傳統的視頻監控架構主要有三種方式:類比監控、數位監控和網路監控。類比監控多採用類比攝影機+監控矩陣的方式。數位監控多採用類比攝影機+DVR的方式。網路監控則多採用網路攝影機(或者類比攝影機+視頻編碼終端)+平臺/NVR的結構。隨著圖像壓縮存儲技術和網路傳輸技術的發展,能夠滿足大多數市場需求的網路監控模式(網路攝影機+平臺/NVR)已成為市場主流。
視頻監控需要高清實現
高清的實現,必然要求視頻監控解決方案的各環節:視頻採集、視頻編碼壓縮、視頻傳輸、視頻存儲、視頻數位信號的控制與交換、視頻流覽、錄影檔的重播等都支援高清。並且這些環節幾乎都對視頻編解碼有所要求。
視頻的採集,考慮到高清的資料量,很多時候會選擇將採集下來的圖像進行一定程度的近似無失真壓縮(JPEG或M-JPEG多被採用);視頻的傳輸和視頻序列的資料量有著直接的關係,解析度越大、清晰度越高,意味著在進行資料傳輸的時候碼流也會增大,增加網路頻寬壓力,因而視訊壓縮效率越高越能夠提高傳輸的QoS;資料流程量的增大也增加了視頻存儲的壓力,視頻的編碼壓縮率直接影響到視頻的儲存容量;視頻的流覽和視頻編解碼的品質直接關聯,清晰度越高,可以容忍的瑕疵也會越少;錄影檔的重播和網路適應性、視頻編解碼的品質掛鉤。
可見高清在視頻監控中普及的關鍵在於視頻編解碼的品質、壓縮率以及網路適應性。其中,對編解碼最核心的需求是:在盡可能的降低碼率的同時,獲得盡可能好的圖像品質。
H.264的優勢
2003年,由IEO/IEC和ITU—T兩大國際標準組織聯手推出的視頻標準H.264更好的滿足了這一要求。H.264也稱為MPEG4-Part10,相較於以前的視頻編解碼,可以達到更低的碼率,更好的圖像品質,更好的IP和無線通道適應性。同時我們也要注意到的是,H.264性能得到大幅提升的同時,計算複雜度也大大增加。下面主要介紹下H.264較諸其他視頻編解碼標準的優勢:
(1) 支持更小的圖塊(最小可到4×4)和更細的運動向量(Y分量為1/4圖元)。原圖塊被切分成更多尺寸更小的圖塊,這樣可以使細小的運動可以更容易的被區分出來,使得運動向量的精度得以提高,提高了編碼品質與效率,節省了碼流。
(2) 幀內預測。不適合運用運動估計的地方,就採用幀內估計用來消除空間冗餘。幀內預測並不是H.264所獨有的,但是相對其它編碼標準中的幀內變換,是在變換域中進行,H.264的幀內預測是在空間域中進行的。首先根據其周圍的巨集塊內部,估計通過在一個預定義的集合上的不同方向鄰近塊,推測相鄰圖元來預測當前運動圖塊。然後預測塊和真實塊之間的不同點被編碼。這種方法對於經常存在空間冗餘的平坦背景特別有用,可以節省碼流和提高編碼品質。
(3) 整數DCT 4×4變換與量化。MPEG-2,MPEG-4,H.263使用浮點DCT8X8變換。H.264使用更小的4×4塊,可以減少塊效應和明顯的人工痕跡。整數係數消除了在MPEG-2,MPEG-4,H.263中進行浮點係數運算時導致的精度損失。在量化上,量化步長的變化不象以前視頻編解碼標準中的每次遞增一個常量,而是將量化步長的變化幅度控制在12.5%左右,即可以改善編碼品質,又提高對碼率的控制能力(見圖1)。
圖1 整數DCT 4×4變換與量化
(4) 熵編碼。H.264提供了兩種可選方式的熵編碼模式:全域VLC(即UVLC,Universal
VLC)和基於語法的上下文自我調整二值算術編碼CABAC(Context Adaptive Binary
Arithmetic Coding)。UVLC使用一個相同的碼表進行編碼,而解碼器很容易識別碼字的首碼,UVLC在發生比特錯誤時能快速獲得重同步。UVLC計算複雜度較低,主要針對對編碼時間要求很嚴格的應用,缺點就是效率低,壓縮率不高;CABAC其編碼性能比UVLC有提升,但複雜度較高。
(5) 多參考幀的運動補償和加權預測。使用多幀運動補償可以提高編碼品質和效率,且有利於恢復丟包。加權預測可用於修正P幀或B幀內中的運動補償預測圖元的方法,可以提高編碼品質。
(6) 環內濾波。視頻轉碼器中加入濾波器的方法有兩種:環外濾波器和環內濾波器。環外濾波器只處理編碼環路外的顯示緩衝器中的資料,所以它不是標準化過程中的規範內容,在標準中只是可選項。相反環路濾波器處理編碼環路中的資料。在轉碼器中,被濾波的圖像幀作為後續編解碼幀運動補償的參考幀;在解碼器中,濾波後的圖像輸出顯示。這要求所有與本標準一致的解碼器採用同一個濾波器以與編碼器同步。當然如果有必要,解碼器也還可以在使用環路濾波器的同時使用後置濾波器。由於考慮了塊資料的邊界等資訊,環內濾波器的效果要好於環外濾波器。H.264採用了環內濾波器,通過對宏塊邊緣的平滑濾波, 減輕視頻編碼中的塊效應,既減弱“塊效應”的影響又避免濾掉圖像的客觀特徵,同時在相同主觀品質下使位元速率減少 5%~10%。
2005年增加的H.264
High Profile,由於其更高的編碼壓縮率和網路適應性,被很多應用領域關注,其中包括高清視訊會議、高清視頻監控、無線監控等。
H.264 High Profile是目前H.264各種Profile中編碼最高效的Profile。在H.264 Main Profile的基礎上增加了8x8幀內預測、自訂量化矩陣、無損視頻編碼、支援輸入圖像為YUV400格式。與其他標準相比,在相同失真率條件下H.264 High Profile的編碼效率提高了50%左右。其中,對提升編碼壓縮率的主要有CABAC編碼、多參考幀、8x8幀內預測、8x8DCT變換。
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