分析：HDTV(高清電視)與視頻監控的關系

     簡介

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

    HDTV消費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%。據估計，85%的觀眾到2012年家里都將擁有一臺HDTV電視機。實際上，目前生產的所有電視幾乎都是高清電視。

    當今的兩個*重要HDTV標準是SMPTE296M和SMPTE274M，它們由SMPTE（美國電影電視工程師協會）定義。

    HDTV對視頻監控市場的影響

    隨著客戶紛紛要求更高圖像質量標準，這種發展現在開始影響視頻監控市場。這種更清晰、更逼真的圖像正是監控行業長期苦苦追尋的，尤其是在那些具有移動對象或**識別至關重要的應用中。

    值得注意的是，百萬像素網絡攝像機可以滿足其中的一些要求。然而，“百萬像素”概念并不是一個公認標準，而只是行業采用的一個*佳實踐，它具體指數字攝像機的圖像傳感器元素的數量。由于高分辨率往往伴隨著大量的圖像數據，這常常會影響幀速率。因此，僅僅有百萬像素攝像機還不能保證高圖像質量。

    相比之下，滿足任何給定HDTV標準的網絡攝像機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量。

    HDTV的發展歷程

    HDTV與傳統模擬TV的根本差異就在于在每個屏幕中構成圖像信息的像素數量。在20世紀下半葉，兩種不同的標準主導著市場，即PAL和NTSC。

    PAL（逐行倒相）出現在歐洲和亞洲大部分地區。它是這樣一個系統，當頻率在50Hz時達到576電視線(TVL)，幀速率達到25幀/秒（fps）。北美和中美以及亞洲一些地區選擇NTSC（美國國家電視系統委員會）。該系統在60Hz（30fps）時能夠廣播480電視線。

    高分辨率電視的歷史可以追溯到1958年。蘇聯**率先開發能夠提供極其清晰和生動圖像的技術。他們的電視會議，即Тransformator系統能夠產生包含1,125線分辨率的圖像。10年后，日本廣播公司NHK開發了**個商用系統。

    漫長的發展過程并不是因為人們的淡漠或公眾需求的缺乏。相反，HDTV和顯著提高的圖像質量極大地激發著全球消費者的興趣。行業也逐漸認識到日益增長的大眾市場的潛力。然而要滿足這些需求，仍要解決一個問題：更高效的壓縮技術將不可避免地廣播大量隨HDTV而來的數據。

    例如，在美國實驗的HDTV系統曾因它們的高帶寬要求而被拒絕。一般地，早期的廣播系統要求的帶寬是標準清晰度廣播所要求帶寬的兩到四倍，只有通過衛星傳送才能實現。人們不久就發現，成功的HDTV標準需要更好的效率。

    人們還了解到，只有數字系統才能實現想要的結果，但類似系統還沒有開發。

    隨著MPEG壓縮標準的出現，20世紀90年代初取得了**次重大突破。MPEG壓縮標準基于NASA噴氣推進實驗室巡航導彈開發的圖像識別研究。隨后在1993年，又出現了MPEG-2標準，進一步刺激了這方面的開發。MPEG與國際電信聯盟（ITU）的視頻編碼專家組的合作項目*終產生了H.264標準，也稱為MPEG-4Part10/AVC。這種壓縮技術不僅使HDTV廣播成為可能，從經濟角度看也更加可行。

    HDTV的工作原理

    由于分辨率是標準模擬TV分辨率的5倍，HDTV實現了圖像質量的一個巨大飛躍。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廣播系統采用三個主要參數進行識別：幀大小、掃描系統和幀速率。

    幀大小

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

    傳統電視通常以704x576i或704x480i進行廣播，HDTV上的可視信息是它的2-5倍。

    掃描

    有兩種掃描技術：隔行掃描和逐行掃描，分別用字母i和p加以識別。

    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量的方法引入的，并很快在傳統的模擬電視機中得到普及。簡單地說，這種技術把每個幀分為兩個所謂的場。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，從而實現了更高的刷新速率，減少閃爍，改進移動圖像。

    然而，隔行視頻也有一些不足。例如，如果物體移動的很快，當捕捉每個單獨場時，它們將處于不同位置。這可能導致所謂的移動偽象。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，它們才會出現。另一個可能的問題稱為行間抖動，當圖像中包含的垂直細節大小接近于這種視頻格式的水平分辨率時就會出現這個問題。

    使用逐行掃描可以避免這些限制。這種技術以單幀捕捉、傳輸和顯示圖像中的所有行。逐行進行掃描，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立的場，因此實際上沒有“閃爍”效果。

    在監控應用中，這對瀏覽移動圖像（如正在跑動的人或正在移動的車輛）中的細節非常重要。這種技術的另一個優勢就是可以使用單幀來制作papercopies，質量幾乎同照片一樣。例如，如果材料被作為法院的證據，這就顯得至關重要。當然，這些潛在優點必須與逐行掃描的更多帶寬要求進行權衡。

    左側，全幅JPEG圖像（704x576像素）來自使用隔行掃描的模擬攝像機。右側，全幅JPEG圖像（640x480像素）來自使用逐行掃描技術的安訊士網絡攝像機。兩個攝像機使用同類鏡頭，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量（fps）。對于隔行掃描系統，這一數量通常指場率，這意味著幀數量通常是場數量的兩倍，因為每幀是兩個場。

    歷史上，*棘手的一個問題是關于適合的幀/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，這很大程度上是因為電源供給的頻率，這反過來又影響了圖像穩定性。盡管如此，兩個系統都遵從HDTV，因此也滿足視頻監控的全幀速率要求。

    HDTV標準化

    MPEG-1壓縮標準的引入為數字TV奠定了基礎，并且刺激了現代TV標準在全球范圍內的開發。

    當今，*重要的HDTV標準機構是美國電影電視工程師協會（SMPTE）。該組織是電影、電視、視頻和多媒體的標準開發和權威實踐領域公認的全球***，目前已定義了兩個*重要的標準：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的數字壓縮方法，一條模擬TV頻道的帶寬足以傳輸高達5個常規數字TV頻道，或使用逐行掃描的兩個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，這就實現了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在視頻監控中的優勢

    采用逐行掃描時，具有HDTV性能的網絡攝像機實現了真色彩表示和清晰的圖像，即使對象快速移動。這使得HDTV成為那些需要更多圖像細節的監控場所*具吸引力的一個解決方案，如零售店、機場、入境護照檢查、娛樂場和高速公路。

    這種質量發展是人們一直苦苦追尋的目標，然而直到視頻壓縮技術發展到一定水平時才得以實現。H.264標準是一個需要許可證才能使用的開放標準，可降低數字音頻文件的大小，同時不會影響圖像質量。與MotionJPEG格式相比，數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的經濟性，H.264有望比以前的壓縮標準采用范圍更廣泛。

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

    HDTV基于方塊像素，類似于計算機屏幕，因此來自網絡視頻產品的HDTV視頻既可以在HDTV屏幕上顯示，也可以在標準計算機監視器上顯示。然而，在逐行掃描HDTV視頻中，當視頻由計算機處理或在計算機屏幕上顯示時，不需要應用轉換或去隔行技術。

    結論

    高清電視帶來的圖像質量改進已經得到廣泛認可，并且帶來了極大消費市場需求。類似趨勢也同樣出現在傳統視頻監控市場中。符合HDTV的網絡攝像機能夠提供遵從國際標準的分辨率、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量圖像的監控環境的**吸引力的解決方案。

    HDTV優勢一覽

    國際標準

    出色的圖像質量

    *低25/30幀速率容量

    高分辨率

    色彩保真度

    16:9屏幕縱橫比