翹盼編解碼技術(shù) 助力安防翻新篇

　　隨著(zhù)多媒體信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數字視頻技術(shù)的應用領(lǐng)域不斷拓寬，IPTV、立體電影和自由視頻等多樣化新型視頻服務(wù)業(yè)務(wù)的不斷涌現，視頻編碼已成為數字電視、網(wǎng)絡(luò )視頻和移動(dòng)多媒體等信息產(chǎn)業(yè)的基礎核心技術(shù)之一，在安防、教育、廣電、傳媒等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

　　國際上制定視頻編碼標準的兩大組織分別是ITU-T與ISO/IEC，ITU-T制定的標準主要適用于電視電話(huà)、會(huì )議電視等，包括：H.261/3/4等;ISO/IEC主要制定關(guān)于活動(dòng)圖像的編碼標準，包括：MPEG-1/2/4，應用于廣播電視、DVD、因特網(wǎng)上的流媒體等。目前，在安防行業(yè)中MPEG-4正逐漸淡出人們的視線(xiàn)，雖然H.264依然是目前視頻編解碼標準的主流，但是新一代編碼標準H.265憑借更高的壓縮效率正趨向逐步替代H.264，成為未來(lái)安防行業(yè)乃至整個(gè)音視頻行業(yè)編解碼技術(shù)的主力軍;另外，中國自主研發(fā)的安防音視頻編解碼標準SVAC，提高了整體監控系統的安全性，但源于相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的尚未成熟，目前還未有較大規模的應用，未來(lái)的市場(chǎng)具體應用情況會(huì )為我們作進(jìn)一步的檢驗。

　　視頻編解碼原理及應用分析

　　視頻為什么要編碼?目的是為了壓縮。由于未經(jīng)壓縮的視頻源常伴有海量數據的產(chǎn)生，以期通過(guò)擴大存儲器容量、增加通信干線(xiàn)的傳輸速率來(lái)進(jìn)行每幀圖像的全部數據的存儲或傳輸是不現實(shí)的。多媒體聲音、視頻等信源數據之間有極強的相關(guān)性，存在大量的冗余信息，如：時(shí)間冗余、空間冗余、視覺(jué)冗余等，視頻編碼技術(shù)就是在保證視覺(jué)效果的前提下盡可能的提取有效信息，去除視頻作用不大的冗余信息來(lái)減少視頻數據率，通過(guò)壓縮的形式進(jìn)行聲音、視頻的數字傳輸和存儲，而如何實(shí)現高效的壓縮則是視頻編碼領(lǐng)域長(cháng)期存在的挑戰性問(wèn)題。

　　視頻編碼主要由以下幾個(gè)處理階段組成：預測-變換-量化-熵編碼，如：預測階段會(huì )有空間、時(shí)間冗余的檢測、幀類(lèi)運動(dòng)的檢測、幀間檢測等;變換包括空間變換，DTP變換等;量化包括視覺(jué)冗余、圖像質(zhì)量提高、壓縮比等。不同的視頻編解碼標準從時(shí)間差、技術(shù)發(fā)展上可以得知，其實(shí)是在繼承預測變換混合視頻編碼框架的基礎上，對預測、變換、量化、熵編碼等技術(shù)細節上做出優(yōu)化與改進(jìn)，其區別可能體現在圖像分辨力的定義、預測精度、包括搜索范圍、量化、補強等參數上的差異。

　　H.264

　　H.264/AVC標準是ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新一代數字視頻編碼標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分---AVC。與以往的國際編碼標準一樣，H.264采用傳統的基于塊的混合編碼框架，將輸入的圖像分成若干個(gè)大小為16x16的編碼塊，即宏塊;利用相鄰像素進(jìn)行幀內預測或者前面參考圖像進(jìn)行幀間預測，分別去除空域冗余和時(shí)域冗余，將原始編碼塊與預測塊相減得到預測殘差;之后對預測殘差進(jìn)行頻域DCT變換得到變換系數并量化;最后利用熵編碼進(jìn)行二進(jìn)制編碼，最大限度地去除量化后數據間的符號統計冗余。H.264其核心部分是在視頻編碼層采用了多項先進(jìn)編碼技術(shù)，如：多模式的空域幀內預測、更小尺寸的幀間預測、可變動(dòng)運動(dòng)估計、1/4像素精度運動(dòng)估計補償、整數DCT變換、基于內容的熵編碼以及自適應去塊效應濾波等，并且利用率失真優(yōu)化進(jìn)行運動(dòng)估計矢量和預測模式選擇，提高視頻編碼的率失真性能。

　　與MPEG-4等以往的編解碼標準相比，H.264最具價(jià)值的部分無(wú)疑是更高的數據壓縮比、更友好的網(wǎng)絡(luò )適應性。在不同分辨率、碼率下，H.264都能提供較高的視頻質(zhì)量;在同等的視頻質(zhì)量條件下，H.264的數據壓縮比相較于DVD系統中使用的MPEG-2高2-3倍，比MPEG-4高1.5-2倍，因此在網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中所需的寬帶就更少;另外，采用“網(wǎng)絡(luò )友善”的結構和語(yǔ)法，使其更有利于網(wǎng)絡(luò )傳輸;其靈活性的增強也為不同的開(kāi)發(fā)商提供了互聯(lián)互通的通用平臺，這些對于有大量視頻傳輸及存儲需求的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統來(lái)說(shuō)都是非常重要的，也是其成為目前視頻編解碼標準主流的奠基石。

　　H.265

　　隨著(zhù)超高清技術(shù)、云存儲等技術(shù)的快速發(fā)展，盡管網(wǎng)絡(luò )帶寬和存儲能力得到迅速提升，但是也未能真正滿(mǎn)足海量視頻數據對傳輸和存儲產(chǎn)生新的要求。在ITU-T與ISO/IEC聯(lián)合協(xié)作小組再次通力合作下制定的新一代高效視頻編碼國際標準H.265/HEVC，提高了視頻壓縮效率、傳輸友好特性、網(wǎng)絡(luò )適應性以及加強并行處理能力等，其突出的核心競爭力如下：

　　1、 在圖像分塊以及運動(dòng)補償、變換塊方面，支持更大尺寸和更多種類(lèi)。H.264中每個(gè)宏塊的固定大小都是16x16像素，而H.265的編碼單位采用更大的編碼單元，可以從8x8到64x64進(jìn)行選擇，其目的在于減少高清數字視頻的宏塊個(gè)數，相當于對圖像進(jìn)行了有重點(diǎn)的編碼，降低了整體碼率;

　　2、 幀內/幀間預測模式、運動(dòng)矢量預測模式和變換模式更加多樣。使用新的運動(dòng)矢量預測方式，區別于H.264基于空間域的運動(dòng)矢量預測方式，H.265擴充更多方向的幀內預測，同時(shí)將預測塊的集合由原來(lái)的空間域擴展到時(shí)間域及空時(shí)混合域，通過(guò)率失真準則計算后選擇最佳的預測塊，以獲得更高的壓縮比、更低的傳輸帶寬;

　　3、 更高的分辨率定義可以支持高達4K和8K分辨率的視頻圖像，視頻幀率也從30fps向60fps、120fps甚至240fps的超高幀率提升;

　　4、 增加環(huán)內采樣自適應偏移SAO，通過(guò)對重建圖像的分類(lèi)，對每一類(lèi)圖像像素值加減一個(gè)偏移，達到減少失真的目的，從而提高壓縮率，減少碼流。數據表明，采用SAO后，平均可以減少2%~6%的碼流，而編碼器和解碼器的性能消耗僅僅增加了約2%;

　　5、 考慮到芯片趨向從單核向多核并行化方向發(fā)展，引入Tile、Entropy slice、WPP等并行運算思路，更好地支持并行運算，以提高編碼解碼效率。

　　有反復測試數據表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過(guò)H.265編碼的視頻大小將減少大約39-44%;在碼率減少51-74%的情況下，H.265編碼視頻的質(zhì)量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好。

　　盡管H.265涵蓋了H.264的所有應用范圍，能夠較好的解決當前視頻高清化、網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展所帶來(lái)的帶寬、存儲、顯示的難題，但是它的推廣、普及并非能一蹴而就。浙江大華技術(shù)股份有限公司產(chǎn)品經(jīng)理楊陽(yáng)分析：“H.265屬于新技術(shù)，需要專(zhuān)門(mén)的芯片來(lái)支持，目前為止還需要更多的芯片廠(chǎng)家支持該協(xié)議;另外，還涉及到授權費問(wèn)題，如果商用化就必須繳納相應的授權費用，目前還未制定出未來(lái)將會(huì )如何收費。”

　　SVAC

　　目前主流推廣的視音頻編碼國際標準基本都針對廣播電視和大眾娛樂(lè )方面的應用，在安防領(lǐng)域具有很大的不適應性。我國公安部第一研究所和中星微公司牽頭制定了SVAC標準，旨在解決當前安防監控領(lǐng)域存在的由于信源編碼標準不統一導致的難以互聯(lián)互通、核心技術(shù)匱乏和信息安全隱患等問(wèn)題，創(chuàng )新性地提出了多項針對安防監控領(lǐng)域應用的視音頻編解碼特殊要求和實(shí)現手段，如：感興趣區域的變質(zhì)量編碼、可伸縮視頻編碼以及支持安防監控專(zhuān)用信息、支持數據安全保護等8大技術(shù)創(chuàng )新(如下)。

　　1、支持高精度視頻數據，在高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景提供更多圖像細節，減少編解碼環(huán)節的圖像信息損失;

　　2、采用幀內4x4預測與變換、上下文自適應二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)等技術(shù)提高編碼效率，在獲得更好圖像質(zhì)量的同時(shí)也能獲得更高的編碼效率;

　　3、支持感興趣區域(ROI)變質(zhì)量編碼，在網(wǎng)絡(luò )帶寬或存儲空間有限的情況下，對圖像中指定區域的編碼參數調整，保證該區域比圖像中其他區域有更好的解碼重建圖像質(zhì)量，提供更符合監控需要的高質(zhì)量視頻編碼;

　　4、支持可伸縮視頻編碼(SVC)，即多種分辨率視頻圖像同時(shí)編碼，根據傳輸帶寬和存儲空間動(dòng)態(tài)切換編碼碼流，滿(mǎn)足不同傳輸網(wǎng)絡(luò )帶寬和數據存儲環(huán)境的需求;

　　5、支持代數碼書(shū)激勵線(xiàn)性預測(ACELP)和變換音頻編碼(TAC)切換的雙核音頻編碼，保證對語(yǔ)音和環(huán)境(背景)聲音均有較好的編碼效果;

　　6、支持聲音識別特征參數編碼，避免編碼失真對語(yǔ)音識別和聲紋識別的影響;

　　7、支持監控專(zhuān)用信息，在編碼視(音)頻碼流中嵌入包括絕對時(shí)間、智能分析結果、報警信息在內的監控專(zhuān)用信息，信息格式符合國家標準GB/T 25724-2010(SVAC)的規定，便于視音頻內容的有效管理和綜合利用;

　　8、支持碼流加密和密鑰認證，對編碼視(音)頻碼流進(jìn)行加密和認證，保護編碼數據的安全性、完整性和非否認性。

　　對于SVAC未來(lái)的競爭，杭州?？低?/a>數字技術(shù)股份有限公司高級算法經(jīng)理武曉陽(yáng)為我們分析道：