視訊編碼技術基本原理 視訊編碼技術現狀分析【詳解】

　　視訊編碼技術的基本原理及其現狀分析

　　去時域冗餘資訊

　　視訊影象資料有極強的相關性，也就是說有大量的冗餘資訊。其中冗餘資訊可分為空域冗餘資訊和時域冗餘資訊。壓縮技術就是將資料中的冗餘資訊去掉(去除資料之間的相關性)，壓縮技術包含幀內影象資料壓縮技術、幀間影象資料壓縮技術和熵編碼壓縮技術。

　　一、去時域冗餘資訊

　　使用幀間編碼技術可去除時域冗餘資訊，它包括以下三部分：

　　1、 運動補償

　　運動補償是通過先前的區域性影象來預測、補償當前的區域性影象，它是減少幀序列冗餘資訊的有效方法。

　　2、 運動表示

　　不同區域的影象需要使用不同的運動向量來描述運動資訊。運動向量通過熵編碼進行壓縮。

　　3、 運動估計

　　運動估計是從視訊序列中抽取運動資訊的一整套技術。

　　注：通用的壓縮標準都使用基於塊的運動估計和運動補償

　　二、去空域冗餘資訊

　　主要使用幀間編碼技術和熵編碼技術：

　　1、變換編碼

　　幀內影象和預測差分訊號都有很高的空域冗餘資訊。變換編碼將空域訊號變換到另一正交向量空間，使其相關性下降，資料冗餘度減小。

　　2、量化編碼

　　經過變換編碼後，產生一批變換系數，對這些係數進行量化，使編碼器的輸出達到一定的位率。這一過程導致精度的降低。

　　3、 熵編碼

　　熵編碼是無失真編碼。它對變換、量化後得到的係數和運動資訊，進行進一步的壓縮。

　　三、視訊編碼的基本框架

　　H.261

　　H.261標準是為ISDN設計，主要針對實時編碼和解碼設計，壓縮和解壓縮的訊號延時不超過150ms，位元速率px64kbps(p=1~30)。

　　H.261標準主要採用運動補償的幀間預測、DCT變換、自適應量化、熵編碼等壓縮技術。 只有I幀和P幀，沒有B幀，運動估計精度只精確到畫素級。支援兩種影象掃描格式：QCIF和CIF。

　　H.263

　　H.263標準是甚低位元速率的影象編碼國際標準，它一方面以H.261為基礎，以混合編碼為核心，其基本原理框圖和H.261十分相似，原始資料和碼流組織也相似;另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些國際標準中有效、合理的部分， 如：半畫素精度的運動估計、PB幀預測等，使它效能優於H.261。

　　H.263使用的位率可小於64Kb/s,且傳輸位元率可不固定(變位元速率)。H.263支援多種解析度： SQCIF(128x96)、 QCIF、CIF、4CIF、16CIF。

　　與H.261和H.263相關的國際標準

　　與H.261有關的國際標準

　　H.320：窄頻可視電話系統和終端裝置;

　　H.221：視聽電信業務中64~1 920Kb/s通道的幀結構;

　　H.230：視聽系統的影格同步化控制和指示訊號;

　　H.242：使用直到2Mb/s數位通道的視聽終端的系統。

　　與H.263有關的國際標準

　　H.324：甚低位元速率多媒體通訊終端裝置;

　　H.223：甚低位元速率多媒體通訊複合協定;

　　H.245：多媒體通訊控制協定;

　　G.723.1.1：傳輸速率為5.3Kb/s和6.3Kb/s的語音編碼器。

　　JPEG

　　國際標準化組織於1986年成立了JPEG(Joint Photographic Expert Group)聯合圖片專家小組，主要致力於制定連續色調、多級灰度、靜態影象的數位影像壓縮編碼標準。常用的基於離散餘弦變換(DCT)的編碼方法，是JPEG演演算法的核心內容。

　　MPEG-1/2

　　MPEG-1標準用於數位儲存體上活動影象及其伴音的編碼，其數位元速率為1.5Mb/s。 MPEG-1的視訊原理框圖和H.261的相似。

　　MPEG-1視訊壓縮技術的特點：1. 隨機存取;2. 快速正向/逆向搜尋;3 .逆向重播;4. 視聽同步;5. 容錯性;6. 編/解碼延遲。MPEG-1視訊壓縮策略：為了提高壓縮比，幀內/幀間影象資料壓縮技術必須同時使用。幀內壓縮演演算法與JPEG壓縮演演算法大致相同，採用基於DCT的變換編碼技術，用以減少空域冗餘資訊。幀間壓縮演演算法，採用預測法和插補法。預測誤差可在通過DCT變換編碼處理，進一步壓縮。幀間編碼技術可減少時間軸方向的冗餘資訊。

　　MPEG-2被稱為“21世紀的電視標準」，它在MPEG-1的基礎上作了許多重要的擴充套件和改進，但基本演演算法和MPEG-1相同。

　　MPEG-4

　　MPEG-4標準並非是MPEG-2的替代品，它著眼於不同的應用領域。MPEG-4的制定初衷主要針對視訊會議、可視電話超低位元率壓縮(小於64Kb/s)的需求。在制定過程中，MPEG組織深深感受到人們對媒體資訊，特別是對視訊資訊的需求由播放型轉向基於內容的存取、檢索和操作。

　　MPEG-4與前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同，它為多媒體資料壓縮編碼提供了更為廣闊的平臺，它定義的是一種格式、一種框架，而不是具體演演算法，它希望建立一種更自由的通訊與開發環境。於是MPEG-4新的目標就是定義為：支援多種多媒體的應用，特別是多媒體資訊基於內容的檢索和存取，可根據不同的應用需求，現場設定解碼器。編碼系統也是開放的，可隨時加入新的有效的演演算法模組。應用範圍包括實時視聽通訊、多媒體通訊、遠地監測/監視、VOD、家庭購物/娛樂等。

　　JVT：新一代的視訊壓縮標準

　　JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG成立的聯合視訊工作組(Joint Video Team)，致力於新一代數位影片壓縮標準的制定。

　　JVT標準在ISO/IEC中的正式名稱為：MPEG-4 AVC(part10)標準;在ITU-T中的名稱:H.264(早期被稱為H.26L)

　　H264/AVC

　　H264集中了以往標準的優點，並吸收了以往標準制定中積累的經驗, 採用簡潔設計,使它比MPEG4更容易推廣。H.264創造性了多參考幀、多塊型別、整數變換、幀內預測等新的壓縮技術，使用了更精細的分象素運動向量(1/4、1/8)和新一代的環路濾波器，使得壓縮效能大大提高，系統更加完善。

　　H.264主要有以下幾大優點：

　　1、高效壓縮：與H.263+和MPEG4 SP相比，減小50%位元率

　　2、 延時約束方面有很好的柔韌性

　　3、 容錯能力

　　4、編/解碼的複雜性可伸縮性

　　5、解碼全部細節：沒有不匹配

　　6、高質量應用

　　7、 網路友善

　　監控中的 視訊編碼技術

　　目前監控中主要採用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種 視訊編碼技術 。對於終端使用者來言他最為關心的主要有：清晰度、儲存量(頻寬)、穩定性還有價格。採用不同的壓縮技術，將很大程度影響以上幾大要素。

　　MJPEG

　　MJPEG(Motion JPEG)壓縮技術，主要是基於靜態視訊壓縮發展起來的技術，它的主要特點是基本不考慮視訊流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮。

　　MJPEG壓縮技術可以獲取清晰度很高的視訊影象，可以動態調整影格率、解析度。但由於沒有考慮到幀間變化，造成大量冗餘資訊被重複儲存，因此單幀視訊的佔用空間較大，目前流行的MJPEG技術最好的也只能做到3K位元組/幀，通常要8~20K!

　　MPEG-1/2

　　MPEG-1標準主要針對SIF標準解析度(NTSC製為352X240;PAL製為352X288)的影象進行壓縮. 壓縮位率主要目標為1.5Mb/s.較MJPEG技術，MPEG1在實時壓縮、每幀資料量、處理速度上有顯著的提高。但MPEG1也有較多不利地方:儲存容量還是過大、清晰度不夠高和網路傳輸困難。

　　MPEG-2 在MPEG-1基礎上進行了擴充和提升，和MPEG-1向下相容，主要針對儲存媒體、數位電視、高清晰等應用領域，解析度為：低(352x288)，中(720x480)，次高(1440x1080)，高(1920x1080)。MPEG-2視訊相對MPEG-1提升瞭解析度，滿足了使用者高清晰的要求，但由於壓縮效能沒有多少提高，使得儲存容量還是太大，也不適和網路傳輸。

　　MPEG-4

　　MPEG-4視訊壓縮演演算法相對於MPEG-1/2在低位元率壓縮上有著顯著提高，在CIF(352*288)或者更高清晰度(768*576)情況下的視訊壓縮，無論從清晰度還是從儲存量上都比MPEG1具有更大的優勢，也更適合網路傳輸。另外MPEG-4可以方便地動態調整影格率、位元率，以降低儲存量。

　　MPEG-4由於系統設計過於複雜，使得MPEG-4難以完全實現並且相容，很難在視訊會議、可視電話等領域實現，這一點有點偏離原來地初衷。另外對於中國企業來說還要面臨高昂的專利費問題，目前規定：

　　1、每臺解碼裝置需要交給MPEG-LA 0.25美元

　　2、編碼/解碼裝置還需要按時間交費(4美分/天=1.2美元/月 =14.4美元/年)

　　H.264/AVC

　　H.264集中了以往標準的優點，在許多領域都得到突破性進展，使得它獲得比以往標準好得多整體效能：

　　1、和H.263+和MPEG-4 SP相比最多可節省50%的位元速率，使儲存容量大大降低;

　　2、 H.264在不同解析度、不同位元速率下都能提供較高的視訊質量;

　　3、 採用“網路友善」的結構和語法，使其更有利於網路傳輸。

　　H.264採用簡潔設計,使它比MPEG4更容易推廣，更容易在視訊會議、視訊電話中實現，更容易實現互連互通，可以簡便地和G.729等低位元率語音壓縮組成一個完整的系統。

　　MPEG LA吸收MPEG-4的高昂專利費而使它難以推廣的教訓，MPEG LA制定了以下低廉的H.264收費標準：H.264廣播時基本不收費;產品中嵌入H.264編/解碼器時，年產量10萬臺以下不收取費，超過10萬臺每臺收取0.2美元，超過500萬臺每臺收取0.1美元。低廉的專利費使得中國H.264監控產品更容易走向世界。

　　監控中視訊編碼解析度的選擇

　　目前監控行業中主要使用以下解析度：SQCIF、QCIF、CIF、4CIF。

　　SQCIF和QCIF的優點是儲存量低，可以在窄頻中使用，使用這種解析度的產品價格低廉;缺點是影象質量往往很差、不被使用者所接受。

　　CIF是目前監控行業的主流解析度，它的優點是儲存量較低，能在普通寬頻網路中傳輸，價格也相對低廉，它的影象質量較好，被大部分使用者所接受。缺點是影象質量不能滿足高清晰的要求。

　　4CIF是標清解析度，它的優點是影象清晰。缺點是儲存量高，網路傳輸頻寬要求很高，價格也較高。

　　解析度新的選擇-528x384

　　2CIF(704x288)已被部分產品採用，用來解決CIF清晰度不夠高和4CIF儲存量高、價格高昂的缺點。但由於704x288只是水平解析度的提升，影象質量提高不是特別明顯。

　　經過測試，我們發現另外一種2CIF解析度528x384，比704x288能更好解決CIF、4CIF的問題。特別是在512Kbps-1Mbps位元速率之間，能獲得穩定的高質量影象，滿足使用者較高影象質量的要求。目前這一解析度已被許多網路多媒體廣播所採用，被廣大使用者所接受。比如杭州網通網上影院是採用512x384解析度,在768k下能穩定地獲得近似DVD的影象質量。

　　監控中實現視訊編碼的最佳方式

　　目前視訊編碼正處於一個技術日新月異的時期，視訊編碼的壓縮效能在不斷得到提升。

　　在監控中主要使用ASCI和DSP兩種方案。由於ASIC晶片的設計、生產週期過長，使它已跟不上視訊編碼的發展速度。而DSP晶片，由於它的通用設計，使它能實現各種視訊編碼演演算法，並且可以及時更新視訊編碼器，緊跟視訊編碼的發展速度。另外使用DSP晶片可以比ASIC更靈活的設定編碼器，使編碼器達到最佳效能。

　　海康威視產品目前達到的技術水準

　　海康威視產品採用最先進的H.264視訊壓縮演演算法和高效能的DSP處理器。

　　強大的H.264視訊壓縮引擎使產品獲得極高的壓縮比、高質量的影象質量和良好的網路傳輸效能。高效能的DSP處理器能靈活的設定視訊編/解碼器：動態設定解析度、影格率、位元速率、影象質量等;可以雙碼流輸出，達到本地儲存和網路傳輸分別處理的功能。

　　使用TM130X DSP的產品，單個晶片能實時壓縮一路以下解析度的視訊：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。

　　使用DM642 DSP的產品，單個晶片能實時壓縮4路以下解析度的視訊：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。單個晶片能實時壓縮2路4CIF視訊。

　　1、基本概念：嵌入式、實時與多工

　　a、嵌入式：軟體(包括作業系統和功能軟體)整合於硬體系統之中，簡單的說就是軟體與硬體一體的系統。

　　b、實時：在規定的時限內響應事件。超時的響應是失敗的響應。

　　c、多工：同時響應多個請求

　　d、實時系統與分時系統：

　　實時與非實時相對

　　分時與非分時(獨佔)相對

　　2、嵌入式硬碟錄影機的特點

　　a、嵌入式、實時、多工裝置

　　b、軟硬體專業性強，無多餘功能

　　c、結構簡單緊湊，體積小

　　嵌入式硬碟錄影機技術難點?

　　1、硬碟管理

　　硬碟記錄資料的有效性、可快速檢索、錯誤恢復能力、硬碟的使用壽命(無論是嵌入式還是PC式DVR，目前硬碟管理問題沒有得到有效解決)

　　2、網路傳輸

　　硬碟錄影機：網路管理

　　視訊：網路傳輸

　　3、視訊編解碼

　　視訊編解碼及其輔助功能的實現

　　嵌入式硬碟錄影機現狀?

　　1、國內品牌為主

　　a 、不同的技術要求和標準

　　b、客戶客製化化服務的要求越來越高

　　c、及時的技術支援和售後服務

　　2、廠商越來越多，競爭非常激烈

　　3、產品正逐步走向成熟

　　七、嵌入式硬碟錄影機發展趨勢?

　　1、更廣的應用領域

　　2、更高的影格率、解析度

　　3、更低的位元速率

　　4、更豐富的功能

　　5、更強的主機效能，支援更多通道

　　6、更高的可*性

　　7、更強的網路效能

　　8、與基於PC機的DVR長期共存

　　市場背景

　　伴隨著計算機及網路技術的飛速發展，尤其視訊編解碼技術的日益成熟、計算機處理能力的快速提高、以及寬頻的逐漸普及，基於Internet的視訊網路實時應用在許多行業和政府部門被大範圍採用，尤其是銀行、廣電、石油、電力等行業，出現了許多成功案例。

　　提到基於Internet的視訊網路實時應用，我們可能更多地會想到可視電話及視訊會議系統、電視網路實況轉播、遠端教育等。這些Internet視訊實時應用對軟硬體的效能要求很高，要求既達到較高的影格率，又達到較低的位元速率，所以需要足夠強大的處理能力(包括演演算法及晶片處理能力)。而要具備這種處理能力，往往需要昂貴的專用裝置。

　　對於安防所涉及的數位影片網路監控系統，由於行業特性所決定，資料採集點較多，需要相應設定大量的編碼裝置，因此，與其他視訊網路實時應用相比，價格成為一個相對比較敏感的因素。

　　以往的數位影片網路監控系統，基本上都是基於區域網或者專網。但是實際應用環境卻很難保證這樣的網路條件，因此係統整合商無法給使用者提供一個完整的解決方案。

　　例如銀行的ATM機數位集中式監控系統，就可能需要提供基於Internet的解決方案：寬頻為主，窄頻為輔。

　　首先ATM機原來預留的專網入口需要傳輸業務資料，考慮到ATM機24小時線上的業務服務和24小時視訊監控的要求，我們很難提供一種解決方式，在同一個專網上，既保證業務資料傳輸穩定，又保證監控畫面流暢，因此，我們需要考慮從寬頻運營商租用線路，通過寬頻傳輸視訊資料。而且，從執行模式和成本上考慮，很多ATM機並不需要隨時傳輸視訊資料，往往只在異常發生的情況下，主動要求監控中心切換監控點;或者在監控中心定時巡查各監控點的時候才需要線上。這種情況下，就不需要為ATM機常年租用線路，只需要開通ADSL、ISDN、甚至通過電話線連線的方式。

　　近兩年，國內廠商不斷推出高效能、高價效比的視聲頻壓縮卡和嵌入式網路監控裝置，使得基於Internet的數位影片網路監控系統成為可能，如上述ATM機數位集中式監控系統。