張黎敏 劉虹君 韋勝鈺 蔡 佳

1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610 2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評價與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室，廣東 廣州 510610

超高清視頻是具有4K（3 840×2 160 像素）或8K（7 680×4 320 像素）分辨率，在色深、色域、幀率、分辨率、三維聲和動態(tài)范圍六大維度上實現(xiàn)突破的新一代視頻技術(shù)[1]。超高清視頻涉及攝錄編碼、內(nèi)容制作、網(wǎng)絡(luò)傳輸、終端呈現(xiàn)等多個環(huán)節(jié)[2]，不僅能夠提供更精細(xì)的圖像細(xì)節(jié)，推動顯示、傳輸?shù)认嚓P(guān)行業(yè)的迭代更新，還在AI、5G、云計算等新一代信息技術(shù)的支持下，拓展了在廣播電視、安防應(yīng)急等領(lǐng)域的融合應(yīng)用。

為了扶持超高清視頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，國家相繼發(fā)布了一系列政策法規(guī)。《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2019—2022 年）》明確提出要在安防監(jiān)控等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超高清視頻的規(guī)?；瘧?yīng)用；《中國安防行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃（2021—2025 年）》提到要加快5G 等移動通信技術(shù)的落地，為超高清攝像功能提供支持，并基于AI 技術(shù)，推進(jìn)安防智能化深度應(yīng)用；《5G應(yīng)用“揚帆”行動計劃（2021—2023 年）》明確提出加快推進(jìn)5G 技術(shù)在超高清視頻監(jiān)控、智慧應(yīng)急終端等產(chǎn)品在城市安防、應(yīng)急管理方面的應(yīng)用，建設(shè)實時精準(zhǔn)的安防體系。超高清視頻、5G、AI 等技術(shù)和安防應(yīng)急協(xié)同發(fā)展，安防應(yīng)急將變得更清晰、更快速、更智能[3]。

2020 年超高清視頻行業(yè)應(yīng)用規(guī)模已超9 800 億元，其中安防監(jiān)控占比達(dá)19%。2021 年我國超高清視頻產(chǎn)業(yè)總規(guī)模達(dá)2.45 萬億元，推動超高清視頻+安防應(yīng)急融合應(yīng)用朝規(guī)模化方向快速發(fā)展。

1 安防應(yīng)急行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)容

安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)鏈可分為上游、中游和下游3 個部分。上游涉及算法、芯片和其他精細(xì)零部件，其中算法主要包括內(nèi)容識別、軌跡預(yù)測、圖像增強等AI 算法和視頻編解碼算法，芯片包括ISP、IPC SoC、DVR SoC、NVR SoC、GPU 等視頻管理芯片，零部件則涉及光學(xué)鏡頭、圖像傳感器和存儲器。中游包括智能安防應(yīng)急軟硬件、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)處理和運營服務(wù)，其中軟硬件主要包括超高清攝像機、存儲錄像、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)仍O(shè)備，大數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)挖掘和海量數(shù)據(jù)并行處理，運營服務(wù)根據(jù)用戶群的不同可分為針對家庭及中小企業(yè)的通信運營商，以及針對政府或大型企業(yè)會場的服務(wù)提供商。下游則是在城市、行業(yè)和家庭中的應(yīng)用，如智慧城市、智慧交通、智慧車站、智能家居等領(lǐng)域。

1.2 安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)布局

我國主要在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的“珠三角”“長三角”“環(huán)渤海”三大地區(qū)形成安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，其中，珠三角是以研發(fā)生產(chǎn)為主的中上游企業(yè)群；長三角匯聚了安防應(yīng)急行業(yè)巨頭和高新技術(shù)企業(yè)群；環(huán)渤海集成了應(yīng)用、軟件及服務(wù)企業(yè)，三大集群共占據(jù)我國安防產(chǎn)業(yè)2/3 以上的市場份額。

1.3 安防應(yīng)急行業(yè)發(fā)展情況

安防應(yīng)急行業(yè)正經(jīng)歷由“看得見”到“看得清”再到“看得懂”的飛躍，2021 年，中國安防行業(yè)總產(chǎn)值已超9 000 億元，隨著超高清視頻技術(shù)不斷深入安防監(jiān)控、應(yīng)急無人機和指揮車等領(lǐng)域，安防應(yīng)急行業(yè)“超高清時代”加速到來。2022 年8 月，工業(yè)和信息化部辦公廳、國家廣播電視總局辦公廳發(fā)布了《關(guān)于公布超高清視頻典型應(yīng)用案例名單的通知》，共104 項覆蓋六大領(lǐng)域的超高清視頻典型應(yīng)用案例入選，其中安防領(lǐng)域入選13 項。安防應(yīng)急行業(yè)正逐漸利用超高清視頻技術(shù)節(jié)省人力物力，賦能千行百業(yè)，并在保障人民財產(chǎn)、生命安全等方面發(fā)揮越來越重要的作用。

2 超高清視頻在安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

超高清視頻依賴其高動態(tài)范圍、大覆蓋范圍和高分辨率技術(shù)，解決了安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)復(fù)雜環(huán)境下攝錄的關(guān)鍵信息丟失、大視角監(jiān)控難以滿足、監(jiān)控視頻事后分析耗時耗力等痛點問題，提高了事前預(yù)警和事后應(yīng)急的處理效率，推動了安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

2.1 超高清視頻記錄復(fù)雜場景關(guān)鍵信息

光線高反差場景在日常生活中極為常見，如陽光下的陰影、夜晚明亮的燈光、車庫門打開時照進(jìn)的陽光等。在這些場景中，攝像機感知和鑒別細(xì)節(jié)的能力取決于同時處理場景中高亮部和暗黑部的圖像處理能力。當(dāng)強光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等亮度較低的區(qū)域在圖像中同時存在時，市面上絕大多數(shù)攝像機輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色的現(xiàn)象，導(dǎo)致拍攝的圖像質(zhì)量較差，嚴(yán)重影響信息的提取與分析。

標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍技術(shù)和高動態(tài)范圍技術(shù)[4]能夠分別呈現(xiàn)1 000 cd/m2和100 000 cd/m2的亮度顯示范圍，因此，憑借高動態(tài)范圍技術(shù)，超高清視頻能夠同時增強圖像對高亮部分和低照度部分的表現(xiàn)能力，拍攝的圖像也能夠具備更多、更豐富的亮度層次。在現(xiàn)實情況中，配備標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍技術(shù)的安防攝像機拍攝到的圖像中人臉、肢體等部位會出現(xiàn)死黑，導(dǎo)致無法直接辨認(rèn)關(guān)鍵信息。而在配備了高動態(tài)范圍技術(shù)的攝像機拍攝到的圖像中，夜間辦公大樓的室內(nèi)高亮部分不再因為曝光過度而完全喪失影像細(xì)節(jié)，人臉等低照度部分信息也得以保留。超高清視頻的高動態(tài)范圍技術(shù)能夠清晰記錄光線高反差場景，避免關(guān)鍵信息的丟失，為后續(xù)智能算法處理或人工判斷記錄更全面的畫面信息。

2.2 超高清視頻提供大覆蓋范圍監(jiān)控

大型會議活動場館或者大流量場所均具備規(guī)模大、人員密集、組織工作煩瑣、持續(xù)時間長、情況多變等特點[5]，容易引起公共安全事件，需要可靠且穩(wěn)定的技術(shù)手段來確?；顒拥捻樌_展。現(xiàn)實中通常采取布置足量攝像機的做法，以實現(xiàn)場景全方位覆蓋。但多相機系統(tǒng)之間相互獨立，因此需要處理如遮擋、形變等共性難題，另外，多相機的維護(hù)成本也是居高不下。

超高清視頻同時具備高分辨率與大覆蓋范圍的特點，在兼顧畫面細(xì)節(jié)的同時，能夠解決大場景的監(jiān)控問題。一臺4K 超高清攝像機與4 臺高清攝像機的視野覆蓋范圍相同。在廣州市黃埔區(qū)“透明舊改”施工現(xiàn)場，部署的超高清攝像機能夠?qū)P塵防控、施工安全及建筑施工質(zhì)量等現(xiàn)場情況進(jìn)行全面拍攝，并與具備大帶寬特性的5G 技術(shù)相結(jié)合[6]，免除了多相機接線供電、布線傳輸?shù)葻┈嵅僮?，大大減少攝像機的布控數(shù)量，實現(xiàn)錄制影像實時全天候不間斷傳輸，滿足超高清的實時監(jiān)控需求，有效防范施工風(fēng)險。此外，結(jié)合搭載攝像機的移動設(shè)備，如搭載相機的無人機、無人指揮車等，實現(xiàn)靈活布控現(xiàn)場的同時，還能以廣闊觀察視野對目標(biāo)進(jìn)行全方位觀測跟蹤，豐富指揮調(diào)度手段，增強大型場所的應(yīng)急響應(yīng)能力。

2.3 超高清視頻實現(xiàn)監(jiān)控視頻智能快速分析

執(zhí)法部門使用的大多是傳統(tǒng)的安防攝像機，分辨率普遍為200 萬～300 萬像素，還受限于低動態(tài)范圍、遮擋等因素影響，直觀展現(xiàn)的多是模糊、重要細(xì)節(jié)辨認(rèn)不清的畫面效果，工作人員直接獲取有用信息的難度較大，需要耗費大量的時間和人力進(jìn)行圖像處理，導(dǎo)致相關(guān)部門難以開展下一步的行動。

超高清視頻的分辨率可以達(dá)到800 萬像素以上，在交通、車站場景中，4K 超高清攝像機拍攝的汽車車牌和品牌等信息清晰可見，闖紅燈、闖閘等違法行為也更易被識別記錄，而高清攝像機拍攝的有關(guān)車輛身份信息模糊、難以辨認(rèn)。此外，超高清攝像機能夠記錄行人的微小動作、面部的細(xì)微特征、設(shè)備的微小動態(tài)等細(xì)節(jié)，為畫質(zhì)增強、目標(biāo)識別分類、有效數(shù)據(jù)提取挖掘等AI分析提供更為詳細(xì)的畫面信息[7]，進(jìn)而實現(xiàn)可疑人員迅速跟蹤預(yù)警、安全事故高危場所監(jiān)測預(yù)警、森林火災(zāi)監(jiān)測等智能操作。在緊急情況發(fā)生時，還可通過無人機、LED 拼接大屏等設(shè)備實時反饋的超高清畫面做出應(yīng)急反應(yīng)，提高應(yīng)急效率。

3 超高清視頻在安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展與展望

雖然超高清視頻為安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)提供了高分辨率、高幀率的監(jiān)控視頻，但激增的視頻數(shù)據(jù)量對傳輸、存儲、算力、安全等方面提出了高要求。在這個“萬物互聯(lián)”的智能時代，任何技術(shù)都無法單獨實現(xiàn)爆炸式發(fā)展，超高清視頻也不例外，需要視頻編解碼、5G、AI 算法等技術(shù)的支持和保障來實現(xiàn)超高清視頻在安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)中高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

（1）加速視頻編解碼算法的發(fā)展和應(yīng)用。4K 超高清視頻數(shù)據(jù)量已經(jīng)是高清視頻數(shù)據(jù)量的4 倍，錄制20 min 未經(jīng)壓縮的8K 超高清視頻需要的存儲空間更是高達(dá)4 TB[8]，所以需要視頻編解碼技術(shù)來提高壓縮效率，同時也需要考慮可能出現(xiàn)的畫質(zhì)損傷及傳輸延遲。目前，面向安防應(yīng)急領(lǐng)域的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)主要有國外的H.264、H.265、H.266，以及國內(nèi)的AVS、AVS2、AVS3 和SVAC 1.0、SVAC 2.0[9]，3 種 標(biāo) 準(zhǔn)新版本的出現(xiàn)意味著壓縮效率的提升。由于國內(nèi)不同行業(yè)關(guān)注點不同，目前應(yīng)用較為成熟的是H.265、AVS2 及SVAC 1.0，隨著各編解碼設(shè)備的連通性與兼容性不斷優(yōu)化完善，更加適用于超高清視頻的H.266、AVS3、SVAC 2.0 將得到進(jìn)一步推廣。

（2）加強網(wǎng)絡(luò)傳輸建設(shè)。超高清視頻數(shù)據(jù)量的激增引發(fā)了傳輸難題，除了需要研發(fā)高效的視頻編解碼算法外，還需要大傳輸帶寬?，F(xiàn)有的4G 技術(shù)難以承載超高清視頻的傳輸需求，需探索并發(fā)揮5G 的大帶寬、低延時、超可靠優(yōu)勢，實現(xiàn)從監(jiān)控畫面采集到顯示終端呈現(xiàn)全過程的穩(wěn)定快速傳輸。未來，隨著信息技術(shù)的不斷突破，5G 及未來演進(jìn)的6G 技術(shù)將推動安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)走向現(xiàn)實與虛擬的交互融合，近眼應(yīng)急顯示裝備、一體式安防應(yīng)急設(shè)備、數(shù)字孿生智慧交通等有望得到進(jìn)一步發(fā)展。

（3）加快AI 算法與云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術(shù)的融合應(yīng)用。超高清視頻使得本地的數(shù)據(jù)量和計算需求急劇增加，需要額外的技術(shù)來保障監(jiān)控視頻有效信息的提取與長時間存儲。AI 算法具有視頻特征提取與內(nèi)容理解優(yōu)勢，結(jié)合云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚，從而方便AI 算法對監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、挖掘、訓(xùn)練和推理。此外，還可以考慮將AI 芯片內(nèi)置在超高清攝像機中，利用邊緣計算技術(shù)將算力前移，使得監(jiān)控攝像機具備一定的分析識別能力，從而減少延遲和帶寬消耗，解放傳輸設(shè)施和云端的資源。

4 結(jié)語

超高清視頻技術(shù)已應(yīng)用于安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)的視頻監(jiān)控、大型會場監(jiān)管、監(jiān)控信息分析等細(xì)分領(lǐng)域，使得夜間監(jiān)控畫面更清晰、監(jiān)控細(xì)節(jié)更豐富，大視角監(jiān)控更輕松實現(xiàn)，監(jiān)控視頻智能分析價值更高。未來，隨著超高清視頻和5G、AI 等新技術(shù)的進(jìn)一步融合，安防應(yīng)急產(chǎn)業(yè)將得到長足發(fā)展。