Ｈ．２６４視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用【摘要】本文介紹了ITUT最新高性能視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的需求。從編碼效率和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面討論了H.264中所采用的新技術(shù)，最后介紹了它在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】H.264視頻編碼視頻監(jiān)控編碼效率網(wǎng)絡(luò)1引言隨著人們對生活和工作環(huán)境的平安性要求的不斷進(jìn)步，平安防范系統(tǒng)的重要性就越來越突出。其中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富的特點(diǎn)越來越受到人們的重視，使其成為平安防范系統(tǒng)的重要組成局部。近年來，隨著多媒體技術(shù)、視頻壓縮編碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的開展，網(wǎng)絡(luò)化的全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)迅速崛起，成為了監(jiān)控市場的主流。其核心技

2、術(shù)視音頻編碼技術(shù)，從H.261視頻編碼建議，到H.2623，PEG124等標(biāo)準(zhǔn)，都在盡可能地降低碼率(或存儲容量)以獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。隨著對圖像傳輸需求的增加，在盡可能低的存儲情況下獲得好的圖像質(zhì)量和低帶寬圖像快速傳輸已成為視頻壓縮的兩大難題。由IEIE和ITUT兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手制定的視頻標(biāo)準(zhǔn)H.264有效地解決了這一問題。H.264和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是DP加變換編碼的混合編碼形式。但它采用“回歸根本的簡潔設(shè)計(jì)，不用眾多的選項(xiàng)，獲得比以往視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)好得多的壓縮能。同時(shí)H.264加強(qiáng)了對各種信道的適應(yīng)才能，采用“網(wǎng)絡(luò)友好的構(gòu)造和語法，有利于對誤碼和丟包的處理。2視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開展

3、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：在九十年代初以前，主要是以模擬設(shè)備為主的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，稱為第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)。九十年代中期，隨計(jì)算機(jī)處理才能的進(jìn)步和視頻技術(shù)的開展，人們利用計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)處理才能進(jìn)展視頻的采集和處理，利用顯示器的高分辨率實(shí)現(xiàn)圖像的多畫面顯示，從而大大進(jìn)步了圖像質(zhì)量，這種基于P機(jī)的多媒體主控臺系統(tǒng)稱為第二代數(shù)字化本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)。九十年代末，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算機(jī)處理才能和存儲容量的快速進(jìn)步，以及各種實(shí)用視頻處理技術(shù)的出現(xiàn)，視頻監(jiān)控步入了全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，稱為第三代遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為依托，以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲和播放為核心，以智能實(shí)用的

4、圖像分析為特色，引發(fā)了視頻監(jiān)控行業(yè)的技術(shù)革命，受到了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和使用部門的高度重視。3H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)優(yōu)勢由于H.264在制定時(shí)就充分考慮了多媒體通信對視頻編解碼的各種要求，并借鑒了H系列和PEG系列視頻標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，因此具有明顯的優(yōu)勢。結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)對視頻編解碼技術(shù)的要求，H.264的優(yōu)勢表如今以下三個(gè)方面：3.1壓縮率和圖像質(zhì)量方面H.264通過對傳統(tǒng)的幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、變換編碼和熵編碼等算法的改良來進(jìn)一步進(jìn)步編碼效率和圖像質(zhì)量。3.1.1塊的大小可變在運(yùn)動估計(jì)時(shí)，可以靈敏地選擇塊的大校在宏塊(B)劃分上，H.264采用了166，168，816，88四種形式；當(dāng)劃分為88

5、形式時(shí)，又可進(jìn)一步采用84，48，44三種子宏塊劃分形式)進(jìn)一步劃分，如圖1所示。這樣做既可以使運(yùn)動物體的劃分更加準(zhǔn)確，減小運(yùn)動物體邊緣的銜接誤差，又可以減小變換過程中的計(jì)算量。當(dāng)對較大的平滑區(qū)域采用Intra_1616的幀間預(yù)測方式時(shí)，為減小小尺寸變換帶來的塊間灰度差異，H.264采用了對亮度數(shù)據(jù)的16個(gè)44塊的D系數(shù)進(jìn)展第二次44變換，對色度數(shù)據(jù)的4個(gè)44塊的D系數(shù)進(jìn)展22變換的方式。3.1.21/4像素精度的運(yùn)動估值在H.264中通過6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得1/2像素位置的預(yù)測值。當(dāng)1/2像素值獲得后，通過取整數(shù)像素位置和1/2像素位置像素值均值的方式獲得1/4像素位置的值。采用高精度

6、運(yùn)動估計(jì)會進(jìn)一步減小幀間預(yù)測誤差，減少了經(jīng)變換和量化后的非比特?cái)?shù)，進(jìn)步了編碼效率。3.1.3多參考幀運(yùn)動估值以往的編解碼技術(shù)在對P幀(場)圖像進(jìn)展幀間預(yù)測時(shí)，只允許以前一個(gè)I圖像或P圖像為參考幀，對B圖像進(jìn)展預(yù)測時(shí)只允許以前后兩個(gè)I圖像或P圖像為參考圖像。H.264那么打破了這些限制，允許在RefereneBuffer中的多個(gè)圖像中選取一個(gè)(P預(yù)測方式)或兩個(gè)(B預(yù)測方式)圖像作為參考圖像，參考圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測編碼方式的圖像。3.1.4加權(quán)預(yù)測允許編碼器以一定的系數(shù)對運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測值進(jìn)展加權(quán)，可大大改善無線信道衰落時(shí)的編碼效率，從而在一定的場景下可以進(jìn)步圖像質(zhì)量。3.1.5Intra_

7、44形式的幀間預(yù)測在這種形式下，每個(gè)44塊都可以利用其上方和左側(cè)的17個(gè)最接近的像素進(jìn)展預(yù)測。3.1.6循環(huán)內(nèi)的消除塊效應(yīng)濾波器為消除在預(yù)測和變換過程中引入的塊效應(yīng)，H.264也采用了消除塊效應(yīng)濾波器，但與以往標(biāo)準(zhǔn)不同的是，H.264的消除塊效應(yīng)濾波器位于運(yùn)動估計(jì)循環(huán)內(nèi)部，可以利用消除塊效應(yīng)以后的圖像去預(yù)測其它圖像的運(yùn)動，進(jìn)一步進(jìn)步預(yù)測精度。濾波強(qiáng)度取決于宏塊的預(yù)測方式、量化參數(shù)、運(yùn)動矢量等。量化步長減小時(shí)，濾波器的作用也會相應(yīng)降低。3.1.7自適應(yīng)熵編碼算法以往標(biāo)準(zhǔn)的熵編碼采用變長的哈夫曼編碼，碼表統(tǒng)一，不能適應(yīng)變換多端的視頻內(nèi)容，影響編碼效率。H.264根據(jù)視頻內(nèi)容的不同，提供兩種熵編碼，

8、即上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼ABA和上下文自適應(yīng)可變長編碼AVL，前者的編碼效率更高。3.2網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面為了方便地在各種系統(tǒng)中靈敏有效的應(yīng)用H.264，H.264編解碼系統(tǒng)(見圖2)定義了視頻編碼層VL和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL。其中，VL用于視頻編解碼，包括運(yùn)動補(bǔ)償，變換編碼和熵編碼等單元，NAL用于采用統(tǒng)一的格式對VL視頻數(shù)據(jù)的進(jìn)展封裝打包。3.2.1NALUnits視頻數(shù)據(jù)封裝在整數(shù)字節(jié)的NALU中，它的第一個(gè)字節(jié)標(biāo)志該單元中數(shù)據(jù)的類型。H.264定義了兩種封裝格式?；诎粨Q的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以使用RTP封裝格式封裝NALU，并且可以通過在NALU后面增加一個(gè)16位的信息域的方式將多個(gè)NALU放在

9、一個(gè)RTP中傳輸。另一些系統(tǒng)，如H.320系統(tǒng)或PEG-2系統(tǒng)可能會要求將NALU作為順序比特流傳送，為方便在這些系統(tǒng)中使用H.264，H.264定義了一種比特流格式的傳輸機(jī)制，使用頭編碼前綴(startdeprefix)將NALU封裝起來，并用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來保證頭編碼前綴不會出如今它封裝的NALU中，防止了錯(cuò)誤定界的發(fā)生。3.2.2參數(shù)集在以往視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)中，GBGP圖像頭信息是至關(guān)重要的，包含這些信息的包的喪失將直接導(dǎo)致與這些信息相關(guān)的數(shù)據(jù)不可用，因此這些標(biāo)準(zhǔn)大都采用了冗余編碼技術(shù)來保護(hù)這些頭信息。為解決這些問題，H.264將這些很少變化并且對大量VLNALU起作用的信息放在參數(shù)集中傳送。參數(shù)集分為兩