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视频编码技术的基本原理及现状分析

去域冗余信息

视频数据具有很强的相关性，也就是说，存在大量的冗余信息。冗余信息可以分为空间冗余信息和时间冗余信息。压缩技术就是去除数据中的冗余信息(去除数据之间的相关性)。压缩技术包括帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。

1.去域冗余信息

帧间编码技术可以去除时域中的冗余信息，它包括以下三个部分：

1.运动补偿

运动补偿是通过前一幅局部图像对当前局部图像进行预测和补偿，是减少帧序列冗余信息的有效方法。

2.运动表示

不同区域的图像需要使用不同的运动矢量来描述运动信息。运动矢量通过熵编码来压缩。

3.运动估计

运动估计是从视频序列中提取运动信息的一整套技术。

注意：常见的压缩标准都使用基于块的memc。

第二，去除空域中的冗余信息。

使用主要的帧间编码技术和熵编码技术：

1.变换编码

帧内图像和预测的差分信号具有高空间冗余信息。编码将空间信号转换到另一个正交向量空间，这降低了它的相关性和数据冗余。

2.量化编码

变换编码后生成一批变换系数，对这些系数进行量化，使编码器的输出达到一定的比特率。这一过程导致精确度下降。

3.熵编码

熵编码是无损编码。它进一步压缩变换和量化后获得的系数和运动信息。

三、视频编码的基本框架

261

H.261标准是为ISDN设计的，主要用于实时编解码。压缩和解压缩信号的时延小于150ms，码率为px64kbps(p=1~30)。

H.261标准主要采用运动补偿帧间预测、DCT变换、自适应量化、熵编码等压缩技术。只有I帧和P帧，没有B帧，运动估计的精度只精确到像素级。支持两种图像扫描格式：QCIF和CIF。

263

H.263标准是极低比特率图像编码的国际标准。一方面是基于H.261，以混合编码为核心。它的基本原理框图和H.261很像，原始数据和比特流组织也差不多。另一方面，H.263还吸收了MPEG等其他国际标准的一些有效合理的部分，如半像素精度运动估计、PB帧预测等，使其性能优于H.261。

H.263使用的比特率可能小于64Kb/s，传输比特率可能不固定(可变比特率)。H.263支持多种分辨率：SQCIF(128x96)、QCIF、CIF、4CIF和16CIF。

与H.261和H.263相关的国际标准

H.261相关的国际标准

H.320:窄带可视电话系统和终端设备；

H.221:视听电信业务中641920 kb/s信道的帧结构；

H.230:视听系统的帧同步控制和指示信号；

H.242:使用高达2Mb/s数字频道的视听终端的系统。

H.263相关的国际标准

H.324:甚低比特率多媒体通信终端设备；

H.223:极低比特率多媒体通信复合协议；

H.245:多媒体通信控制协议；

G.723.1.1:传输速率为5.3Kb/s和6.3 KB/s的语音编码器

联合图像专家组

1986年，国际标准化组织(ISO)成立了联合图像专家组(JPEG)，主要致力于制定连续色调、多级灰度和静止图像的数字图像压缩编码标准。基于离散余弦变换(DCT)的通用编码方法是JPEG算法的核心内容。

MPEG-1/2

MPEG-1标准用于在数字存储器上对运动图像及其伴音进行编码，其数字速率为1.5 MB/s，MPEG-1的视频原理框图与H.261相似

MPEG-1视频压缩技术的特点：1 .随机存取；2.快进/快退搜索；3.反向重放；4.视听同步；5.容错能力；6.编码/解码延迟。MPEG-1视频压缩策略：为了提高压缩比，必须同时使用帧内/帧间图像数据压缩技术。帧内压缩算法与JPEG压缩算法大致相同，采用基于DCT的变换编码技术，减少空间域的冗余信息。帧间压缩算法采用预测法和插值法。预测误差可以通过DCT变换编码进一步压缩。帧间编码技术可以减少时间轴方向的冗余信息。

MPEG-2被称为“21世纪的电视标准”。它在MPEG-1的基础上进行了许多重要的扩展和改进，但其基本算法与MPEG-1相同。

MPEG-4

MPEG-4标准不是MPEG-2的替代品，它侧重于不同的应用领域。MPEG-4的初衷是为了满足视频会议和可视电话对超低比特率压缩(小于64Kb/s)的需求。在制定过程中，MPEG组织深刻感受到人们对媒体信息尤其是视频信息的需求从播放型向基于内容的访问、检索和操作转变。

MPEG-4与前面提到的JPEG和MPEG-1/2有很大的不同，它是多媒体数据的压缩编码。

　　JVT：新一代的视频压缩标准

　　JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG成立的联合视频工作组(Joint Video Team)，致力于新一代数字视频压缩标准的制定。

　　JVT标准在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4 AVC(part10)标准;在ITU-T中的名称:H.264(早期被称为H.26L)

　　H264/AVC

　　H264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验, 采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广。H.264创造性了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量(1/4、1/8)和新一代的环路滤波器，使得压缩性能大大提高，系统更加完善。

　　H.264主要有以下几大优点：

　　1、高效压缩：与H.263+和MPEG4 SP相比，减小50%比特率

　　2、 延时约束方面有很好的柔韧性

　　3、 容错能力

　　4、编/解码的复杂性可伸缩性

　　5、解码全部细节：没有不匹配

　　6、高质量应用

　　7、 网络友善

　　监控中的 视频编码技术

　　目前监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种 视频编码技术 。对于最终用户来言他最为关心的主要有：清晰度、存储量(带宽)、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。

　　MJPEG

　　MJPEG(Motion JPEG)压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。

　　MJPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，可以动态调整帧率、分辨率。但由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用空间较大，目前流行的MJPEG技术最好的也只能做到3K字节/帧，通常要8~20K!

　　MPEG-1/2

　　MPEG-1标准主要针对SIF标准分辨率(NTSC制为352X240;PAL制为352X288)的图像进行压缩. 压缩位率主要目标为1.5Mb/s.较MJPEG技术，MPEG1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。但MPEG1也有较多不利地方:存储容量还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。

　　MPEG-2 在MPEG-1基础上进行了扩充和提升，和MPEG-1向下兼容，主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域，分辨率为：低(352x288)，中(720x480)，次高(1440x1080)，高(1920x1080)。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率，满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得存储容量还是太大，也不适和网络传输。

　　MPEG-4

　　MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF(352*288)或者更高清晰度(768*576)情况下的视频压缩，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。另外MPEG-4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。

　　MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现，这一点有点偏离原来地初衷。另外对于中国企业来说还要面临高昂的专利费问题，目前规定：

　　1、每台解码设备需要交给MPEG-LA 0.25美元

　　2、编码/解码设备还需要按时间交费(4美分/天=1.2美元/月 =14.4美元/年)

　　H.264/AVC

　　H.264集中了以往标准的优点，在许多领域都得到突破性进展，使得它获得比以往标准好得多整体性能：

　　1、和H.263+和MPEG-4 SP相比最多可节省50%的码率，使存储容量大大降低;

　　2、 H.264在不同分辨率、不同码率下都能提供较高的视频质量;

　　3、 采用“网络友善”的结构和语法，使其更有利于网络传输。

　　H.264采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广，更容易在视频会议、视频电话中实现，更容易实现互连互通，可以简便地和G.729等低比特率语音压缩组成一个完整的系统。

　　MPEG LA吸收MPEG-4的高昂专利费而使它难以推广的教训，MPEG LA制定了以下低廉的H.264收费标准：H.264广播时基本不收费;产品中嵌入H.264编/解码器时，年产量10万台以下不收取费，超过10万台每台收取0.2美元，超过500万台每台收取0.1美元。低廉的专利费使得中国H.264监控产品更容易走向世界。

　　监控中视频编码分辨率的选择

　　目前监控行业中主要使用以下分辨率：SQCIF、QCIF、CIF、4CIF。

　　SQCIF和QCIF的优点是存储量低，可以在窄带中使用，使用这种分辨率的产品价格低廉;缺点是图像质量往往很差、不被用户所接受。

　　CIF是目前监控行业的主流分辨率，它的优点是存储量较低，能在普通宽带网络中传输，价格也相对低廉，它的图像质量较好，被大部分用户所接受。缺点是图像质量不能满足高清晰的要求。

　　4CIF是标清分辨率，它的优点是图像清晰。缺点是存储量高，网络传输带宽要求很高，价格也较高。

　　分辨率新的选择-528x384

　　2CIF(704x288)已被部分产品采用，用来解决CIF清晰度不够高和4CIF存储量高、价格高昂的缺点。但由于704x288只是水平分辨率的提升，图像质量提高不是特别明显。

　　经过测试，我们发现另外一种2CIF分辨率528x384，比704x288能更好解决CIF、4CIF的问题。特别是在512Kbps-1Mbps码率之间，能获得稳定的高质量图像，满足用户较高图像质量的要求。目前这一分辨率已被许多网络多媒体广播所采用，被广大用户所接受。比如杭州网通网上影院是采用512x384分辨率,在768k下能稳定地获得近似DVD的图像质量。

　　监控中实现视频编码的最佳方式

　　目前视频编码正处于一个技术日新月异的时期，视频编码的压缩性能在不断得到提升。

　　在监控中主要使用ASCI和DSP两种方案。由于ASIC芯片的设计、生产周期过长，使它已跟不上视频编码的发展速度。而DSP芯片，由于它的通用设计，使它能实现各种视频编码算法，并且可以及时更新视频编码器，紧跟视频编码的发展速度。另外使用DSP芯片可以比ASIC更灵活的配置编码器，使编码器达到最佳性能。

　　海康威视产品目前达到的技术水准

　　海康威视产品采用最先进的H.264视频压缩算法和高性能的DSP处理器。

　　强大的H.264视频压缩引擎使产品获得极高的压缩比、高质量的图像质量和良好的网络传输性能。高性能的DSP处理器能灵活的配置视频编/解码器：动态设置分辨率、帧率、码率、图像质量等;可以双码流输出，达到本地存储和网络传输分别处理的功能。

　　使用TM130X DSP的产品，单个芯片能实时压缩一路以下分辨率的视频：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。

　　使用DM642 DSP的产品，单个芯片能实时压缩4路以下分辨率的视频：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。单个芯片能实时压缩2路4CIF视频。

　　1、基本概念：嵌入式、实时与多任务

　　a、嵌入式：软件(包括操作系统和功能软件)集成于硬件系统之中，简单的说就是软件与硬件一体的系统。

　　b、实时：在规定的时限内响应事件。超时的响应是失败的响应。

　　c、多任务：同时响应多个请求

　　d、实时系统与分时系统：

　　实时与非实时相对

　　分时与非分时(独占)相对

　　2、嵌入式硬盘录像机的特点

　　a、嵌入式、实时、多任务设备

　　b、软硬件专业性强，无多余功能

　　c、结构简单紧凑，体积小

　　嵌入式硬盘录像机技术难点?

　　1、硬盘管理

　　硬盘记录数据的有效性、可快速检索、错误恢复能力、硬盘的使用寿命(无论是嵌入式还是PC式DVR，目前硬盘管理问题没有得到有效解决)

　　2、网络传输

　　硬盘录像机：网络管理

　　视频：网络传输

　　3、视频编解码

　　视频编解码及其辅助功能的实现

　　嵌入式硬盘录像机现状?

　　1、国内品牌为主

　　a 、不同的技术要求和标准

　　b、客户定制化服务的要求越来越高

　　c、及时的技术支持和售后服务

　　2、厂商越来越多，竞争非常激烈

　　3、产品正逐步走向成熟

　　七、嵌入式硬盘录像机发展趋势?

　　1、更广的应用领域

　　2、更高的帧率、分辨率

　　3、更低的码率

　　4、更丰富的功能

　　5、更强的主机性能，支持更多通道

　　6、更高的可*性

　　7、更强的网络性能

　　8、与基于PC机的DVR长期共存

　　市场背景

　　伴随着计算机及网络技术的飞速发展，尤其视频编解码技术的日益成熟、计算机处理能力的快速提高、以及宽带的逐渐普及，基于Internet的视频网络实时应用在许多行业和政府部门被大范围采用，尤其是银行、广电、石油、电力等行业，出现了许多成功案例。

　　提到基于Internet的视频网络实时应用，我们可能更多地会想到可视电话及视频会议系统、电视网络实况转播、远程教育等。这些Internet视频实时应用对软硬件的性能要求很高，要求既达到较高的帧率，又达到较低的码率，所以需要足够强大的处理能力(包括算法及芯片处理能力)。而要具备这种处理能力，往往需要昂贵的专用设备。

　　对于安防所涉及的数字视频网络监控系统，由于行业特性所决定，数据采集点较多，需要相应配置大量的编码设备，因此，与其他视频网络实时应用相比，价格成为一个相对比较敏感的因素。

　　以往的数字视频网络监控系统，基本上都是基于局域网或者专网。但是实际应用环境却很难保证这样的网络条件，因此系统集成商无法给用户提供一个完整的解决方案。

　　例如银行的ATM机数字集中式监控系统，就可能需要提供基于Internet的解决方案：宽带为主，窄带为辅。

　　首先ATM机原来预留的专网入口需要传输业务数据，考虑到ATM机24小时在线的业务服务和24小时视频监控的要求，我们很难提供一种解决方式，在同一个专网上，既保证业务数据传输稳定，又保证监控画面流畅，因此，我们需要考虑从宽带运营商租用线路，通过宽带传输视频数据。而且，从运行模式和成本上考虑，很多ATM机并不需要随时传输视频数据，往往只在异常发生的情况下，主动要求监控中心切换监控点;或者在监控中心定时巡查各监控点的时候才需要在线。这种情况下，就不需要为ATM机常年租用线路，只需要开通ADSL、ISDN、甚至通过电话线连接的方式。

本文到此结束，希望对大家有所帮助。