近两年来，4K技术逐渐从广播电视领域拓展到安防及其它领域，4K超高清监控引起了行业的广泛关注。目前，围绕安防行业设计的4K产品逐渐开始完善，部分安防企业开始推出4K产品。但是，在高清尚未完全普及的今天，作为超高清技术的4K是否有推广的必要?4K超高清的关键技术是什么?4K超高清监控产品的出现会对监控系统提出哪些要求?本文将就4k技术的概念、发展以及在安防中的应用进行一些阐述。

　　4K是什么

　　4K技术首先发展于电视领域。2012年5月，国际电信联盟发布了BT.2020“超高清电视UHDTV”标准的建议，将屏幕物理分辨率达到3840×2160及以上的电视称之为超高清电视，因此4K又称为2160P。

　　值得留意的是，BT.2020标准也将8K(7680×4320)纳入超高清标准。同时可以发现所有超高清标准的影像都是基于逐行扫描的，经历近百年的隔行扫描技术在超高清时代退出了历史舞台。在色彩方面，BT.2020标准相对于之前的Rec.709标准作出了大幅度的改进。比如色深方面由Rec.709标准的8bit提升至10bit或12bit，其中10bit针对的是4K系统，12bit则是针对8K系统。这一提升对于整个影像在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。色深标准的变化同时导致调整画面最佳动态范围的标准也产生了变化。BT.2020标准定义的超高清系统除了在分辨率、刷新率、色彩深度上进行了提高，还在色彩空间、伽玛校正等方面进行了调整，特别是色域三角形方面的扩展，使画面的色彩表现远胜于高清系统。

　　传输接口方面，支持4K的传输接口目前主要有HDMI和Display Port(DP接口)两种，其中HDMI 1.4a可以支持的4K分辨率规格最高为4096×2160@24Hz或3840×2160@30Hz;最新的HDMI2.0则可以支持60Hz的4K分辨率传输;而DP1.2标准最高可以支持60Hz的4096×2160以及3840×2160分辨率。

　　另外，提到4K技术，不得不提及HEVC。因为伴随高分辨率而来的是高的传输带宽以及大容量的存储需求，4K技术的推出，给视频数据的存储和传输带来了很大的压力，而HEVC就是在视频应用不断向高清晰度、高帧率、高压缩率方向发展的背景下应运而生。2013年1月25日，ITU-T正式宣布HEVC标准发布。新的HEVC标准仍然基于传统的混合视频编码框架，但该框架中每个模块都有技术创新，包括灵活的块划分模式、基于竞争的运动视频预测、高效的自适应算术编码以及波形并行处理技术等——这些新技术使得HEVC的压缩效率比其前一代

　　H.264/AVC提高了近一倍。另外，H.265最高支持8K(8192×4320)超高清视频，在资源充足的场景下可以提供更舒适的视频及应用效果。

　　4K的行业发展

　　4K技术的发展在4K电视上表现得最为活跃。近几年来，随着4K标准的确定，创维、长虹、康佳、夏普、索尼、三星、海信等传统电视厂商纷纷推出4K电视，2013年尤为突出，得益于4K液晶屏的批量化，4K电视市场出现了百花齐放的局面。另外值得注意的是，近一段时间以来，不少通信和互联网企业如乐视、爱奇艺、小米等也在尽力通过进入4K电视抢占“客厅”市场，推出低价的4K互联网电视，对传统电视形成了不小的冲击。目前市面上4K电视的价格甚至低到3000以内，价格的下降也在一定程度上带动了用户需求的增多，而且随着市场的逐步普及，将会形成价格和应用之间的一个良性循环。

　　除了电视以及显示终端的普及外，纵观消费类电子和广电行业，4K技术可以说是发展迅猛，这在近几年的CES消费电子展上就可以看出来，4K一直是这几届CES展会的一大主题，各种4K设备层出不穷。比如，在4K摄像机方面，Sony、佳能、red one等厂家都已经推出支持4K的专业摄像机和家用摄像机，甚至一些消费类电子厂家如GoPro亦推出了支持4K分辨率的头戴式摄像机产品。芯片厂家如高通、NVIDIA、Broadcom、MTK、爱立信等近两年都推出了支持4K分辨率的芯片，而且大部分都支持HEVC解码。一些厂商，如高通和MTK甚至在最新的芯片产品中声称支持HEVC的4K×2K编码。

　　支持4K芯片的量产促进了整个4K行业的蓬勃发展，市面上开始大量涌现支持4K解码显示的机顶盒或互联网电视盒子、4K投影仪、4K蓝光播放器、甚至支持4K的手机终端等产品。此外，传统的PC芯片或显卡厂家如Intel、AMD、NVIDIA等也纷纷在其GPU中集成4K的处理能力，这些对于完善整个4K应用的产业链，加速4K应用的普及都起到了很好的推动作用。

　　4K在安防领域的应用

　　随着4K技术在广电和消费类电子行业如火如荼的发展，安防行业也逐渐开始了对4K技术的重视。因为对于视频监控而言，图像清晰度是最关键的特性之一，图像越清晰，细节越明显，观看体验越好。因此近几年来，众多安防企业在追求画面清晰度上进行了孜孜不倦地探索，4K技术代表了高清视频目前的最高点，已开始逐渐进入人们的视野。

　　4K超高清摄像机可以很好的纵览全局，当随机事件发生，各个业务部门可以用同一台摄像机在同一幅图像中找到各自感兴趣的点，经过多级放大后，仍能得到高清的细节画面。因此4K摄像机可以在不改变摄像机数量、焦距、角度的条件下，进行全天候、全场景下的监控。4K画面的丰富细节，可以让我们各个业务部门进行信息共享，同一个场景下，不用为了看清不同区域而架设多台摄像机，另一方面也节约投资成本。让可视化管理更高效、联动响应更及时、安全系统更有保障。近年来不少厂家开始纷纷推出4K的IPC产品，包括各类枪机、鱼眼摄像机、甚至支持变焦的球机等等。

　　其实，4K最早在安防的实际应用应该从交通道路智能监控开始，因为在交通领域，需要较大分辨率的摄像机来

　　监控多个车道的车辆情况，这样可以提高对车道的覆盖范围。从2011年开始，国内的一些智能交通厂家开始陆续推出800万像素，甚至千万像素的高清电警卡口相机，但是由于传感器能力以及后端Soc芯片处理能力的限制，一般只能实现5-15帧/秒的处理能力。

　　近两年来，随着支持4K编码的低成本SoC芯片的推出，以及支持800万像素的CMOS传感器的推出，4K摄像机也逐渐开始普及，目前，国内主流的安防厂家都已经推出了支持4K×2K的IPC产品，而且随着4K在消费类行业中应用的风生水起，安防行业对4K的期望也开始越来越高。

　　然而，4K与安防究竟能否很快地实现结合，4K在安防行业内能否快速部署和应用，应该说还是需要进行全面分析和探索的。就像由标清时代过渡到高清1080P对监控行业的影响一样，相对于1080P高清，4K技术对图像采集、编解码、传输、显示、存储和处理等环节都提出了更高的要求。

　　1、更高解像力的镜头：作为4K×2K的IPC产品配套镜头至少需要达到800万以上解像力，才能充分发挥出4K摄像机的效果，目前真正达到800万以上解像力的镜头很少且成本高，适合安防应用的支持变焦机芯镜头更是凤毛麟角;

　　2、更高的网络传输带宽和更大的存储容量：在安防应用中，一般传输1080P高清H.264码流，需要4Mbps左右的带宽;在H.264编码下，4K分辨率目前至少也需要12Mbps甚至更高的带宽才能达到较好的图像效果。同样，高带宽的视频对存储空间也提出更高的要求;

　　3、更高性能的编码芯片：要想缓解4K分辨率造成的高带宽和大存储容量的压力，就需要对目前的H.264编码性能进行深度优化，或者依赖于新的HEVC编码标准的普及。目前，有不少厂家开始针对安防行业的特殊应用场景对H.264编码器进行优化，使之也可以在4K分辨率下保持较低的码率。而对于HEVC，由于其编码复杂度较高，目前几个主流的安防行业芯片厂家如海思、TI及安霸都还没有HEVC的芯片方案推出，HEVC的编码还需要依赖高性能DSP或高成本的FPGA实现，这对于追求性价比的安防行业显然是难以接受的;

　　4、更强的后端解码和显示能力：对于后端解码显示设备，处理4K分辨率视频需要更多的计算处理能力。目前采用NVIDIA的Kepler架构、AMD的GCN架构或者更新架构的独立显卡都能支持输出4K分辨率的解码显示，集显平台方面则要用到Intel的Haswell架构处理器或者是AMD的Kaveri APU;

　　5、更大分辨率的显示设备：显示设备必须至少具有4K物理像素，才能无损的呈现4K图像的效果。在拼接显示方面，由于DLP和PDP两种拼接技术实现不了经济可靠的4K产品，4K拼接短期内很难普及，虽然4K液晶拼接是现在的一个热点，但是对于在大型拼接墙中单一的单元分辨率提升的价值，业界看法并不一致;

　　6、更强的视频处理能力：对于4K分辨率的监控图像，画面中的物体像素数更多，细节呈现更充分，但同时也需要更大计算能力处理这些更丰富的细节，这对于安防应用中对图像的处理如图像增强、去雾等，以及对视频的智能分析如视频浓缩、数据检索、人脸识别等都将提出更高的要求。

　　从前面应用分析可以看出，目前4K技术从采集、编解码、传输到后端显示上墙等整个产业链还没有完善，特别在4K图像的采集和编码方面还存在较大的技术瓶颈，从技术层面上说，4K在安防行业的推广将和HEVC的普及紧密相关。其次，由于在安防应用中，4K技术不会带来革命性的差异化，而且目前720P和1080P高清的安防应用普及程度还很一般，更多的已建安防系统还停留在标清的水平上。因此我们认为，4K对于安防领域而言，由于技术与成本的问题短期内将不会产生很大的影响。

　　结语

　　安防行业高清化以及高清产品分辨率的不断提升是安防行业的必然趋势。4K技术与安防的结合，无疑是将高清化深度发展的必然结果。对于4K技术，尽管目前在安防行业应用中存在技术和成本方面的瓶颈，但这并不影响它的应用和发展。我们认为，目前4K产品在安防中处于高端产品的地位，随着HEVC芯片的推出和普及，以及整个4K产业链的不断完善，有理由相信，在未来的几年内，4K产品带来的细致入微的超清晰监控效果，将会引领视频监控市场进一步步入高清、超高清时代。

　　(文/鄢仁祥 苏州科达科技股份有限公司系统部副经理 )