視頻編解碼技術(shù)解析

1、視頻編解碼技術(shù)解析The manuscript was revised on the evening of 2021視頻編解碼技術(shù)解析一、編解碼技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，監(jiān)控畫面正經(jīng)歷著從最初的D1標(biāo)清圖 像，向4K高清、8K超清時代前進(jìn)。由于CCD與CMOS技術(shù)的發(fā)展，前端攝 像機的像素越來越高，成本也在逐漸降低，高清監(jiān)控得到了快速的普及和應(yīng) 用，隨之而來的問題是，前端像素的提高給視頻傳輸和后端錄像存儲帶來了巨 大的壓力，在相同的編碼壓縮比例下，用戶需要投入更多的設(shè)備和資金，因此 編解碼技術(shù)的改進(jìn)無疑成為了視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的焦點，也是當(dāng)前眾多視頻廠 商爭相發(fā)展的技術(shù)課題。

2、目前國內(nèi)主流視頻監(jiān)控設(shè)備廠商如大華、?？档?，從前端球機、槍機，到 后端的NVR/ESS/EVS存儲、矩陣等設(shè)備，普遍使用的是MPEG-4與編解碼技 術(shù)，因為MPEG-4/編碼技術(shù)比較成熟，相應(yīng)的編解碼芯片廠商也較多，因此使 用最為廣泛，不同廠家設(shè)備之間的兼容性也好。但隨著500W/800W/1200W等 高清攝像機推廣應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬與錄像存儲空間卻承受著嚴(yán)峻的考驗，優(yōu) 化算法、提高壓縮效率、減少時延的需求使編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)勢而生，它將在未 來逐步地被廣泛使用。同時，由于是ITU-T國際電聯(lián)組織制定提出的一系列視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，是一 個全世界公開的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，為提高視頻數(shù)據(jù)安全保密性，保障視頻信息質(zhì)

3、量， 由我國公安部第一研究所牽頭組織，在現(xiàn)有視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過 創(chuàng)新的技術(shù)改進(jìn)和加密，形成了一套我國自有的安全防范監(jiān)控數(shù)字視音頻編解 碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，簡稱SVAC標(biāo)準(zhǔn)，它在政府類監(jiān)控項目采購中率先推廣應(yīng)用。因此來說，在目前的視頻監(jiān)控行業(yè)領(lǐng)域，基本保持著MPEG-4/為主， SVAC為輔的局面。二、主要編解碼技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀在視頻監(jiān)控設(shè)備領(lǐng)域，目前主要采用的編解碼標(biāo)準(zhǔn)為MPEG-4/技術(shù)，當(dāng) 然，隨著芯片技術(shù)的不斷成熟，憑借其更強的優(yōu)越性能，將會逐步取代并成為 行業(yè)的主流應(yīng)用技術(shù)。大安防系列化產(chǎn)品也將從前端、存儲到解碼會發(fā)生全面 性的變化。下面我們將對目前主要的幾種編解碼技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做

4、具體介 紹。MPEG-4編碼技術(shù)MPEG： Moving Pictures Experts Group動態(tài)圖象專家組，是一個致力于 運動圖像及其伴音的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)化工作的組織，MPEG-4是在MPEG-1、 MPEG-2基礎(chǔ)上發(fā)展而來，MPEG4于2000年初正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，它是一個 適用于低傳輸速率應(yīng)用的方案。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)則是基于對象和內(nèi)容的編碼方 式，和傳統(tǒng)的圖像幀編碼方式不同，它只處理圖像幀與幀之間的差異元素，拋 棄相同圖像元素，因此大大減少了合成多媒體文件的體積，從而以較小的文件 體積同樣可得到高清晰的還原圖像。換句話說，相同的原始圖像，MPEG-4編 碼標(biāo)準(zhǔn)具有更高的壓縮比。視

5、頻監(jiān)控的早期產(chǎn)品，如模擬攝像機、CVR/DVR、采用的就是MPEG-4 編碼技術(shù)。編碼技術(shù)是ITU-T國際電聯(lián)與ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合制定的視頻編解碼技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn)，它同時也是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第十部分。最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮 比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是 MPEG-4的2倍。一個原始文件是102G大小的視頻，經(jīng)過編碼后變成了 1 個G，壓縮比竟達(dá)到了 102:1!的低碼率技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用，在用戶獲 得高質(zhì)量流暢圖像的同時，大大節(jié)省了下載時間和數(shù)據(jù)流量，也大大減少了圖 像存儲空間。是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來的，其編解碼流程主要包括

6、5個部 分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化 (Quantization)和反量化、環(huán)路濾波(Loop Filter)、熵編碼(Entropy Coding) o編碼標(biāo)準(zhǔn)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，是當(dāng)下最流行使用的一種編解碼技術(shù)。目前大 大小小的視頻監(jiān)控設(shè)備廠家，都具備該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用能力。在過去幾年的發(fā)展中，高性能的DSP芯片對標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用發(fā)揮了重要的貢 獻(xiàn)。DSP芯片全稱是數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它有 處理能力強、開發(fā)周期短、用戶開發(fā)自由度大等特點，被越來越多地應(yīng)用于視 頻壓縮領(lǐng)域。美國TI公司有很豐富的經(jīng)驗，是業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者，產(chǎn)品系列有

7、 C20 x，24x5x，54x，62x，64x 定點 DSP 和 C3x，4x，67xx 等浮點。，？;同時intel公司也不斷推出netra、baytrail系列解碼芯片，海思最新的3536芯片，給后端的解碼顯示提供了有力的硬件支持。由于的高壓縮性能，目前市場上主流的視頻監(jiān)控設(shè)備基本采用的是標(biāo)準(zhǔn)。編碼技術(shù)視頻監(jiān)控前端采集設(shè)備如網(wǎng)絡(luò)攝像機的清晰度從100萬、200萬到300 萬、500萬，魚眼相機已經(jīng)達(dá)到了 800萬、1200萬像素，這意味著超高清時代 一步步向我們走來。在近一年的時間里，眾多的顯示屏設(shè)備廠商已經(jīng)在極力宣 傳4K超高清產(chǎn)品，如海信、三星、創(chuàng)維等。而在視頻監(jiān)控行業(yè)，眾多知名安

8、防廠商都已經(jīng)推出了自己的4K產(chǎn)品，800萬攝像機，4K采集、4K解碼、4K 電視墻產(chǎn)品，并能形成一整套的4K綜合解決方案。超高清的體驗同時帶來的是傳輸和存儲的強大挑戰(zhàn)。舉例來說，1路 1080P25fps的圖像，裸數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挻蟾判枰?，采用編碼后，可以壓縮到 6M或8M的碼流;如果前端換成800萬的網(wǎng)絡(luò)攝像機，采用同樣的壓縮標(biāo)準(zhǔn)， 那么碼流大小至少20M以上，因此，需要一種更高壓縮性能的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)來 節(jié)省用戶的投資，同時獲得高清晰的圖像顯示。技術(shù)是ITU-T VCEG繼之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)圍繞現(xiàn)有的 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，保留原來的某些技術(shù)，同時對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技 術(shù)用以

9、改善碼流、編碼質(zhì)量、延時和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè) 置。由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送，則可以實 現(xiàn)利用12Mbps的傳輸速度實現(xiàn)720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳 送。旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，僅需原先的一半帶寬即可播 放相同質(zhì)量的視頻。標(biāo)準(zhǔn)也同時支持4K(4096x2160)和8K(8192x4320)超高清 視頻?？梢哉f，標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。在2015年的深圳安博會上，技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)悄然興起，從前端攝像機到 后端存儲，從編碼器到解碼器、視頻綜合平臺等設(shè)備，都已經(jīng)打上了的標(biāo)記。 各個參展廠家也在

10、積極宣傳推廣自己的技術(shù)產(chǎn)品，預(yù)計在未來的兩年內(nèi)，將成 為視頻監(jiān)控設(shè)備的主流編解碼技術(shù)。SVAC編碼技術(shù)SVAC全稱Surveillance Video and Audio Coding安全防范監(jiān)控數(shù)字視 音頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是由公安部第一研究所和中星微電子共同牽頭建立的 一套編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。SVAC是第一個旨在解決安全防范監(jiān)控行業(yè)獨特要求的技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對確立中國公安和犯罪預(yù)防體系來說特別重要。自從“安全門”事件之后，信息安全的管理越來越得到重視。SVAC編碼技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)，是一項非國際性的標(biāo)準(zhǔn)，主要用于安防視頻監(jiān) 控的應(yīng)用，其目的在于加強安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)在公安監(jiān)控與報警平臺的安全

11、應(yīng) 用。目前支持SVAC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的只有中星微等少數(shù)廠家，芯片技術(shù)不是太成 熟，價格相對較高，國內(nèi)安防知名廠商如大華、?？档冗€是以、MPEG-4標(biāo)準(zhǔn) 為主流，同時也有少量設(shè)備支持SVAC標(biāo)準(zhǔn)，但都以軟件編解碼的方式實現(xiàn)。SVAC編碼技術(shù)在原有MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新，如支持高精度 視頻數(shù)據(jù)，在高動態(tài)范圍場景提供更多圖像細(xì)節(jié)，減少編解碼環(huán)節(jié)的圖像信息 損失;支持感興趣區(qū)域(ROI)變質(zhì)量編碼，在網(wǎng)絡(luò)帶寬存儲空間有限的情況下提 供更符合監(jiān)控需要的高質(zhì)量視頻編碼;支持監(jiān)控專用信息(絕對時間、智能分析 結(jié)果、報警信息)，便于視音頻內(nèi)容的有效管理和綜合利用;支持加密和認(rèn)證， 保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的保密性

12、、真實性和完整性等。該標(biāo)準(zhǔn)因為開放性小，與目前市 場上的多種視頻系列化設(shè)備不能實現(xiàn)很好的融合對接，這將大大限制其市場使 用的廣泛性。但從目前的市場來看，從廣東省先行試點強制實行開始，基本上廠家的設(shè) 備都要求支持SVAC標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)開始使用大量的SVAC前端，這一趨勢正在向 周邊的廣西、湖南等省份擴展，相信在未來的幾年內(nèi)，具有中國自主專利技術(shù) 的SVAC標(biāo)準(zhǔn)將在國內(nèi)得到普遍支持和應(yīng)用。目前成熟的SVAC技術(shù)還停留在 初步階段，許多功能還需要進(jìn)一步優(yōu)化，我們期待版本的發(fā)布。三、與Smart265、優(yōu)劣勢對比分析高效的壓縮性能，在逐步發(fā)展的超高清時代，將替代成為編碼技術(shù)的主 流，支持的廠家與設(shè)備會越來

13、越多，得到普遍應(yīng)用。目前支持編解碼的芯片選 擇性并不是太多，因此一些比較有實力的視頻監(jiān)控設(shè)備廠家都會加入自己的一 些智能算法，以獲得更好的性能或應(yīng)用。從編碼效率上來說，SVAC優(yōu)于，但和相比就略遜一籌。編碼技術(shù)是在原 有的的基礎(chǔ)上加入智能分析等智能功能，進(jìn)一步縮短編解碼速率，豐富更多的 應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)的推行，在國家信息安全政策的強制要求下，市場潛力非常大，越 來越多的廠家和研究機構(gòu)都會參與SVAC技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，未來或?qū)⒃絹碓?成熟，與的全面抗衡指日可待。下面就這三種不同的編碼技術(shù)做一個簡要的對比，如表1所示：表1幾種不同編碼技術(shù)對比SVACHEVC/H265+Smart265標(biāo)準(zhǔn)化國際標(biāo)準(zhǔn)IT

14、U-T VCEG國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T25724-2010海思優(yōu)化?？祪?yōu)化壓縮性能對比傳統(tǒng)，碼率降低50%，壓縮比高相比，較低利用利用了視覺 感知技術(shù)，先進(jìn) 的參考幀自適應(yīng) 技術(shù)，高級碼率 控制技術(shù)，壓縮 比更高結(jié)合畫面和場 景優(yōu)化，在編 碼的基礎(chǔ)上進(jìn)步提升壓縮 率安全性通用算法加密算法，安全 性高通用+自主算法通用+自主算法通用性標(biāo)準(zhǔn)編解碼芯片，可選范圍大專用編碼解碼芯 片，可選范圍少海思結(jié)合芯片推 廣可變碼流技 術(shù)，主流廠商 具備同等能力視頻編碼技術(shù)在未來的視頻監(jiān)控領(lǐng)域，將結(jié)合圖像實現(xiàn)更多的智能化應(yīng) 用，如當(dāng)今比較火熱的智能交通、智慧小區(qū)、智慧法庭、智慧校園、甚至云視 頻、安防互聯(lián)網(wǎng)+等業(yè)務(wù)。編解碼技術(shù)的發(fā)展不僅需要滿足越來越高的用戶體驗 需求，同時也需要按照安防市場的發(fā)展與行業(yè)應(yīng)用方案來推進(jìn)。首先，壓縮性能是編碼技術(shù)的重點，前端設(shè)備越來越高清，通過算法優(yōu) 化、幀間預(yù)測、場景預(yù)測壓縮數(shù)據(jù)的大小，從而提高壓縮效率。以同等或較小 的視頻帶寬就能獲得更高清晰的畫面。在快速發(fā)展的移動智能客戶端，低帶寬 也可享受1080P的高清畫面。其次，智能算法與智能分析不僅優(yōu)化碼流質(zhì)量，同時智能化的監(jiān)控設(shè)備具 備圖像檢測預(yù)警、三維空間計算、區(qū)域防范、智能識別等功能，這就要求視頻 編碼流中加入更多的分析對象，計算方法更加復(fù)雜，對硬件的要求也更高。再者，開放性的標(biāo)準(zhǔn)雖然使得各