浅析高清监控中的图像处理技术

　　
　　前言

　　当监控系统经历了模拟化、数字化、网络化、智能化这几个历史阶段后，高清监控随着网络监控的展开，成为新的应用需求亮点。在高清摄像机内部集成了图像采集，图像编码，图像传输等模块。在图像采集部分，CCD和CMOS两种传感器分别针对不同的需求而设计，CMOS在高像素方面有着一定的优势，而CCD对监控场景的适应性更佳。在视频压缩编码部分，不同的压缩算法和算法实现方案决定了高清图像的质量和编码效率。在通信控制部分，网络的适应性、安全性、码流的封装格式和传输功能，取决于监控系统的规划和设计。相信随着技术的革新，图像处理技术的方方面让高清监控已经不在是浮云。

　　图像处理之视频采集

　　对于高清监控摄像机来说，传感器是最核心的部件，相当于监控摄像机的眼睛。被摄物体的图像经过镜头聚焦至 传感器芯片上， 传感器根据光的强弱经过处理，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。从高清监控诞生之初，CCD和CMOS的争霸就已经开始。CCD和CMOS有什么区别？高清监控图像处理的芯片究竟是CCD还是CMOS？

　　从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下四个方面的不同：

　　1.信息读取方式

　　CCD是 Charge Coupled Device（电荷耦合器件）的缩写，它是一种半导体成像器件，CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。

　　CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor（互补性氧化金属半导体）的缩写，和CCD一样同为在高清摄像机中可记录光线变化的半导体，CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。

　　2.速度

　　CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。

　　 3.电源及耗电量

　　CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

　　4.成像质量

　　CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

　　从实际应用中看，CCD和CMOS相比较，CCD的夜间成像效果要大大好于CMOS，但是CCD的价格要比CMOS贵出很多，而且受技术能力限制，目前CCD大部分都集中于200万像素以下的高清健康产品，而200万像素以上则是CMOS的天下。所以从长远来看，高清监控一定是朝着一个高像素的方向发展，如果CCD在300万以上像素缺少实际应用的话，未来则很有可能高清监控是CMOS的天下。

　　图像处理之视频编码

　　当前端的传感器采集完视频信号之后，就进入图像编码这个环节，目前主流的编码技术包括H.264和M-JPEG以及MPEG4等几种编码格式，其中以H.264应用最为广泛。H.264/AVC是由ITU-T VCEG与ISO/IEC MPEG组成的联合专家行动组JVT共同制定并于2003年5月发布的视频编解码标准，在ITU-T体系内被称为H.264，在ISO/IEC体系内被称为MPEG4 part10 - AVC，所以通常被称为H.264/AVC或简称H.264。

　　H.264/AVC标准制定的目标是能够在相对上一代广泛使用的MPEG4视频编码标准降低一半以上码率的前提下提供相当的图像质量，同时覆盖到更大范围的码率、帧率及分辨率等应用场合，并提高对于网络传输的适应性，即能在各种不同条件网络和系统上（例如组播、存储、RTP／IP包网络、无线网络）工作。?对于面向安防领域的高清视频监控应用，H.264编解码标准相比MPEG2、MPEG4 part2等有多方面的优势。

　　更高的压缩率

　　众所周知，高清应用最大的问题在于需要数倍于以往标清的数据传输带宽和存储容量。仅以分辨率换算，相同帧率的720P像素点数为D1的2倍有余，1080P则为4倍左右。如果继续使用传统的MPEG4编解码算法，达到可接受清晰度的D1视频一般需要5Mbps以上码率。以此计算，高清应用的巨大数据量负荷是现有系统难以承受的，成本也会极为高昂。H.264压缩算法包含了众多先进的压缩技术，例如1/4像素运动补偿(Quarter Pixel Motion Compensation)、环路滤波(Loop Filter)、帧内空域预测(Spatial Intra Prediction)、上下文自适应变长编码(CAVLC)、上下文自适应算术编码(CABAC)、多种变换类型(4x4 Transform、8x8 Transform)等，相对于MPEG4大幅度提高了压缩比，数据量能够减少一半甚至更多，为高清应用提供了有力的保障。

　　更清晰的档次、级别定义

　　H.264标准在制定之初就充分考虑各种应用场合，定义了清晰严谨的档次(Profile)与级别(Level)。严谨的档次和级别划分能够为解码器与编码器之间的性能匹配提供依据，带来更好的兼容性。?

　　目前较为多见的是面向普通场合的基本档次(Baseline Profile)，以及部分主档次(Main Profile)应用。而对于希望获得更高压缩率的高清需求，H.264还提供高压缩比及支持更大位深的高档次(High Profile)，目前应用较为少见。级别主要限制码率、帧率/分辨率等图像相关属性，不同级别会影响存储空间等系统资源的需求。一般情况下标清主要使用Level3及以下级别，200W像素的高清则需要Level4及以上级别。H.264的级别明确定义到Level 5.1，支持的码率达到240Mbps，因此能够满足未来相当长时间内的主流应用。必须指出的是，编码使用高档次和级别在提升压缩效率的同时也对解码设备性能提出了更高要求，导致低能力的解码设备无法支持，所以需要权衡考虑。

　　相比而言，MPEG4 part2等标准由于制定时间较早，标准主要面向D1及以下分辨率进行定义，没有充分针对高清应用设计相应的档次和级别，因此在高清分辨率时存在未经定义的兼容隐患。

　　 三种不同压缩格式的比较表如下所示：

　　项目H.264MPEG4MJPEG

　　同码流画质优中差

　　复杂度高中低

　　网络传输速度快中慢

　　以天地伟业最新研发的第三代压缩编码技术为例，可以实现在2M的码流下传输720P的高清图像，而且对后端PC解码压力要求也比较低，并且对网络延时也做了专门的优化，可以控制延时在300ms之内。实测效果如下图所示：

　　图像处理之视频流

　　所谓码流（Data Rate）是指视频文件在单位时间内使用的数据流量，也叫码率，是图像处理编码环节中画面质量控制中最重要的部分。同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高，但是存储的空间和占用的带宽就越大；视频文件的码流越小，压缩比就越高，相应的画面质量也会受影响。以H.264压缩编码的码流为例，传输720P的图像一般都需要4M码流，而同样画质的图像，有的企业如天地伟业，对压缩算法优化的比较好的情况下则只需要2M码流。

　　除了码流之外，还有一个概念叫比特率是指每秒传送的比特(bit)数，单位为 bps(Bit Per Second)。视频比特率与码流是同一个问题的两种叫法，比如一个H.264的视频文件，一般不但包含视频信息还有音频信息，音频也有自己的比特率，这是音视信息复合在一起的文件，这个文件的码流是其音视码流的总合。

　　不论是码流还是比特率，均表示经过编码（压缩）后的音频数据每秒钟需要用多少个比特来表示，而比特就是二进制里面最少的单位，要么是0，要么是1。比特率与音视频压缩的关系简单的说就是比特率越高音视频的质量就越好，但编码后的文件就越大；如果比特率越少则情况刚好翻转。

　　例如：以2000Kbps来编码音视频。

　　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来编码表示经过编码后的音视频数据每秒钟需要用2000K的比特来表示。

　　在传输过程中，经常会用到CBR和VBR等参数设置。CBR（Constant BitRate）就是静态比特率，CBR约定采样率为固定值。高清视频编码从头至尾为某固定值如4096KBit/s进行压缩。而VBR则采取了一种全新的，全程动态调节技术的压缩方法。当为静态画面时，VBR会自动采用较低的比特率如500KBit/s对视频进行压缩；当在动态画面时会用较高的比特率如2000KBit/s对视频进行压缩；当在动作很剧烈的视频画面时则采用最高4096KBit/s进行压缩。VBR就是在控制文件大小的情况下，最大限度的提高了高清的图像画质。

　　影响图像画质的还有并发流和双码流等技术。并发流，是指在VOD点播中同时点播节目的用户数。并发流受码流的限制，码流越大并发流越小。相同配置和同样网络环境下采用高清和标清的并发流是不一样的；双码流是指在编码中，同时输出两种码流，一路高码率的码流用于本地高清存储,例如720P/1080P编码，一路低码率的码流用于网络传输,例如CIF/D1编码，同时兼顾本地存储和远程网络传输。双码流能实现本地传输和远程传输两种不同的带宽码流需要，本地传输采用高码流可以获得更高的高清录像存储，远程传输采用较低的码流以适应CDMA/ADSL等各种网络而获得更高的图像流畅度。双码流是对网络视频监控的一次提速，这种创造性地将双码流拓宽应用，实现任意码流格式选择编码技术，使大规模的视频监控系统中成百上千台摄像机产生海量的视频、音频、存储、报警以及管理数据，能在用户所能获得的网络资源有限的情况下，得已确保传输系统的稳定运行。

　　除以上常见图像处理技术之外还有逐行扫描，3D降噪，宽动态，强光抑制，背光补偿，低照度等等技术，这些技术的应用极大的推动了高清监控的发展。

作者单位：　天津天地伟业数码科技有限公司