視頻編解碼技術(shù)在安防行業(yè)發(fā)展趨勢

　　國際視頻編解碼技術(shù)標準發(fā)展歷程

　　當前視頻的應用涵蓋了各個(gè)領(lǐng)域，包括ICT、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、廣電、安防等。制定視頻編解碼標準的國際組織主要有兩個(gè)：ITU-T和ISO/IEC。ITU-T推薦委員會(huì )制定的大多數標準都是為實(shí)時(shí)視頻通信應用的，例如H.261、H.262、H.263和H.264;ISO/IEC的MPEG標準大多是為視頻存儲、廣播視頻和視頻流應用而制定的標準，包括MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4等。兩個(gè)標準化委員會(huì )組織在獨立地致力于不同的標準的制定的同時(shí)，聯(lián)合發(fā)展了H.262/MPEG-2和H.264/AVC。

　　MPEG全稱(chēng)是Moving Pictures Experts Group，它是“動(dòng)態(tài)圖象專(zhuān)家組”的英文縮寫(xiě)，該專(zhuān)家組成立于1988年，致力于運動(dòng)圖像及其伴音的壓縮編碼標準化工作。

　　MPEG-1

　　MPEG-1是MPEG組織制定的第一個(gè)視頻和音頻有損壓縮標準。視頻壓縮算法于1990年定義完成。1992年底，MPEG-1正式被批準成為國際標準。MPEG-1標準用于數字存儲體上動(dòng)態(tài)圖像及音頻的存儲與檢索，其數碼率為1.5Mb/s。MPEG-1是為CD光碟介質(zhì)定制的的視頻和音頻壓縮格式。

　　MPEG-2

　　MPEG-2制定于1994年，設計目標是高級工業(yè)標準的圖象質(zhì)量以及更高的傳輸率， MPEG-2專(zhuān)門(mén)針對數字電視而開(kāi)發(fā)。MPEG-2所能提供的傳輸率在3-10Mbps間, 其在NTSC制式下的分辨率可達720×486，MPEG-2也可提供并能夠提供廣播級的視像和CD級的音質(zhì)。目前MPEG2標準則用于廣播電視和DVD等。

　　MPEG-4

　　與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特點(diǎn)是其更適于交互AV服務(wù)以及遠程監控。MPEG-4的制定初衷主要針對視頻會(huì )議、可視電話(huà)超低比特率壓縮(小于64Kb/s)的需求。MPEG-4與MPEG-1和MPEG-2有很大的不同。MPEG-4不只是具體壓縮算法，它是針對數字電視、交互式圖像應用、交互式多媒體等整合及壓縮技術(shù)的需求而制定的國際標準。MPEG -4標準將眾多的多媒體應用集成于一個(gè)完整的框架內，旨在為多媒體通信及應用環(huán)境提供標準的算法及工具，從而建立起一種能被多媒體傳輸、存儲、檢索等應用領(lǐng)域普遍采用的統一數據格式。

　　H.261

　　H.261是ITU-T 編制的第一個(gè)主流視頻壓縮標準。它主要針對視頻會(huì )議應用，是為支持 40kpbs～2Mbps 的 ISDN 網(wǎng)絡(luò )而設計的，主要針對實(shí)時(shí)編碼和解碼設計，壓縮和解壓縮的信號延時(shí)不超過(guò)150ms，碼率px64kbps(p=1~30)。H.261 支持 352×288 (CIF) 及 176×144 (QCIF) 分辨率。

　　H.263

　　H.263是ITU-T制定的甚低碼率的圖像編碼國際標準，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，原始數據和碼流組織也相似;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：半像素精度的運動(dòng)估計、PB幀預測等，使它性能優(yōu)于H.261。

　　H264/AVC

　　作為第三代視頻壓縮技術(shù)，H264集中了以往標準的優(yōu)點(diǎn)，并吸收了以往標準制定中積累的經(jīng)驗，H.264/AVC 在壓縮效率方面取得了巨大突破，和H.263和MPEG-4 相比可節省50%的碼率，降低傳輸帶寬和存儲容量。而且H.264創(chuàng )造性的采用了多參考幀、多塊類(lèi)型、整數變換、幀內預測等新的壓縮技術(shù)，使用了更精細的分象素運動(dòng)矢量(1/4、1/8)和新一代的環(huán)路濾波器，使得壓縮性能大大提高，系統更加完善。

　　H.265

　　H.265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。H.265標準也同時(shí)支持4K (4096×2160) 和8K (8192×4320) 超高清視頻。除了在編解碼效率上的提升外，在對網(wǎng)絡(luò )的適應性方面H.265也有顯著(zhù)提升，可很好運行在互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。

　　H.265是ITU-T繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著(zhù)現有的H.264，保留原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復雜度之間的關(guān)系，達到最優(yōu)化設置。

　　我國視頻編解碼技術(shù)標準發(fā)展歷程

　　AVS

　　AVS是我國具備自主知識產(chǎn)權的第二代信源編碼標準，是我國數字音視頻編解碼技術(shù)標準工作組制定《信息技術(shù) 先進(jìn)音視頻編碼》系列標準的簡(jiǎn)稱(chēng)，其包括系統、視頻、音頻、數字版權管理等四個(gè)主要技術(shù)標準和符合性測試等支撐標準。AVS編碼效率比MPEG-2高2、3倍，與H.264相當，而且技術(shù)方案簡(jiǎn)潔，硬件實(shí)現復雜度低，達到了第二代標準的最高水平。AVS的主要創(chuàng )新在于提出了一批具體的優(yōu)化技術(shù)，在較低的復雜度下實(shí)現了與國際標準相當的技術(shù)性能，有效地避開(kāi)了用國際標準背后的大量復雜專(zhuān)利。AVS采用混合編碼框架，包括變換、量化、嫡編碼、幀內預測、幀間預測、環(huán)路濾波等技術(shù)模塊，這是主流的技術(shù)路線(xiàn)。

　　SVAC

　　《安全防范監控數字視音頻編解碼技術(shù)標準》(簡(jiǎn)稱(chēng)SVAC，Surveillance Video and Audio Coding)。SVAC標準是第一個(gè)旨在解決安全防范監控行業(yè)獨特要求的技術(shù)標準，并具備以下的特性。

　　高安全性：SVAC標準規定了加密和認證接口及數據格式，保證數據的安全性、完整性、非否認性。密碼不是編到視頻信息里，提取時(shí)需要輸入認證數據，既保證格式的統一，便于互聯(lián)互通，也保留足夠的擴展靈活性。

　　感興趣 (ROI) 區域編碼：圖像分為若干個(gè)ROI (感興趣) 區域和一個(gè)背景區域，對ROI區域采用低壓縮比，對非ROI區域采用高壓縮比，降低帶寬。

　　可伸縮性視頻解碼(SVC)：對視頻數據分層編碼，滿(mǎn)足不同傳輸網(wǎng)絡(luò )寬帶和數據存儲的需求，普通編碼傳輸有主碼流、子碼流，而且主、子碼流分別傳輸，占用帶寬較大，SVAC傳輸只有一類(lèi)碼流，對碼流分層就可獲得不同分辨率的圖片信息。

　　視頻編解碼技術(shù)在安防行業(yè)的應用

　　安防行業(yè)的主流視頻編解碼技術(shù)有如下幾種：

　　MJPEG

　　MJPEG全名為"Motion Joint Photo graphic Experts Group"，是一種視頻編碼格式，中文名稱(chēng)翻譯為“技術(shù)即運動(dòng)靜止圖像(或逐幀)壓縮技術(shù)”。MJPEG廣泛應用于非線(xiàn)性編輯領(lǐng)域可精確到幀編輯和多層圖像處理，把運動(dòng)的視頻序列作為連續的靜止圖像來(lái)處理，這種壓縮方式單獨完整地壓縮每一幀，在編輯過(guò)程中可隨機存儲每一幀，可進(jìn)行精確到幀的編輯，此外M-JPEG的壓縮和解壓縮是對稱(chēng)的，可由相同的硬件和軟件實(shí)現。但M-JPEG只對幀內的空間冗余進(jìn)行壓縮。不對幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮，故壓縮效率不高。

　　早期安防行業(yè)采用過(guò)MJPEG編解碼技術(shù)。

　　MPEG-4

　　在早期安防行業(yè)對視頻分辨率要求不高的情況下，MPEG-4曾經(jīng)得到廣泛的應用。

　　H.264

　　目前安防行業(yè)普遍采用的是H.264，H.264是一種高壓縮編解碼算法，具有速度快、信息損失小、成像質(zhì)量高、視頻流對帶寬占用率低等特點(diǎn);其最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。

　　SVAC

　　SVAC作為由中星微電子和公安部第一研究所共同建立的我國安防行業(yè)編解碼技術(shù)規范，通過(guò)政府行政命令已經(jīng)在廣東、河北、山西等省強制推廣使用，但SVAC標準產(chǎn)品在源代碼和核心芯片的成本比H.264要高。

　　H.265

　　隨著(zhù)視頻分辨率越來(lái)越高，如何通過(guò)高壓縮比來(lái)降低傳輸帶寬和存儲容量成為行業(yè)首要考慮的因素，因此從去年開(kāi)始越來(lái)越多的廠(chǎng)商推出了支持H.265的IPCam，伴隨著(zhù)H.265產(chǎn)業(yè)鏈的更加成熟，H.265會(huì )取代H.264成為安防行業(yè)最主流的編解碼技術(shù)標準。

　　視頻編解碼技術(shù)在安防行業(yè)的發(fā)展趨勢

　　視頻編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢一方面會(huì )繼續以混合編碼為框架，研究如何進(jìn)一步提高壓縮特性;隨著(zhù)3D應用在安防行業(yè)的普及，3D編解碼技術(shù)也將是發(fā)展方向之一，向可伸縮編碼、多視點(diǎn)編碼、智能、提高壓縮性能等分支方向發(fā)展。

　　可伸縮編碼技術(shù)(Sca1able Video Coding，SVC)

　　可伸縮編碼技術(shù)將視頻編解碼框架轉變?yōu)楦嗫紤]網(wǎng)絡(luò )適應性和靈活性的編解碼框架。

　　可伸縮視頻編碼因為具有時(shí)域、空域和質(zhì)量等多方面的靈活性，尤其是適合需要實(shí)現雙碼流或多碼流的安防行業(yè)。在安防行業(yè)，基本要求雙碼流，網(wǎng)絡(luò )或本地存儲高分辨率、高幀率的大碼流，實(shí)時(shí)瀏覽采用低分辨率的小碼流;甚至是三碼流，一路高清碼流用于存儲、一路用于有線(xiàn)側實(shí)時(shí)瀏覽，一路實(shí)時(shí)流用于手機瀏覽。常規的方案是編碼2次或3次，這樣會(huì )大幅增加DSP的計算工作量。而采用SVC技術(shù)將只需編碼一次。

　　多視點(diǎn)編碼技術(shù)

　　多視點(diǎn)視頻是一種新型的具有立體感知和交互操作功能的視頻技術(shù)，它由一組平行、會(huì )聚相機陣列拍攝得到視頻信號。2001年，MPEG成立了3DAV工作組，其首要任務(wù)就是定義3D音視頻領(lǐng)域的范圍和應用場(chǎng)景，制定多視點(diǎn)編碼技術(shù)的標準。

　　隨著(zhù)3D GIS地圖、多視角的3D立體視頻畫(huà)面、基于3D場(chǎng)景的多攝像頭聯(lián)動(dòng)在安防行業(yè)的應用，多視點(diǎn)編碼技術(shù)將會(huì )在安防行業(yè)得到越來(lái)越多的應用。

　　而在視頻監控類(lèi)的應用中，多視點(diǎn)視頻編碼技術(shù)有助于實(shí)現多視角立體監控，多攝像頭聯(lián)動(dòng)等應用。

　　智能化

　　將H.265等編解碼技術(shù)與智能視頻分析技術(shù)結合，提高編碼壓縮性能并降低碼率，提供基于視頻內容的編碼是未來(lái)視頻編解碼技術(shù)在安防行業(yè)的重要發(fā)展方向。

　　智能視頻分析是通過(guò)過(guò)濾掉圖像中無(wú)用的或干擾信息，并自動(dòng)分析和抽取視頻源中的關(guān)鍵的有用信息，通過(guò)對視頻畫(huà)面的背景和對象，也就是物體特征進(jìn)行提取，正確識別出不同物體及其運動(dòng)軌跡規律，它可以明確地區分出人、車(chē)或其它物體，然后對對象按照用戶(hù)設置的規則進(jìn)行分析。

　　結合智能視頻分析技術(shù)和編碼技術(shù)，可以對視頻內的對象進(jìn)行分類(lèi)，對各感興趣的區域采用不同的編碼策略，也就是感興趣區域編碼。對需要做智能分析的區域采用

　　能夠根據智能分析的結果對干興趣區域采用低壓縮比以獲取較好的圖像，對如背景燈其他的非感興趣區域采用高壓縮比，節省傳輸帶寬和存儲容量。譬如，當視頻畫(huà)面中需要做智能分析的區域沒(méi)有運動(dòng)的人、車(chē)等對象時(shí)，可以采用高壓縮比;當智能分析算法對運動(dòng)的人、車(chē)對象進(jìn)行分析時(shí)，采用低壓縮比。通過(guò)整合視頻編解碼技術(shù)和智能視頻分析技術(shù)，實(shí)現編解碼技術(shù)與安防業(yè)務(wù)結合是將來(lái)的發(fā)展方向。

　　高壓縮性能

　　隨著(zhù)分辨率的越來(lái)越高，新的視頻編解碼技術(shù)應該提升壓縮性能，能夠實(shí)現對高分辨率視頻采用高壓縮性能的編解碼技術(shù)，實(shí)現更低傳輸帶寬、降低存儲容量的需求，大幅的降低投資。

　　結語(yǔ)

　　視頻編解碼技術(shù)是不斷的隨著(zhù)業(yè)務(wù)的發(fā)展而不斷的與時(shí)俱進(jìn)，將來(lái)視頻編解碼技術(shù)將朝著(zhù)3D編解碼、更加智能、更高壓縮性能發(fā)展。