文/ 徐童静 华为机器视觉
9公斤的一个“铁疙瘩”，售价2000美金，在1968年的消费电子展（CES）上吸睛无数，让人们纷纷感叹科技的力量。至此，第一代商用移动电话已初具雏形。但无线通信，仅有移动设备是远远不够的，没有规范的通信标准，就无法实现连接与沟通。在移动通信的发展过程中，每隔十多年就会出现新一代的通信标准。20世纪80年代2G降临，数字电路替代模拟电路，在摩尔定律的影响下，手机越做越小，收发短信更迅捷便利。3G的通信标准将信息的传输率提高了一个数量级，使得移动互联网得以实现，用手机网上冲浪成了用户的一大需求。4G时代，扁平的网络结构减少了端到端通信时信息转发的次数，同时增加了基站之间光纤的带宽。人们直观的感受是网速快了，对各种应用软件的需求日益增长，后来千元智能机的出现更是引爆了移动互联网，让人和人的联结更为紧密。
对于我们日常生活的大部分场景来说，4G是可以满足需求的，但在人群密集、高并发的情况下，难免会出现网络拥堵的状况。这使我想起在拥挤的地铁口等候排队的时候，刷不开的网页让等待变得更煎熬。随着人工智能的演进，越来越多的智能设备被使用，我们需要更高的带宽、更流畅的体验，5G应运而生。截至2020年6月，据TeleGeography的数据，全球已有82个5G商业网络，预计到2020年年底，这一数字将增加一倍以上，达到206个。中国拥有全球最大的5G市场，本土拥有多家5G设备厂商，引领着全球5G产业的发展。可以预见未来10年将是5G高速发展的时代。
一、5G驱动视频向高清、全联接、智能化发展
依据5G网络超高带宽、低时延、高可靠、海量连接的特点，ITU-R已于2015年6月定义了未来5G的3大类应用场景：增强移动带宽（eMBB）、超高可靠低时延通信（URLLC）和海量物联（mMTC）。不同行业的开发者根据不同的方向与场景，在各自领域挖掘5G的行业价值，打造丰富的产品与应用。
1.5G为高清视频提供基本网络能力
视频的高清晰度可以带来高质量视频体验，而视频分辨率是影响清晰度的主要因素。随着网络带宽、端侧设备能力的提升，主流视频的分辨率将逐渐从2Mb上升到4K、8K。在2015年NGMN发布的白皮书中将HD Video/Photo Sharing作为高密度宽带接入的主要场景之一。而除了满足人眼查看的高清体验，还要满足让机器“看懂”的需求同样驱动高质量视频与通信技术的升级。同样场景下分别用4K和2Mb摄像机拍摄，4K摄像机将输出高于2Mb摄像机近4倍的有效像素点，使得画面更为真实，且足够多的信息量可支撑更多的智能分析任务与获得更高的识别准确率。在网络能力上，5G网络的大带宽能力为4K/8K高清视频提供基本条件，让高清视频实现实时传输。
2.5G为“万物互联”奠定了基础
随着IoT广泛应用，物和物之间的通信需要支持融合互通。5G技术引入了体积小、耗能低的微基站，这种基站可以安装部署在城市的任何位置，可以安装到路灯、信号灯、商场、住房等地方。每个基站可以从其他基站接收信号并向任何位置的终端发送数据。信号接收均匀、承载量大的特点将极大推动机器间的通信，让更多的终端设备可以纳入网络中，如车载设备、无人机、穿戴式设备、工业机器人等终端会成为5G时代下视频感知的重要载体。预计到2023年，短程物联网终端设备的连接量将达到近百亿。此外5G网络支持依据终端设备对时延、带宽、连接数、安全性等不同方面的要求，将5G物理组网虚拟成多个子网，满足各种终端设备对网络带宽、时延的不同需求。这也将进一步促进5G在各行业落地，实现更多元化的应用。5G不仅实现了“巅峰速率”，更是为“万物互联”奠定了基础。
3.5G为智能业务的全覆盖提供保障
由于5G具有大带宽、高可靠、低时延、海量连接等优点，让AR/VR在安防领域的应用从理论走向现实。通过5G的低时延等特性与计算机视觉的结合，可推动机器人从简单执行向人机协同生产升级，加速工业互联网的实现。5G的低时延与海量连接感知可以实现车与车、车与路之间的通信，为AI算法提供多维数据，为辅助驾驶、无人驾驶提供技术。通过5G无线技术提供的大带宽，可以解决有线覆盖难的安防场景：广大偏远地区、地形复杂地区、不易布线的厂矿港口、重大活动应急保障等场景都可以通过5G实现视频业务覆盖。
二、5G摄像机规模商用的考虑
5G时代到来，智能手机出现了与之适配的5G版，视频领域的众厂商也先后推出5G摄像机。那是否在原有的摄像机外置或者内置5G模块，就能实现5G摄像机的规模商用，实现立体化的5G点位覆盖呢？
这要从5G空口特点讲起，移动通信中，数据在无线网络上是以帧（Frame）为单位进行传输的，5G NR（New Radio）无线帧和子帧的长度固定，每帧10毫秒，每个子帧（Subframe）时长为1毫秒。5G NR有更加灵活的架构，即时隙（Slot）和字符的长度可根据子载波间隔灵活定义，支持不同的场景和业务类型。由于5G主流场景业务需求，目前5G经典时隙配比为4∶1（DDDSU）和8∶2（DDDDDDDSUU），下行速率大于上行，如上行高突发量易导致上行数据积压。
区别于消费类业务，在行业数据传输中，大部分场景是需要将终端的数据实时和源源不断地传输到中心平台。5G在安防行业中的应用也是以上行传输为主，同时传统摄像机1帧具有高数据量突发的特点，瞬时带宽可以是平均带宽的10~30倍。因此，随着4K/8K的高分辨率设备逐渐上量，5G摄像机的规模商用会面临挑战。
能否从5G摄像机的设计上减少瞬时上行的带宽压力呢？我们可以从如下几个方面进行考虑：
1优化智能编码技术，提高视频压缩比
目前5G基站上行带宽在300M，总带宽随半径非线性衰减且衰减明显。按传统编码方法来看，室外宏站场景200米内仅可接入6~8路1080P摄像机，60%的区域仅能接入2~3路，要解决问题必须有相应的编码技术，压缩上行码流。
图1
在标准上，2013年ITU正式推出新一代的视频压缩标准HEVC（H265），最高支持压缩分辨率为8K的超高清视频，3GPP在Release12版本也将HEVC编解码纳入3GPP标准中。此外，华为HoloSens机器视觉在H265的基础上也进行了优化，推出了基于AI的ROI编码H265+，有效提高视频压缩比，I帧峰值下降40%，同条件下5G摄像机接入数量可增加2~3倍。
2优化算法，节省带宽
随着前端智能化的普及，越来越多的摄像机具有智能能力，智能功能实现对抓拍提出了更高的要求，传统模式下的智能抓图功能对带宽的要求超高，甚至可能超过原视频本身。通过深度学习算法区分图片前景和背景，对背景区域进行量化压缩，前景维持不变，再进行JPEG编码。一方面可节省30%左右的带宽，同时可保证图像质量；另一方面加上智能图像关联，同场景中大小图配比关联优化，可降低大图传输频率，图片传输带宽仅为之前的40%，节省整体智能应用所需带宽。
3保持视频流畅
遵循新一代传输协议，在最高10%的丢包率的情况下保持视频流畅。传统有线网络视频传输采用TCP协议，在网络信道条件好的时候，速率抬升很慢。在5G网络无线信道变化很快的情况下，TCP协议这种“慢启动”方式不能充分利用5G网络的能力。同时传统TCP在丢包的情况下会降速，从而导致视频卡顿。Fillp传输协议（Fill up the Pipe，smartly）是新一代传输协议，FillP传输协议是保留保去的，它和TCP一样对上层具有兼容性，也跟TCP一样兼容标准TLS。由于TCP是3次握手加TLS的2次握手，共计是5次握手，但是FillP传输协议在这种建链和拆链的情况下进行相关的优化，把整个流程变为两次握手就能拆链，因此在实践上比TCP+TLS效能更高。可智能利用可用带宽，在丢包的情况下仍能保障视频/大文件的流畅传输。
随着5G摄像机等垂直行业终端设备的普及，并逐步成为5G应用重要场景，5G NR的灵活架构会成为有利的优势。届时，根据上行多发的特征调整覆盖扇区内的时隙比例，5G的大带宽、广连接能力将全面释放。
图2
三、机器视觉在5G时代前景广阔
1应用分析
5G网络的大带宽、高可靠、低时延、海量物联的能力融合人工智能、云计算、大数据和边缘计算等各类技术，可以将应用场景从政府、环保、综合治理扩展到港口、矿山、电力、工业等千行百业。5G网络物理上是一张网，但逻辑上通过网络切片，可以为不同行业提供差异化的服务，例如在智慧环保方面就有非常典型的应用。利用5G视频监控可实现对农村大范围区域内的7×24小时不间断秸秆禁烧监管，结合视频智能分析系统，实时分析秸秆燃烧可疑事件，并对值守人员进行火情告警推送，大大减少空气污染与火灾发生。
2场景落地方向
结合当前5G落地的商业场景，我们认为5G将在如下十大场景加速落地：
（1）智慧要事安保：立体防控、要事管控；
（2）智慧城市综治：市容环境整治、隐患检测、施工场地监控；
（3）智慧港口：龙门吊，集卡远程操控、港口监控；
（4）智慧矿区：挖掘机，矿卡远程操控；
（5）智慧出行：智慧公交、智慧机场、路害监控；
（6）智慧环保：蓝天卫士、环保检测；
（7）智慧消防：视频巡检、告警联动、移动指挥；
（8）智慧制造：远程监控、AOI检测、AGV物流、巡检辅助；
（9）智慧配电房：配电房管理；
（10）智慧物流：车辆运输监控。
图3
回顾过去，4G时代出现了智能手机这一新物种，引爆了移动互联网、方便了人和人的连接。展望不远的未来，5G时代，华为认为未来的十年是机器视觉为感知入口的物联网的十年，它的核心就是要驱动行业数字化。未来的十年，华为将紧紧抓住5G时代，打造机器视觉，抢占万物感知入口，真正引爆行业数字化。
1897年，行驶在大西洋上的“圣保罗”号邮轮发出了一连串“嘀、嘀、嘀”的电报声，瞬间划破寂静长空。来自150公里外的怀特岛发来的无线电报标志着“移动通信”的诞生，世界移动通信的序幕由此拉开。斗转星移，每一次通信技术的更迭，都改变了人们的生活，时至2020年，5G元年开启，人类群星闪耀的时光未完待续。