21世紀(jì)之初，安防電視監(jiān)控系統(tǒng)開始從模擬系統(tǒng)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方向發(fā)展，并在近十年的發(fā)展過程中取得了輝煌的碩果。如今，隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化電視監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展與普及，人們又把安防電視監(jiān)控系統(tǒng)新的發(fā)展目標(biāo)定位在高清化、智能化方向，國(guó)內(nèi)幾大安防媒體多次推出與安防電視監(jiān)控“高清化”有關(guān)的主題，很多廠商也在大力宣傳其高清IP攝像機(jī)、高清DVR。那么，安防電視監(jiān)控高清究竟可以“高”到什么程度？

    顧名思義，高清指視頻監(jiān)控圖像的清晰度更高了。但由于“高”字在含義上僅僅是通過比較而得出的相對(duì)結(jié)論，并沒有（也無法）直接給出“高”的程度，因此，在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域，曾多次出現(xiàn)了“高清”的說法，但每一次“高清”所描繪的圖像清晰程度不盡相同。比如，安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)剛剛開始數(shù)字化時(shí)，數(shù)字圖像的分辨率僅僅是相當(dāng)于VCD質(zhì)量的352×288像素（10萬像素級(jí)），后來當(dāng)有廠家推出相當(dāng)于DVD質(zhì)量的704×576像素（40萬像素級(jí)）的DVR時(shí)，即號(hào)稱推出了“高清”監(jiān)控系統(tǒng)，其實(shí)這種“高清”系統(tǒng)的前端攝像機(jī)并沒有實(shí)質(zhì)的改變，僅是裝于PC中的視頻采集卡可以采集704×576像素幅面的圖像并進(jìn)行壓縮；然而，如今的IP高清監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)是百萬像素級(jí)，甚至是幾百萬、千萬像素級(jí)。那么監(jiān)控圖像的分辨率究竟達(dá)到多少像素才算是真正的“高清”呢？

高清的“相對(duì)論”
    從某種意義上說，高分辨率的圖像傳感器、IP攝像機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展確實(shí)使“高清”的含義變得模糊，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)視頻傳輸不受傳統(tǒng)電視制式的限制，因此“高清”紀(jì)錄一再被打破，屢創(chuàng)新高。然而，為了對(duì)“高清”有個(gè)相對(duì)明晰的概念，還是應(yīng)該從傳統(tǒng)電視制式說起。

    事實(shí)上，從上世紀(jì)初黑白電視正式播出開始，傳統(tǒng)電視掃描格式就固定到525/60和625/50這兩種格式上，此后一直沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化。這兩種電視掃描格式分別被采用60Hz電源頻率的國(guó)家和采用50Hz電源頻率的國(guó)家所選用，其中我國(guó)選定的即是對(duì)應(yīng)于50Hz電源頻率的625/50格式，也即每幀圖像掃描行數(shù)為625行（其中含50行逆程回掃，正程掃描行數(shù)為575行），分為奇偶兩場(chǎng)掃描，場(chǎng)頻為50Hz。即使后來出現(xiàn)了彩色電視，為了與黑白電視兼容，其掃描格式也并沒有發(fā)生變化，比如，我國(guó)PAL制電視的掃描格式仍為625/50，彩色電視與黑白電視的主要差別僅是其將彩色信息以頻譜交錯(cuò)（頻分復(fù)用）的方式加入到黑白電視的頻譜中，不同彩色電視制式的差別則主要體現(xiàn)在對(duì)彩色信息的處理方式上。[nextpage]

    然而，人們對(duì)于電視技術(shù)的追求是不斷的，因此，當(dāng)電視從黑白變到彩色后，日本NHK技研所就開始了下一代電視的研究，并將其命名為高品質(zhì)電視（High Vision），后經(jīng)國(guó)際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR，ITU-R的前身）批準(zhǔn)，最終將該格式更名為高清晰度電視（High Definition Television，簡(jiǎn)稱HDTV），其最初的幅型比（畫面寬高比）為5:3，最終確定在16:9，分辨率超過現(xiàn)有電視的4倍。

    從上世紀(jì)末葉起，全世界掀起數(shù)字化浪潮，廣播電視也開始了數(shù)字化進(jìn)程，并再次形成了三大數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，即歐洲的DVB、美國(guó)的ATSC和日本的ISDB。由于數(shù)字電視對(duì)源信號(hào)的取樣都是遵循ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上也因此對(duì)標(biāo)清和高清達(dá)到了共識(shí)。我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視（SDTV）的分辨率為720×576像素，而高清晰度電視（HDTV）的分辨率為1920×1080像素。

安防領(lǐng)域的高清監(jiān)控
    新的電子成像及顯示技術(shù)以及數(shù)字視頻壓縮處理技術(shù)使得數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)控圖像的“質(zhì)量”上得到了充分的保障，從而使視頻圖像的清晰度有了實(shí)質(zhì)性的提高：從最初僅相當(dāng)于VCD質(zhì)量的352×288像素（CIF分辨率），到如今相當(dāng)于DVD質(zhì)量的704×576像素（4CIF分辨率）或相當(dāng)于SDTV質(zhì)量的720×576像素（D1分辨率），并可能在不久的將來達(dá)到HDTV質(zhì)量的1920×1080像素或面向家庭的高清格式——HDV格式的1440×1080像素及1280×720像素。筆者了解到，來自某DVR設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)正在研制分辨率可達(dá)1920×1080像素的安防視頻監(jiān)控用高清晰度硬盤錄像機(jī)；而筆者于2008年4月去山東省某知名安防企業(yè)考察時(shí)，該企業(yè)的技術(shù)總監(jiān)也表示其研發(fā)部門已在研發(fā)用于安防監(jiān)控領(lǐng)域的分辨率為1280×720像素的逐行掃描高清晰度網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。如今，在各類安防媒體（期刊、網(wǎng)站、展覽會(huì)、發(fā)布會(huì)）上，除了上述所列的高清分辨率外，還有1280×1024像素、1366×1080像素、1366×720像素等非廣電傳承格式。

    需要說明的是，在上述諸類高清格式中，還經(jīng)常會(huì)有720p、1080i、1080p等標(biāo)注，其中p指的是逐行掃描，而i指的是隔行掃描。傳統(tǒng)電視由于受頻譜資源（傳輸帶寬）的限制而采用了隔行掃描方式，如今對(duì)于數(shù)字電視體系來說，這種因素仍然存在。不過，由于以一行行的平行掃描線構(gòu)成的光柵掃描系統(tǒng)在垂直方向上并不能令人眼真的能看清所有掃描線，而是要以Kell系數(shù)來評(píng)價(jià)，其中逐行掃描的Kell系數(shù)可達(dá)0.9左右，而隔行掃描的Kell系數(shù)只有0.7左右，因此720p與1080i格式的人眼視在垂直分辨率的差別并不是很大，1080p格式則具有最高的垂直分辨率并占用最多的傳輸或存儲(chǔ)資源。[nextpage]

    需要注意的是，對(duì)于高清DVR/DVS/NVR來說，高清監(jiān)控圖像的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)標(biāo)清監(jiān)控圖像的數(shù)據(jù)量，因而會(huì)占用更多的硬盤存儲(chǔ)空間、更多的傳輸帶寬。特別是，在閉路電視監(jiān)控領(lǐng)域，高清晰度電視監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施應(yīng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及到前端攝像機(jī)能否給出如此高分辨率的數(shù)字視頻信號(hào)以及后端監(jiān)視器能否真正完整地顯示該高清視頻圖像的問題，因?yàn)槟壳霸陔娨暠O(jiān)控領(lǐng)域中使用的攝像機(jī)的分辨率還不足以達(dá)到高清晰畫面的要求（很多所謂的“百萬像素”攝像機(jī)經(jīng)由BNC端口輸出的仍是現(xiàn)有模擬電視掃描參數(shù)的視頻信號(hào)，并不能達(dá)到高清晰度電視規(guī)格的掃描行數(shù)和信號(hào)帶寬；即使經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸且還原后在高分辨率顯示器上去顯示，其原始像素?cái)?shù)也不及高清晰度電視要求的200萬像素），這與對(duì)現(xiàn)有模擬電視監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字化改造的情況是不同的。

    另外還需要考慮系統(tǒng)的傳輸、記錄及顯示部分，因?yàn)橹挥姓麄€(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都是“高清”的，才能徹底打通系統(tǒng)瓶頸，人們最終才能在監(jiān)視器（或顯示器）上看到高清晰的圖像。雖然“百萬像素”網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（多為130萬像素左右，少數(shù)可達(dá)200萬甚至300萬以上）輸出的數(shù)字壓縮視頻可直接經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸并可最終在高清顯示器上顯示，但還原為模擬視頻送入監(jiān)視器時(shí)就又回到了現(xiàn)有電視監(jiān)控圖像的清晰度水平。表1列出了幾種不同分辨率所對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)，這也是攝像機(jī)中CCD或CMOS圖像傳感器至少必須提供的有效像素?cái)?shù)。

數(shù)字視頻的原始分辨率與視在分辨率
    視在分辨率是指人眼在觀看監(jiān)視器/顯示器時(shí)所能感覺的分辨率，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)多以攝像機(jī)及監(jiān)視器的可分辨線數(shù)（TV Line）來表示，比如420線、480線、540線、600線，等等，它是指攝像機(jī)在拍攝垂直黑白線條時(shí)，在水平方向相應(yīng)于垂直屏高的區(qū)間內(nèi)所能分辨出的黑白線條數(shù)。理論上，每1MHz視頻信號(hào)帶寬可提供約78線的分辨率（常簡(jiǎn)記為80TVL/MHz）。這樣，對(duì)于能夠有效輸出6MHz視頻信號(hào)的攝像機(jī)來說（我國(guó)彩色電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的視頻信號(hào)帶寬是6MHz），其最高分辨率只有不到480線。不過，由于閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信號(hào)是在“閉路”環(huán)境中傳輸，不像開路廣播電視或有線電視那樣受調(diào)制后的8MHz射頻帶寬的限制，因此，攝像機(jī)可以輸出高達(dá)7~8MHz的視頻信號(hào)，那么在高分辨率的監(jiān)視器上就可能顯示出600線左右的分辨率了。

[nextpage]    對(duì)于數(shù)字視頻來說，表1所列的像素分辨率只表示攝像機(jī)所能輸出的理論上最大原始像素分辨率，其中704×576和720×576這兩種分辨率分別對(duì)應(yīng)528線和540線的理論最大視在分辨率，然而它們與其最終顯示時(shí)的視在分辨率并沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是因?yàn)榘卜酪曨l監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)字視頻信號(hào)在記錄或傳輸時(shí)都是采用了有損壓縮方式（無論是按MPEG-4還是H.264標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼），壓縮比越大，圖像解碼還原后的損傷就越大，并且，不同的碼率控制方法對(duì)數(shù)字視頻的影響也不同，因此其在監(jiān)視器上表現(xiàn)的視在分辨率就達(dá)不到與原始像素分辨率對(duì)應(yīng)的最大視在分辨率了。當(dāng)然，在一般情況下，攝像機(jī)的原始像素分辨率越高，其輸出的數(shù)字視頻信號(hào)在顯示時(shí)的視在分辨率就越高。

國(guó)際上對(duì)超高清的研究
    其實(shí)，在高清晰度電視監(jiān)控系統(tǒng)之后，還會(huì)有更高清晰度。因?yàn)?，日本早已?0年前就有人開始研究在高清晰度電視普及之后的下一代更高清晰度的電視——分辨率可達(dá)3840×2160像素的超高清晰度電視（Ultra-high Definition TV，簡(jiǎn)稱UDTV）技術(shù)了，并已取得了一定的成果。至少，在此類超高清晰的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)問世前，分辨率高達(dá)4096×2160像素的超高清晰數(shù)字顯示技術(shù)已經(jīng)付之實(shí)用（關(guān)于超高清源信號(hào)的獲得，則是先由膠片攝影機(jī)拍攝，再通過專有設(shè)備轉(zhuǎn)為高清數(shù)字信號(hào)），這就是在數(shù)字電影領(lǐng)域的“4K”顯示技術(shù)。日本索尼公司早在2004年6月就發(fā)布了兩款可用于數(shù)字影院的“4K”投影機(jī)，并于兩個(gè)月后在中國(guó)國(guó)際廣播電視技術(shù)展覽會(huì)（BIRTV 2004）上進(jìn)行了展示。它采用了硅晶體反射顯示技術(shù)，除了畫面的寬高比進(jìn)一步提高外，該投影機(jī)還具有很高的對(duì)比度。這種“4K”投影機(jī)不僅可應(yīng)用于數(shù)字電影的放映，還可用于多重高清晰度電視圖像的同時(shí)顯示（在1個(gè)屏幕上同時(shí)顯示多個(gè)高清晰的視頻圖像）。

    數(shù)字電影與數(shù)字電視在技術(shù)層面上采用的處理手段幾乎是相同的，只是在一些特殊環(huán)節(jié)中的技術(shù)指標(biāo)要求有所不同。2006年5月，日本NHK和NTT甚至實(shí)現(xiàn)了7680×4320像素、原始碼率高達(dá)24Gb/s的MPEG-2實(shí)時(shí)壓縮編碼傳輸實(shí)驗(yàn)，以40:1的壓縮比、640Mb/s的碼率在千兆以太網(wǎng)環(huán)境下取得了良好的傳輸及重現(xiàn)效果。圖1顯示出了在相同像素大小及像素間距時(shí)不同分辨率畫面的畫幅大小。

[nextpage]    由圖1可見，作為當(dāng)今電視監(jiān)控系統(tǒng)中主流分辨率的D1畫幅（圖中左上角處）在分辨率達(dá)7680×4320像素的最新超高清畫幅的映襯下顯得多么渺小、多么不清晰，因此也不難想象，如果將D1分辨率的畫面與最新超高清畫面均以同樣大小的屏幕面積來顯示，那么后者顯示的畫面將會(huì)是多么的細(xì)膩！如此說來，當(dāng)將高清晰度電視技術(shù)（特別是如果能將最新超高清晰度電視技術(shù)）引入到電視監(jiān)控領(lǐng)域時(shí)，那么對(duì)于諸如金融系統(tǒng)的電視監(jiān)控畫面來說，在較大的監(jiān)視范圍內(nèi)，不僅能看清整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的所有人物，甚至連鈔票的面值、單據(jù)的數(shù)字以及當(dāng)事人物的面部特征等細(xì)節(jié)也可以清晰地顯示了；“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“社會(huì)治安動(dòng)態(tài)預(yù)警、綜合防控技術(shù)體系研究與示范”項(xiàng)目中有關(guān)智能視頻與生物特征識(shí)別（人臉識(shí)別）的研究課題中，也必將會(huì)因原始監(jiān)控圖像清晰度的提高，而將對(duì)于全景監(jiān)視或大視場(chǎng)監(jiān)視的圖像中的目標(biāo)識(shí)別率提高到接近理想的程度。

    事實(shí)上，在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域，已確有廠家推出了標(biāo)稱像素?cái)?shù)高達(dá)1600萬（4872×3248像素）的高清攝像機(jī)，在同等顯示分辨率的情況下，一臺(tái)這樣的高清攝像機(jī)所固定監(jiān)視的區(qū)域（可視覆蓋面積）即大致相當(dāng)于40臺(tái)普通清晰度攝像機(jī)（4CIF或D1圖像質(zhì)量）的監(jiān)視區(qū)域，也就是說，若將其監(jiān)視畫面中任意約1/40的小區(qū)域放大到滿屏顯示時(shí)，其顯示時(shí)的視在分辨率與一臺(tái)普通清晰度攝像機(jī)輸出滿屏圖像時(shí)的分辨率相當(dāng)。或者，將其監(jiān)視畫面中占比例極小的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取出來，即足以達(dá)到智能視頻分析或人臉識(shí)別系統(tǒng)所要求的目標(biāo)原始圖像清晰度。

    （本文作者楊磊：中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院教授，數(shù)字媒體技術(shù)系主任，中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)工作委員會(huì)委員，中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，公安部全國(guó)安全防范報(bào)警系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC100）特聘專家，中國(guó)人民公安大學(xué)公安部安全防范與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。）