高清监控摄像机关键技术分析

　 《中国有线电视》2019（ 01）

　CHINA DIGITAL CABLE TV ·摄录编播·

　中图分类号：

　TN948 ．

　41

　文献标识码：

　A

　文章编号：

　1007-7022 （

　2019 ）

　01-0084-04

　DOI：

　10. 12071 / ccatv. 2019-01-026

　 高清监控摄像机关键技术分析

　 □李育林 （ 黄冈师范学院新闻与传播学院，湖北 黄冈 438000）

　摘

　要：

　介绍了高清电视技术指标、各种高清格式在 10 bit 量化时的传输码率以及 H. 265 视频编码标 准。分析了高清监控摄像机的高像素、宽动态、全景、透雾、星光、智能 6 个方面的关键技术。

　关键词：

　监控摄像机； 宽动态； 透雾； 星光

　 Key Technology Analysis of HD Surveillance Cameras □LI Yulin （

　College of Journalism and Communication ， Huanggang Normal College ， Huanggang 438000 ， China ）

　Abstract ：

　This paper introduces the technical specifications of HDTV ， the transmission rate of various HDTV formats at 10 bit quantization and H. 265 video coding standard. The key technologies of high －

　definition sur- veillance camera ， including high －

　pixel ， wide dynamic ， panoramic ， fog penetration ， starlight and intelli- gence，are analyzed. Key words：

　surveillance cameras； wide dynamic； fog penetration； starlight

　櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗

　明显的。

　（

　2 ）

　人才问题。对

　于

　我

　们

　县

　级

　台，太

　缺

　专

　业

　人

　才

　了。本次引入大屏幕包装显示系统，从软件版面上看， 功能很强大，但在现实使用中，我们无法真正操控，我 们日常只能使用一些最基本的功能，说到底是我们制 作人员技术水平较低，跟不上时代发展。

　定，节目的质量有很大的提升，如何更好地运用新系统 还有一段较长的学习提升过程。

　参考文献：

　［ ］ 高 勇． 县级电视台新闻演播室的灯光设计与 改造［J］． 广电实战，2017，（ 12）

　：

　27． 在本次演播室的改造中，我们还配置了高清系统 ［2］ 宋 键，郭常宏，李昌和． 山东广播电视台卫星 摄像机及周边设备，我台信号采集块实现高清化，因播 出系统依然是标清系统，导致节目的制作环节还是以 标清信号为主，我们能采用高清拍摄，下变换为标清进 入编辑系统，一定程度提升了节目的画面质量。

　目前，新的演播室已运行 6 个月，系统整体运行稳 频道 250 平米演播室高清改造［J］． 现代电视技 术，2013，（ 01）

　：

　88 － 89． ［ 3 ］

　吴

　晔

　华．

　HDTV 演

　播

　室

　灯

　光

　系

　统

　工

　艺

　设

　计

　实

　践

　［J］ ． 现代电视技术，2003，（ 04）

　：

　40 － 42. ［收稿日期：

　2018-12-09］

　 作者简介：

　李育林（

　1961 －

　 84

　 ）

　，男，教授，主要从事广播电视技术研究，E-mail：

　liyulin@ hgnu. edu. cn。

　www. ccatv. com

　 《中国有线电视》2019 年第 01 期

　李育林：

　高清监控摄像机关键技术分析

　0

　引言

　表

　2

　各种高清格式在 10 bit 量化时传输码率 高清电视摄 像 机 是 从 标 清 电 视 摄 像 机 发 展 而 来 的，以高清晰度、宽动态范围、广色域空间、人工智能化

　格式

　传输方式 传输码流 / （ Mbit. S

　－ 1

　）

　等特点，深受

　广

　大

　用

　户

　的

　青

　睐，并

　广

　泛

　应

　用

　在

　广

　播

　电

　视、航空航天、公共安全等部门。随着科学技术的不断 进步，高清电视摄像机的性能将进一步提高，应用高清 电视摄像机的部门会越来越多。但由于各部门的特殊 需要，促使生产厂家定制生产种类繁多的高清电视摄 像机，适合城市、社区、校园等安全防范的，是一种高清 监控摄像机。

　1 高清监控摄像机的关键技术 高清监控摄像机与高清电视摄像机相比较，有很 1 440 × 720

　1 920 × 1 080

　 1 920 × 1 080

　1 920 × 1 080

　1 920 × 1 080

　1 920 × 1 080 60P

　24P

　 25P

　50i

　30P

　60i 1 440 × 720

　1 920 × 1 080 1 920 × 1 080

　1 920 × 1 080 1 920 × 1 080

　1 920 × 1 080

　1 920 × 1 080 1 920 × 1 080

　1 920 × 1 080 60P

　24P 24Psf

　25P 25Psf

　50i

　30P 30Psf

　60i 1 106

　995 995

　1 037 1 037

　1 037

　1 244 1 244

　1 244 多技术（

　如高像素、宽动态等）

　是相同的，但

　由

　于

　监

　控

　不分昼夜、不

　论

　天

　气

　等

　特

　殊

　性，有

　不

　少

　技

　术

　（

　如

　透

　雾、

　星光等）

　是不同的，在相同或不同的众多技术中，本文 仅讨论其中的高像素、宽动态、全景、透雾、星光、智能 6 个方面的关键技术。

　从表 2 可以看出，高清监控摄像机最高像素是 200 万，但随着 Exmor CMOS 等新一代技术的引入，近几年 相继推出了 400 万、600 万、800 万、1 200 万等高像素的 摄像机。如 4 K（ 3 840 × 2 160）

　超高清摄像机是 1 080 P （ 1 920 × 1 080）

　高清摄像机像素的 4 倍，用 4 K 超高清 ［2］ 1. 1 高像素 视频编码标 准 是 高 清 摄 像 机 中 很 重 要 的 技 术 指 高像素是高清监控摄像机非常关键的技术，是监 控画面清晰度高低的重要参数，是区别标清监控摄像 ［1］

　（

　ITU ）

　制定了

　高

　清

　电

　视

　技

　术

　标

　准

　（

　ITU －

　Ｒ BT. 7093 ）

　，

　如表 1 所示。

　标，在 H. 264 视 频 编 码 标 准 基 础 上，国 际 电 信 联 盟 （ ITU）

　于 2013 年 2 月又推出了 H. 265 视频编码标准， 它保留了 H. 264 标准中的部分技术，也采用了大量全 新的技术，同时对诸如编码质量、码流优化、延时和算 法复杂度之间的关系加以改进，目前达到了最优化设 置，如提高鲁棒性的错误恢复能力、提高压缩效率、减 表

　1 国际电信联盟推荐的高清电视技术标准参数 少信道获取时间、减少实时和随机接入时延、降低复杂 参数名称 每行有效样点数 每帧有效扫描行数 取样结构 像素形状 画面宽高比 技术标准 1 920 1 080 正交取样 方形像素 16：

　9 度等。由于 H. 265 编 码 方 式 使 高 压 缩 比 的 视 频 信 号 能 在 低 码 流 下 传 输，所 以 高 清 晰 度 图 像 只 需 占 用 H. 264 一半的带宽，就可实现无损传输。同时，H. 265 支持 4 K 超高清视频信号，并只需 1 ～ 2 Mbps 的传输 速率

　传

　送，在

　同

　等

　内

　容

　质

　量

　传

　输

　上

　显

　著

　减

　少

　带

　宽

　消

　［3］ （ 7 680 × 4 320）

　超高清监控摄像机的最佳选择。

　每帧扫描行数 1 125 1. 2 宽动态 垂直扫描类型

　垂直扫描频率

　取样频率 逐行（ P）

　或 2：

　1 隔行（ i）

　扫描 隔 行 （ i ）

　59. 94 /50 /60 场； 逐 行 （ P ）

　23. 976 /24 /25 帧。

　亮度：

　74. 25 MHz； 色度：

　37. 125 MHz。

　宽 动 态，又 叫 高 动 态 范 围 HDＲ （ High Dynamic Ｒange）

　。是高清电视摄像机在同一场景下，适应最高 ［4］ 说，动态范围指的是画面中最大亮度与最小亮度的比 标称带宽

　亮度：

　30 MHz； 色度：

　15 MHz。

　量化电平

　8 bit 或 10 bit 表

　1 中的大写字

　母

　P 表

　示

　逐

　行

　扫

　描，小

　写

　字

　母

　i

　表示隔行扫描。如果量化电平选择在 10 bit，各种高 清格式的传输码率如表 2 所示。

　值。如果摄像机的动态范围有限，一旦亮度超过了摄 像机的动态范围，电视画面要么死黑，要么泛白，导致 画面缺少层次。为了扩展摄像机的动态范围，人们想 出了很多办法。下面介绍其中的 3 个办法。

　办法一，双帧合成宽动态。它是在一个电荷耦合 器件

　CCD （

　Charge Coupled Device ）

　上

　的

　每

　一

　点

　（

　感

　光

　www. ccatv. com 85

　 李育林：

　高清监控摄像机关键技术分析

　单元）

　同一时间内曝光两次，第一次曝光长（

　快门慢）

　，

　第二次曝光短 （ 快门快）

　。所以每一点都有 两 个 数 据 输出

　（

　叫 “ 双

　输

　出

　CCD ” ）

　，利

　用

　数

　字

　信

　号

　处

　理

　DSP （

　Digital Signal Processing ）

　特有的图像处理算法，将两

　幅图像当中亮度适当的部分分别切割下来，然后进行 叠加合成，并

　输

　出

　一

　幅

　明

　暗

　区

　域

　都

　清

　晰

　可

　见

　的

　图

　像。

　但是，双帧合成宽动态效果不够理想。随着 DSP 和互 补金属氧化物半导体

　CMOS （

　Complementary Metal Ox- ide Semiconductor ）

　技术

　的

　成

　熟， DPS 采

　用

　的

　是

　每

　一

　个

　感光单元单独曝光和控制技术，加上利用 CMOS 采集 的多帧画面合成一幅完整图像的线性叠加，相比 CCD 的两次曝光成像有了更高的动态范围。

　办法二，进行动态对比度控制。其实质是拐点控 制技术的运用，只不过是用到了多个拐点来分别进行 控制。在实际拍摄过程中，针对不同的景物亮度设置 ［5］ 点位置的选择和斜率大小的控制，可根据场景的明暗 由摄像机系统自动设置和优化。自动拐点控制模式光 － 电转换特性曲线（ PAL 制式）

　如图 1 所示。

　《中国有线电视》2019 年第 01 期

　监控摄像机； 第二类是多镜头拼接式全景监控摄像机。

　鱼眼式全景监控摄像机，是配置了鱼眼镜头的摄 像机。鱼眼镜头是一种超短焦镜头，也叫超广角镜头， 鱼眼镜头的水 平 视 角 和 垂 直 视 角 均 可 达 到 180°。因 此，配置鱼眼镜 头 的 摄 像 机 可 以 实 现 360° 全 覆 盖、无 死角的监控效果。由于鱼眼镜头视角大，监控范围广， 用一台鱼眼式全景摄像机，可以取代 3 ～ 4 台普通摄像 机。但由于鱼眼式全景摄像机采用的是超短焦镜头，尽 管通过鱼眼镜头所形成的图像视域范围很大，但鱼眼镜 头也有一些问题，如被摄物体在画面中的比例都非常 小，周边被摄物体所形成的画面畸变都很大，人们观看 这种畸变的图像往往很不习惯，且画面的周边细节不够 丰富，如果畸变很严重时，周边细节将无法获得。

　多镜头拼接式全景监控摄像机，是在摄像机内集 成多个镜头，并完成多镜头的图像拼接，最后直接输出 180°全景画面。与鱼眼式全景摄像机相比较，多镜头 拼接式全景摄像机主要有 3 大优势：

　一是画面畸变小， 这种微小的畸变能被人们接受； 二是清晰度高，只要增 加镜头数量就可满足清晰度的需求。因多镜头拼接后 的总像素是多镜头像素相加之和，多镜头拼接式全景 摄像机基本上没有像素的限制； 三是焦距和场景的选 择更加自由。但是，多镜头拼接式全景摄像机也有其 技术缺陷，如多个镜头有多个拍摄角度，这就意味着要 面对不同的光照环境，加大了曝光、白平衡、动态范围 图

　1 自动拐点控制模式光一电转换特性 曲线（ PAL 制式）

　等控制与图像处理难度。

　1. 4 透雾 受雾、雨、雪、沙尘等恶劣自然天气以及各种光污 从图 1 可以看出，有多个拐点和白压缩斜率，通过 对所拍摄画面的高亮度区域的检测，自动调整多个拐 点和斜率，从而实现具有一定智能的白压缩功能。由 于其智能化及自适应的特点，在高清电视摄像机中得 到广泛应用。

　办法

　三，引

　入

　混

　合

　对

　数

　伽

　玛

　HLG （

　Hybrid Log Gamma）

　［6］ 。HLG 是由 BBC 与 NHK 共同提出的一种 高动态

　范

　围

　标

　准，支

　持

　10 bit 量

　化

　和

　最

　大

　亮

　度

　4 000 nit。HLG 曲线可用数学公式表达，如式（ 1）

　所示。

　0 ≤ E ≤ 1 1 ＜ E 式（

　1 ）

　中：

　E" 是电平信号， E 代表光照强度。变量

　r 为

　参考电平，一般取值为

　0. 5 。常量

　a 、 b 、 c 取值分别为：

　a = 0. 178 832 77 ， b = 0. 284 668 92 ， c = 0. 559 910 73 。

　染、大气气溶胶等人为造成的非正常环境的影响，造成 监控摄像机的成像效果大大降低，为了在恶劣环境下 提高成像效果，目前主要采用的透雾技术是光学透雾 和算法透雾。

　光学透雾，又叫红外线光学透雾，是利用近红外线 可以绕射微小颗粒的特性实现物理透雾。它采用针对 红外波段成像特殊优化的镜头，通过滤光片对特定近 红外波段光线进行截取，从而利用雾气中的红外光进 行成像。光学透雾对于雾气的穿透力非常强，成像效 果好。但由于可见光波长较短，无法穿透云雾和烟尘 等，因此，光学透雾只能得到黑白监控图像。

　算法透雾，是利用视频图像增强技术，根据物理上 雾霾等影响图像质量的特征，复原出无雾霾的清晰图 像。算法透雾能够保留图像原有色彩，大幅度提升图 1. 3 全景 像透雾效果，但其透雾效果不及光学透雾，只适合在雾 高清监控摄像机不仅要把图像拍的更清晰，还要 把图像拍的更全，这样才能使监控的范围更大。因此， 需要运用全景高清监控摄像机来完成全景拍摄。全景 高清监控摄像机主要分为两类：

　第一类是鱼眼式全景 霾比较小的时候使用。算法透雾常见的算法有：

　影像 信号处理（ LSP）

　算法； 基于全局的 Ｒetinex 图像增强算 法，即视频增强算法； 基于 FPGA 成像算法以及直方图 均衡化的算法等。

　86 www. ccatv. com

　 《中国有线电视》2019 年第 01 期

　由于光学透雾和算法透雾各有优缺点，所以人们 把这两种透雾技术结合在一起灵活使用，并根据实际 使用场景来选择透雾技术，如雾较小时采用算法透雾， 雾很大时开启光学透雾。

　李育林：

　高清监控摄像机关键技术分析

　图等。这里 主 要 谈 两 个 方 面 的 智 能：

　一 是 机 器 内 部 “自我”诊断； 二是机器外部视频与音频识别。

　机器内部“自我”诊断，主要是针对视频图像出现 的模糊、黑屏或画面冻结等常见的摄像头故障，以及摄 1. 5 星光 像机变焦不灵、补光无效和云台失控等电路或机械故 星光技术，是在只有星光的夜晚也能看清监控场景 ［7］ 是等于或小于 0. 001 Lux。超星光级摄像机对光线照度 的要求更低，在彩色模式、黑白模式的最低照度要求分 别是

　0. 000 2 Lux 、 0. 000 1 Lux 。当红外灯开启时，最低

　照度是 0 Lux。星光级照度监控技术，从原理上看，主要 是图像传感器、镜头光圈以及后端图像处理技术等。

　图像传感器（

　Sensor ）

　常用的是

　CMOS ，由于

　CMOS 技术取得突破，从传统的前照式 CMOS 到现在的背照式 CMOS。传感器的工作原理进行了调整，主要是调整了 传感器的内部结构，使光线通过透镜后能直接到达感光 层，从而使传感器的灵敏度有了大幅度的提高，在星光 障，机器内部进行“自我”诊断，并及时自检报警。

　机器外部视频与音频识别，主要针对的是图像识 别，而音频识

　别，往

　往

　是

　进

　行

　音

　频

　异

　常

　侦

　测

　与

　主

　动

　报

　警。对于图像识别，可分静态图像识别与动态图像识 别两种情况来分析。静态图像识别，是通过图像识别、 图像比对及模式匹配等技术，实现对静态场景中的人、 车、物等相关特征信息的提取、分析与判断。动态图像 识别，使用的是移动侦测技术，通过摄像机按照不同帧 率采集的图像，按照一定的算法进行计算和比较，当画 面有变化时（ 如人走动、车流动、物移动等）

　，计算比较 结果得出的数值就会超过阈值，并指示系统自动做出 相应的处理。

　中依然能获得清晰的图像。另外，图像传感器靶面面积 2 结束语 与成像质量成正比，图像传感器靶面面积越大，则其单 位像素的进光量越多，抑制噪波点的能力越强，成像画 面质量越好。因此，尽量选用大靶面的图像传感器。

　镜头光圈影响进光量与画面景深，它的大小与图像 ［8］ 量开大光圈，以保证图像的亮度达到基本要求。但是， 光圈越大，景深越小，过大的光圈自然会影响到监控场 高清监控摄像机的关键技术不仅仅是上面分析的 6 种技术，还有很多技术（ 如 PoE 供电技术、反篡改技 术、无线传输技术等）

　都没有涉及，为适应电视监控超 高清、超星光、超视角等方面的要求，相信人们必将研 发出新一代技术更先进的监控摄像机。

　参考文献：

　景纵向景物清晰的范围。因此，要根据实际场景来调节 ［ 1 ］

　田金茂，李

　新，彭

　湃，等． 视频监控系统图像 镜头光圈值，不能为了进光量一味地增大光圈。

　后端图像处理技术，主要是采用 3D 降噪技术，它 清晰度检 测 标 准 化 方 法 的 探 讨［J］． 中 国 标 准 化，2018，（8）

　：

　236 － 238． 是在

　2D 算法的帧内降噪基

　础

　上，通

　过

　对

　前

　后

　两

　帧

　的

　［2］ 罗 超． 看监控摄像机的 4K 之道［J］． 中国共 图像进行对比筛选处理，找出噪波点位置，对噪波点进 行增益控制，降低噪波点干扰。由于图像噪波点随机 出现，所以每

　一

　帧

　图

　像

　出

　现

　的

　噪

　波

　点

　位

　置

　是

　不

　同

　的，

　公安全，2017，（8）

　：

　82 － 83． ［3］ 徐剑烈． H． 264 向 H． 265 的数字视频压缩技术升 级研究［ J ］．

　数字通信世界， 2017 ，（ 7 ）

　：

　13 －

　16 ．

　3D 降噪技术，是通过对比相邻的几帧图像，将不重叠 ［4］ 刘 羽． 高清电视摄影技术［M］． 北京：

　中国传 的噪波点自动滤出，使图像清晰透彻。

　媒大学出版社，2015． 1. 6 智能 在高清监控摄像机中运行的智能技术，是人工智 ［5］ 王潇潇． 视频监控摄像机宽动态性能检测技 术 浅析［J］． 电子测试，2017，（24）

　：

　40 － 41． 能技术在视频领域方面的应用，通过语音识别、图像识 ［6］ 冯 宁，宋

　利，解

　蓉． HDＲ / WCG 关键技术 别、机器诊断等技术分析，得出监控摄像机自身和外部 视频的有用信息，其目的不仅是让机器“看”得 清 楚， 分析及标准化进展［ J ］．

　电视技术， 2018 ，（

　2 ）

　：

　10 － 17． “读懂”图像内容，更主要的是让人眼看得 清 楚，分 析 ［7］ 汤 捷． 视频监控高清摄像机技术分析及展望 更深入，决策更正确。目前，智能摄像机逐渐形成了三 ［J］． 信息与电脑，2016，（14）

　：

　21 － 22． 个大的发展方向：

　智能功能前置化、智能数据结构化、 ［8］ 杨 真，徐士彪，孟维亮，等． 基于快速引导滤波 智能图像增强化。主要的智能功能有：

　支持动态检测； 遮挡检测； 虚焦侦测； 区域入侵； 拌线入侵； 物品遗留； 物品搬移； 场景变更； 徘徊检测； 人员聚集； 快速移动； 非法停车； 音频异常侦测； 人脸侦测； 客流量统计； 热度 w

　ww. ccatv. com 的景深实 时 渲 染 方 法［J］． 中 国 体 视 学 与 图 像 分析，2017，（2）

　：

　216 － 223． ［收稿日期：

　2018-11-19］

　 87

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