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分析:HDTV(高清电视)与视频监控的关系
2009/6/30 9:31:08

  简介

    【慧聪安防网】TV市场正迅速向高清电视(HDTV)发展。这种变化显著改善了图像质量和色彩保真度。与传统模拟TV相比,HDTV的分辨率最高可达到前者的五倍,线性分辨率可达到前者的两倍。此外,HDTV还具有宽屏格式和DVD质量音频。

    HDTV消费市场的增长同样非常快。2007年,HDTV在美国家庭的普及率约为35%。据估计,85%的观众到2012年家里都将拥有一台HDTV电视机。实际上,目前生产的所有电视几乎都是高清电视。

    当今的两个最重要HDTV标准是SMPTE296M和SMPTE274M,它们由SMPTE(美国电影电视工程师协会)定义。

    HDTV对视频监控市场的影响

    随着客户纷纷要求更高图像质量标准,这种发展现在开始影响视频监控市场。这种更清晰、更逼真的图像正是监控行业长期苦苦追寻的,尤其是在那些具有移动对象或精确识别至关重要的应用中。

    值得注意的是,百万像素网络摄像机可以满足其中的一些要求。然而,“百万像素”概念并不是一个公认标准,而只是行业采用的一个最佳实践,它具体指数字摄像机的图像传感器元素的数量。由于高分辨率往往伴随着大量的图像数据,这常常会影响帧速率。因此,仅仅有百万像素摄像机还不能保证高图像质量。

    相比之下,满足任何给定HDTV标准的网络摄像机一定能够提供某种分辨率、帧速率和色彩保真度,从而始终确保视频质量。

    HDTV的发展历程

    HDTV与传统模拟TV的根本差异就在于在每个屏幕中构成图像信息的像素数量。在20世纪下半叶,两种不同的标准主导着市场,即PAL和NTSC。

    PAL(逐行倒相)出现在欧洲和亚洲大部分地区。它是这样一个系统,当频率在50Hz时达到576电视线(TVL),帧速率达到25帧/秒(fps)。北美和中美以及亚洲一些地区选择NTSC(美国国家电视系统委员会)。该系统在60Hz(30fps)时能够广播480电视线。

    高分辨率电视的历史可以追溯到1958年。苏联军队率先开发能够提供极其清晰和生动图像的技术。他们的电视会议,即Тransformator系统能够产生包含1,125线分辨率的图像。10年后,日本广播公司NHK开发了第一个商用系统。

    漫长的发展过程并不是因为人们的淡漠或公众需求的缺乏。相反,HDTV和显著提高的图像质量极大地激发着全球消费者的兴趣。行业也逐渐认识到日益增长的大众市场的潜力。然而要满足这些需求,仍要解决一个问题:更高效的压缩技术将不可避免地广播大量随HDTV而来的数据。

    例如,在美国实验的HDTV系统曾因它们的高带宽要求而被拒绝。一般地,早期的广播系统要求的带宽是标准清晰度广播所要求带宽的两到四倍,只有通过卫星传送才能实现。人们不久就发现,成功的HDTV标准需要更好的效率。

    人们还了解到,只有数字系统才能实现想要的结果,但类似系统还没有开发。

    随着MPEG压缩标准的出现,20世纪90年代初取得了第一次重大突破。MPEG压缩标准基于NASA喷气推进实验室巡航导弹开发的图像识别研究。随后在1993年,又出现了MPEG-2标准,进一步刺激了这方面的开发。MPEG与国际电信联盟(ITU)的视频编码专家组的合作项目最终产生了H.264标准,也称为MPEG-4Part10/AVC。这种压缩技术不仅使HDTV广播成为可能,从经济角度看也更加可行。

    HDTV的工作原理

    由于分辨率是标准模拟TV分辨率的5倍,HDTV实现了图像质量的一个巨大飞跃。这意味着更清晰的图像、更好的色彩保真度和宽屏格式,即16:9比例。  

    HDTV广播系统采用三个主要参数进行识别:帧大小、扫描系统和帧速率。

    帧大小

    帧大小指水平像素数与垂直像素数的乘积,如1280x720或1920x1080。水平像素数经常忽略,因此它暗含在上下文中。因此,不同系统通常指720或1080,然后再加上字母i或p(根据所采用的扫描方式)。

    传统电视通常以704x576i或704x480i进行广播,HDTV上的可视信息是它的2-5倍。

    扫描

    有两种扫描技术:隔行扫描和逐行扫描,分别用字母i和p加以识别。

    隔行扫描最初是以一种在不消耗额外带宽的情况下提高视频信号的图像质量的方法引入的,并很快在传统的模拟电视机中得到普及。简单地说,这种技术把每个帧分为两个所谓的场。扫描从左上角开始,一直扫描到右下角,跳过途中的每个交替行。因此,隔行视频的信号带宽只有原来的二分之一,从而实现了更高的刷新速率,减少闪烁,改进移动图像。

    然而,隔行视频也有一些不足。例如,如果物体移动的很快,当捕捉每个单独场时,它们将处于不同位置。这可能导致所谓的移动伪象。通常,这些伪象是看不见的,然而如果视频的显示速度比视频捕捉的速度慢,或者作为静止帧显示时,它们才会出现。另一个可能的问题称为行间抖动,当图像中包含的垂直细节大小接近于这种视频格式的水平分辨率时就会出现这个问题。

    使用逐行扫描可以避免这些限制。这种技术以单帧捕捉、传输和显示图像中的所有行。逐行进行扫描,从上到下。换句话说,捕捉的图像不是像隔行扫描那样分成独立的场,因此实际上没有“闪烁”效果。

    在监控应用中,这对浏览移动图像(如正在跑动的人或正在移动的车辆)中的细节非常重要。这种技术的另一个优势就是可以使用单帧来制作papercopies,质量几乎同照片一样。例如,如果材料被作为法院的证据,这就显得至关重要。当然,这些潜在优点必须与逐行扫描的更多带宽要求进行权衡。

    左侧,全幅JPEG图像(704x576像素)来自使用隔行扫描的模拟摄像机。右侧,全幅JPEG图像(640x480像素)来自使用逐行扫描技术的安讯士网络摄像机。两个摄像机使用同类镜头,而且车速也相同,即20km/h(15mph)。两幅图的背景都非常清晰。然而,只有在使用逐行扫描技术的图像中才能看见驾驶员。

    帧速率

    帧速率定义为每秒的图像帧数量(fps)。对于隔行扫描系统,这一数量通常指场率,这意味着帧数量通常是场数量的两倍,因为每帧是两个场。

    历史上,最棘手的一个问题是关于适合的帧/场刷新速率的。世界各国曾分为支持25/50fps和支持30/60fps的两大阵营,这很大程度上是因为电源供给的频率,这反过来又影响了图像稳定性。尽管如此,两个系统都遵从HDTV,因此也满足视频监控的全帧速率要求。

    HDTV标准化

    MPEG-1压缩标准的引入为数字TV奠定了基础,并且刺激了现代TV标准在全球范围内的开发。

    当今,最重要的HDTV标准机构是美国电影电视工程师协会(SMPTE)。该组织是电影、电视、视频和多媒体的标准开发和权威实践领域公认的全球领导者,目前已定义了两个最重要的标准:SMPTE296M与SMPTE274M。

    从根本上说,SMPTE296M定义了采用逐行扫描的1280x720像素分辨率,而SMPTE274M定义了采用隔行或逐行扫描的1920x1080像素分辨率。

    有了诸如MPEG-2与H.264的数字压缩方法,一条模拟TV频道的带宽足以传输高达5个常规数字TV频道,或使用逐行扫描的两个HDTV频道。

    HDTV格式

    HDTV通常采用16:9的宽屏纵横比,以及带有逐行扫描的1920像素水平分辨率。因此,这就实现了2,073,600(1920x1080)像素的帧分辨率。帧速率可以变化,而且在字母p后指定,例如:1080p30或1080p50。

    其他HDTV格式为1080i与720p。屏幕纵横比对所有三种格式都是一样的,即16:9。1080i用隔行扫描显示1920x1080行,而720p用逐行扫描显示1280x720(921,600)像素。

    HDTV在视频监控中的优势

    采用逐行扫描时,具有HDTV性能的网络摄像机实现了真色彩表示和清晰的图像,即使对象快速移动。这使得HDTV成为那些需要更多图像细节的监控场所最具吸引力的一个解决方案,如零售店、机场、入境护照检查、娱乐场和高速公路。

    这种质量发展是人们一直苦苦追寻的目标,然而直到视频压缩技术发展到一定水平时才得以实现。H.264标准是一个需要许可证才能使用的开放标准,可降低数字音频文件的大小,同时不会影响图像质量。与MotionJPEG格式相比,数字音频文件的大小可减小80%,而与MPEG-4Part2相比,可减小50%。由于其灵活性以及带宽和存储的经济性,H.264有望比以前的压缩标准采用范围更广泛。

    毫无疑问,H.264是在视频监控中引入HDTV的先决条件。同时,有效的压缩实现了高分辨率、高帧速率和16:9屏幕纵横比。

    HDTV基于方块像素,类似于计算机屏幕,因此来自网络视频产品的HDTV视频既可以在HDTV屏幕上显示,也可以在标准计算机监视器上显示。然而,在逐行扫描HDTV视频中,当视频由计算机处理或在计算机屏幕上显示时,不需要应用转换或去隔行技术。

    结论

    高清电视带来的图像质量改进已经得到广泛认可,并且带来了极大消费市场需求。类似趋势也同样出现在传统视频监控市场中。符合HDTV的网络摄像机能够提供遵从国际标准的分辨率、色彩表示、16:9屏幕纵横比和帧速率,使其成为那些需要高质量图像的监控环境的极具吸引力的解决方案。

    HDTV优势一览

    国际标准

    出色的图像质量

    最低25/30帧速率容量

    高分辨率

    色彩保真度

    16:9屏幕纵横比

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