些具有移動(dòng)對象或**識(shí)別至關(guān)重要的應(yīng)用中。

    值得注意的是，百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以滿足其中的一些要求。然而，“百萬像素”概念并不是一個(gè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，而只是行業(yè)采用的一個(gè)*佳實(shí)踐，它具體指數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的圖像傳感器元素的數(shù)量。由于高分辨率往往伴隨著大量的圖像數(shù)據(jù)，這常常會(huì)影響幀速率。因此，僅僅有百萬像素?cái)z像機(jī)還不能保證高圖像質(zhì)量。

    相比之下，滿足任何給定HDTV標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一定能夠提供某種分辨率、幀速率和色彩保真度，從而始終確保視頻質(zhì)量。

    HDTV的發(fā)展歷程

    HDTV與傳統(tǒng)模擬TV的根本差異就在于在每個(gè)屏幕中構(gòu)成圖像信息的像素?cái)?shù)量。在20世紀(jì)下半葉，兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)著市場，即PAL和NTSC。

    PAL（逐行倒相）出現(xiàn)在歐洲和亞洲大部分地區(qū)。它是這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)頻率在50Hz時(shí)達(dá)到576電視線(TVL)，幀速率達(dá)到25幀/秒（fps）。北美和中美以及亞洲一些地區(qū)選擇NTSC（美國國家電視系統(tǒng)委員會(huì)）。該系統(tǒng)在60Hz（30fps）時(shí)能夠廣播480電視線。

    高分辨率電視的歷史可以追溯到1958年。蘇聯(lián)**率先開發(fā)能夠提供極其清晰和生動(dòng)圖像的技術(shù)。他們的電視會(huì)議，即Тransformator系統(tǒng)能夠產(chǎn)生包含1,125線分辨率的圖像。10年后，日本廣播公司NHK開發(fā)了**個(gè)商用系統(tǒng)。

    漫長的發(fā)展過程并不是因?yàn)槿藗兊牡蚬娦枨蟮娜狈ΑＯ喾矗琀DTV和顯著提高的圖像質(zhì)量極大地激發(fā)著全球消費(fèi)者的興趣。行業(yè)也逐漸認(rèn)識(shí)到日益增長的大眾市場的潛力。然而要滿足這些需求，仍要解決一個(gè)問題：更高效的壓縮技術(shù)將不可避免地廣播大量隨HDTV而來的數(shù)據(jù)。

    例如，在美國實(shí)驗(yàn)的HDTV系統(tǒng)曾因它們的高帶寬要求而被拒絕。一般地，早期的廣播系統(tǒng)要求的帶寬是標(biāo)準(zhǔn)清晰度廣播所要求帶寬的兩到四倍，只有通過衛(wèi)星傳送才能實(shí)現(xiàn)。人們不久就發(fā)現(xiàn)，成功的HDTV標(biāo)準(zhǔn)需要更好的效率。

    人們還了解到，只有數(shù)字系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)想要的結(jié)果，但類似系統(tǒng)還沒有開發(fā)。

    隨著MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，20世紀(jì)90年代初取得了**次重大突破。MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)基于NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室巡航導(dǎo)彈開發(fā)的圖像識(shí)別研究。隨后在1993年，又出現(xiàn)了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步刺激了這方面的開發(fā)。MPEG與國際電信聯(lián)盟（ITU）的視頻編碼專家組的合作項(xiàng)目*終產(chǎn)生了H.264標(biāo)準(zhǔn)，也稱為MPEG-4Part10/AVC。這種壓縮技術(shù)不僅使HDTV廣播成為可能，從經(jīng)濟(jì)角度看也更加可行。

    HDTV的工作原理

    由于分辨率是標(biāo)準(zhǔn)模擬TV分辨率的5倍，HDTV實(shí)現(xiàn)了圖像質(zhì)量的一個(gè)巨大飛躍。這意味著更清晰的圖像、更好的色彩保真度和寬屏格式，即16:9比例。  

    HDTV廣播系統(tǒng)采用三個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行識(shí)別：幀大小、掃描系統(tǒng)和幀速率。

    幀大小

    幀大小指水平像素?cái)?shù)與垂直像素?cái)?shù)的乘積，如1280x720或1920x1080。水平像素?cái)?shù)經(jīng)常忽略，因此它暗含在上下文中。因此，不同系統(tǒng)通常指720或1080，然后再加上字母i或p（根據(jù)所采用的掃描方式）。

    傳統(tǒng)電視通常以704x576i或704x480i進(jìn)行廣播，HDTV上的可視信息是它的2-5倍。

    掃描

    有兩種掃描技術(shù)：隔行掃描和逐行掃描，分別用字母i和p加以識(shí)別。

    隔行掃描*初是以一種在不消耗額外帶寬的情況下提高視頻信號的圖像質(zhì)量的方法引入的，并很快在傳統(tǒng)的模擬電視機(jī)中得到普及。簡單地說，這種技術(shù)把每個(gè)幀分為兩個(gè)所謂的場。掃描從左上角開始，一直掃描到右下角，跳過途中的每個(gè)交替行。因此，隔行視頻的信號帶寬只有原來的二分之一，從而實(shí)現(xiàn)了更高的刷新速率，減少閃爍，改進(jìn)移動(dòng)圖像。

    然而，隔行視頻也有一些不足。例如，如果物體移動(dòng)的很快，當(dāng)捕捉每個(gè)單獨(dú)場時(shí)，它們將處于不同位置。這可能導(dǎo)致所謂的移動(dòng)偽象。通常，這些偽象是看不見的，然而如果視頻的顯示速度比視頻捕捉的速度慢，或者作為靜止幀顯示時(shí)，它們才會(huì)出現(xiàn)。另一個(gè)可能的問題稱為行間抖動(dòng)，當(dāng)圖像中包含的垂直細(xì)節(jié)大小接近于這種視頻格式的水平分辨率時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。

    使用逐行掃描可以避免這些限制。這種技術(shù)以單幀捕捉、傳輸和顯示圖像中的所有行。逐行進(jìn)行掃描，從上到下。換句話說，捕捉的圖像不是像隔行掃描那樣分成獨(dú)立的場，因此實(shí)際上沒有“閃爍”效果。

    在監(jiān)控應(yīng)用中，這對瀏覽移動(dòng)圖像（如正在跑動(dòng)的人或正在移動(dòng)的車輛）中的細(xì)節(jié)非常重要。這種技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢就是可以使用單幀來制作papercopies，質(zhì)量幾乎同照片一樣。例如，如果材料被作為法院的證據(jù)，這就顯得至關(guān)重要。當(dāng)然，這些潛在優(yōu)點(diǎn)必須與逐行掃描的更多帶寬要求進(jìn)行權(quán)衡。

    左側(cè)，全幅JPEG圖像（704x576像素）來自使用隔行掃描的模擬攝像機(jī)。右側(cè)，全幅JPEG圖像（640x480像素）來自使用逐行掃描技術(shù)的安訊士網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。兩個(gè)攝像機(jī)使用同類鏡頭，而且車速也相同，即20km/h(15mph)。兩幅圖的背景都非常清晰。然而，只有在使用逐行掃描技術(shù)的圖像中才能看見駕駛員。

    幀速率

    幀速率定義為每秒的圖像幀數(shù)量（fps）。對于隔行掃描系統(tǒng)，這一數(shù)量通常指場率，這意味著幀數(shù)量通常是場數(shù)量的兩倍，因?yàn)槊繋莾蓚€(gè)場。

    歷史上，*棘手的一個(gè)問題是關(guān)于適合的幀/場刷新速率的。世界各國曾分為支持25/50fps和支持30/60fps的兩大陣營，這很大程度上是因?yàn)殡娫垂┙o的頻率，這反過來又影響了圖像穩(wěn)定性。盡管如此，兩個(gè)系統(tǒng)都遵從HDTV，因此也滿足視頻監(jiān)控的全幀速率要求。

    HDTV標(biāo)準(zhǔn)化

    MPEG-1壓縮標(biāo)準(zhǔn)的引入為數(shù)字TV奠定了基礎(chǔ)，并且刺激了現(xiàn)代TV標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)的開發(fā)。

    當(dāng)今，*重要的HDTV標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是美國電影電視工程師協(xié)會(huì)（SMPTE）。該組織是電影、電視、視頻和多媒體的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)和權(quán)威實(shí)踐領(lǐng)域公認(rèn)的全球***，目前已定義了兩個(gè)*重要的標(biāo)準(zhǔn)：SMPTE296M與SMPTE274M。

    從根本上說，SMPTE296M定義了采用逐行掃描的1280x720像素分辨率，而SMPTE274M定義了采用隔行或逐行掃描的1920x1080像素分辨率。

    有了諸如MPEG-2與H.264的數(shù)字壓縮方法，一條模擬TV頻道的帶寬足以傳輸高達(dá)5個(gè)常規(guī)數(shù)字TV頻道，或使用逐行掃描的兩個(gè)HDTV頻道。

    HDTV格式

    HDTV通常采用16:9的寬屏縱橫比，以及帶有逐行掃描的1920像素水平分辨率。因此，這就實(shí)現(xiàn)了2,073,600(1920x1080)像素的幀分辨率。幀速率可以變化，而且在字母p后指定，例如：1080p30或1080p50。

    其他HDTV格式為1080i與720p。屏幕縱橫比對所有三種格式都是一樣的，即16:9。1080i用隔行掃描顯示1920x1080行，而720p用逐行掃描顯示1280x720(921,600)像素。

    HDTV在視頻監(jiān)控中的優(yōu)勢

    采用逐行掃描時(shí)，具有HDTV性能的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了真色彩表示和清晰的圖像，即使對象快速移動(dòng)。這使得HDTV成為那些需要更多圖像細(xì)節(jié)的監(jiān)控場所*具吸引力的一個(gè)解決方案，如零售店、機(jī)場、入境護(hù)照檢查、娛樂場和高速公路。

    這種質(zhì)量發(fā)展是人們一直苦苦追尋的目標(biāo)，然而直到視頻壓縮技術(shù)發(fā)展到一定水平時(shí)才得以實(shí)現(xiàn)。H.264標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)需要許可證才能使用的開放標(biāo)準(zhǔn)，可降低數(shù)字音頻文件的大小，同時(shí)不會(huì)影響圖像質(zhì)量。與MotionJPEG格式相比，數(shù)字音頻文件的大小可減小80%，而與MPEG-4Part2相比，可減小50%。由于其靈活性以及帶寬和存儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性，H.264有望比以前的壓縮標(biāo)準(zhǔn)采用范圍更廣泛。

    毫無疑問，H.264是在視頻監(jiān)控中引入HDTV的先決條件。同時(shí)，有效的壓縮實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高幀速率和16:9屏幕縱橫比。

    HDTV基于方塊像素，類似于計(jì)算機(jī)屏幕，因此來自網(wǎng)絡(luò)視頻產(chǎn)品的HDTV視頻既可以在HDTV屏幕上顯示，也可以在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上顯示。然而，在逐行掃描HDTV視頻中，當(dāng)視頻由計(jì)算機(jī)處理或在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示時(shí)，不需要應(yīng)用轉(zhuǎn)換或去隔行技術(shù)。

    結(jié)論

    高清電視帶來的圖像質(zhì)量改進(jìn)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，并且?guī)砹藰O大消費(fèi)市場需求。類似趨勢也同樣出現(xiàn)在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控市場中。符合HDTV的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能夠提供遵從國際標(biāo)準(zhǔn)的分辨率、色彩表示、16:9屏幕縱橫比和幀速率，使其成為那些需要高質(zhì)量圖像的監(jiān)控環(huán)境的**吸引力的解決方案。

    HDTV優(yōu)勢一覽

    國際標(biāo)準(zhǔn)

    出色的圖像質(zhì)量

    *低25/30幀速率容量

    高分辨率

    色彩保真度

    16:9屏幕縱橫比