IP監(jiān)控面對具有挑戰(zhàn)性的戶外環(huán)境時會存在圖像質量和帶寬管理兩方面的問題，為此筆者就紅外照明對帶寬的影響進行了研究，目的是用量化的方法證明在IP監(jiān)控系統(tǒng)中運用紅外照明的優(yōu)點。測試結果顯示，在一定范圍的低照度條件下，紅外照明使圖像傳輸比特率大幅下降，只有原來的幾分之一，下降幅度在70%-91%。測試結果證實了紅外照明通過降低圖像噪聲來降低比特率，從而提高網絡性能，比特率降低同樣也會減少所需的網絡存儲量。

    在美國拉斯維加斯安防行業(yè)協(xié)會2007國際安防大會（美國西部國際安防展）上，Extreme CCTV憑借Black Diamond紅外照明技術榮獲“最佳視頻設備創(chuàng)新獎”。該獎項強調在任何條件下保持高質量圖像的必要性，即便是在條件惡劣的夜間和低照明環(huán)境中也不例外。

    雖然紅外照明是一種經過現(xiàn)場驗證的技術，夜視性能高，它除了用于現(xiàn)今的各種監(jiān)控視頻應用場合外，還令人驚訝地涉足了另一個領域：帶寬管理。如今紅外照明可用于降低比特率，因此正逐漸成為提高基于IP的安防系統(tǒng)中網絡性能的必備技術，其能同時降低帶寬和存儲需求，已遠遠不止是夜視的必備技術。

    因此，研究的目的是證實和量化紅外照明對帶寬的影響。

    為了理解為什么要用比特率來考量紅外照明的效果，有必要先了解一下壓縮算法的基本工作原理。基本的壓縮原理是去除多余信息，以降低文件大小，所有壓縮都需要在圖像質量和文件大小之間采取折衷。壓縮率越高，則文件越小，但圖像質量也越差；相反，壓縮率越低，則圖像質量越高，但文件會更大。

    如今通用的壓縮工具通常包括JPEG、MPEG或M-JPEG，都稱為有損壓縮算法。它們采用以下兩種削減原則之一：
·無關削減：除去部分肉眼看上去不明顯的視頻信號，如細微顏色變化；
·冗余削減：除去相同幀或不同幀中的重復信息，如大量相同區(qū)域中的顏色或固定對象。

    因此，由AGC引起的噪聲會對如今在IP攝像機上廣泛使用的壓縮算法產生干擾，更準確地說，壓縮算法將AGC增強圖像上的雪花和顆粒理解為有用信息（如圖像細節(jié)或移動），因此無法通過無關削減或冗余削減來去除雪花和顆粒感，所以夜間圖像的壓縮程度較低，文件通常也更大。從這個角度來說，顯示夜間性能、壓縮和比特率之間有著直接的聯(lián)系。

    一開始，最便捷的修復方法似乎可以采用禁用AGC，該策略確實是降低了比特率，但它以犧牲圖像細節(jié)為代價。這樣會生成質量很差的夜間圖像，更有甚者圖像可能根本無法使用。顯然，監(jiān)控系統(tǒng)的夜間性能對于有效的安防工作是至關重要的。

    確保基于IP的系統(tǒng)具備有效夜間性能的最佳解決方案是在現(xiàn)場應用紅外照明，為IP攝像機提供適當數(shù)量的紅外照明將確保夜間圖像信號增強、噪聲降低，此類情況下，不必啟用AGC，并且壓縮機理能有效工作。[nextpage]

紅外照明用于IP－基礎
    無論是模擬還是數(shù)字攝像機，實際上幾乎所有CCTV攝像機在照明良好的日間環(huán)境下都能生成可用的監(jiān)控圖像。然而，由于如今的安防系統(tǒng)都需要全天候監(jiān)控，因此夜間性能才是確定總體系統(tǒng)有效性的決定性因素。

    實際上，CCD和CMOS圖像傳感器是設計應用于有照明的環(huán)境，并在此過程中生成畫面或視頻，如果沒有照明，則不會有任何畫面?，F(xiàn)今許多攝像機的環(huán)境照度等級都非常低，往往在0.1lux范圍內，雖然這些攝像機的規(guī)格數(shù)據(jù)表明在低照度時能執(zhí)行有效操作，但一般安防行業(yè)的人都知道低照度環(huán)境會產生有高噪聲、低質量的圖像。

    隨著照度下降，對帶寬的需求就會相應上升，這通常用術語“比特率”來表示，其定義為網絡在一秒內所需的帶寬。一般來說，當所有其它因素都不變時，日間成像需要的帶寬低于夜間成像。

    為了理解低照度對帶寬要求更高的原因，必須考慮AGC（自動增益控制），這是一種在低照度條件下增加信號強度的攝像技術。AGC的工作原理很簡單，就是放大圖像信號，但結果是既放大了視頻信號也放大了噪聲。當某個場景照度較低時，AGC會啟動，同時圖像噪聲也隨之增加。

    而隨著照度越來越低，AGC會大幅增加，結果在過程中產生更多噪聲。由于存在雪花和顆粒感，最終生成的夜視圖像模糊不清。此類情況下，對于靜態(tài)固定圖像，比特率可能是日間比特率的許多倍，這樣提高了圖像質量，但使文件更大，并伴隨細微的顏色變化。

    大多數(shù)應用場合中，通常會根據(jù)各種應用要求來更改幀率和分辨率。例如，如果網絡帶寬或存儲空間不足，則常用的策略是降低幀率或分辨率。

    然而，這種方法也存在缺點。犧牲幀率和分辨率會導致低質量的“鋸齒形”視頻，從而錯過安防事件關鍵時刻的記錄。此外，低幀率和分辨率往往會導致視頻分析軟件無法運行，對于高級別關鍵安防項目，更好的策略是提高存儲能力和帶寬，以便保持監(jiān)控視頻的完整性。

    額外增加的主動紅外照明，通過為攝像機提供“不可見”光進行監(jiān)控，用高逼真度的夜視取代了有噪聲的夜間圖像，且不會觸發(fā)增益模式，帶寬需求也保持在與日間差不多的水平。

測試結果
    表1總結了試驗結果。
    表2測試總體結果。[nextpage]

 
    圖1為在試驗中采集的圖像樣例。

結論
    比較從低照度場景（<1勒克斯）到采用良好紅外照明的場景中紅外照明的效果時，測試顯示出比特率下降范圍在48%到91%之間。降低幅度的變化可能主要是由于受環(huán)境可見照度的影響。測試結果表明，當環(huán)境照明條件比較好時，比特率下降幅度不明顯，即紅外照明對視頻帶寬影響較小。一般情況下，測試中獲得的結果明確證實了紅外照明是促使低照度條件下降低比特率的工具。

    從根本上來說紅外照明就是一種光。盡管人眼看到的是一片漆黑的場景，而看不到紅外照明，但紅外照明是現(xiàn)代監(jiān)控攝像機可用于生成圖像的一種形式的光。準確地說因為紅外照明本身就是光，它防止生成噪聲圖像，也隨之防止了會導致高比特率的一串事件的發(fā)生。測試結果顯示，低噪聲圖像（即可視為高質量的圖像）較之噪聲（低質量）圖像要求的帶寬要低得多。

    根據(jù)研究，筆者發(fā)現(xiàn)回到了基礎問題，IP領域亦不例外，實現(xiàn)良好監(jiān)控的基礎是全天候生成優(yōu)質圖像。所有網絡系統(tǒng)的設計都是從攝像機或鏡頭組合開始的，而它們將是任何網絡系統(tǒng)性能的決定因素。此外，雖然市場正朝向數(shù)字圖像平臺發(fā)展，圖像優(yōu)質的原則仍保持不變，事實上優(yōu)質圖像在設計CCTV系統(tǒng)時所占份量越來越重要。

    雖然上述研究關注的是比特率，但紅外照明的使用從邏輯上來說也會影響到存儲量。由于比特率和存儲要求之間有著直接聯(lián)系，因此可以得出結論：對于降低IP視頻應用中的存儲需求，紅外照明會是一項有效的策略。這個問題特別重要，因為磁盤空間是CCTV安防系統(tǒng)中最昂貴的部分之一。（本文作者Hamish Dobson現(xiàn)任博世安保有限公司Extreme CCTV視頻監(jiān)控產品經理）