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数字视频的编解码技术浅析(中)

在数字视频监控领域中,视频的编解码技术是其核心,正确理解数字视频的编解码概念有助于更好地设计数字视频监控系统与合理地选择相关产品。然而长久以来,充斥于网络上关于各种编解码技术的描述艰涩难懂,更谈不上很好地理解。本文试图以简单明了的语言与图解,叙述关于视频编解码的若干重要概念,以便初学者能正确理解这些概念,推动数字视频监控领域的工作,甚至为研究具体的编解码标准打下良好的基础。
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  B帧即双向预测编码帧,B帧的构建需要和其前面和后面的帧同时进行对比才能完成。换句话说,B帧完全是压缩算法有根据地“猜”出来的。由于压缩编码芯片多了这部分工作,故采用B帧后将会产生较大的延时。通俗地讲,B帧类似数码相机中的电子变倍,我们都知道,电子变焦的原理是利用插值算法,实际画面并没有变大,只是CPU计算出相邻像素的中间值然后插在相邻像素之间,形成画面被放大的感觉。B帧的原理也是如此,他会对相邻的前帧和后帧进行比对处理,找到两者画面的中间状态,然后生成一幅新的图像,这幅图像完全是芯片根据前后两帧画面计算出来的,芯片认为两幅画面之间应该是什么样子,于是按既定算法生成一个B帧。理论上任两幅连续画面之间都存在一个或多个过渡的画面,B帧就是利用这个原理生成的。当然,可以根据需要添加若干个B帧。显然,B帧能使画面更加平滑流畅但将对压缩编码芯片的计算能力提出更高的要求。B帧需要同时参考其前后的帧才能构建完成,这点和P帧有所不同(如图5)。

  当视频解码器逐帧对视频流进行解码重构视频时,必须从I帧进行解码,如果使用了P帧和B帧,则要和相关的参考帧一起进行解码。

  可以想象,如果很长一段视频只有一个I帧,而后续帧统统是基于I帧参考计算出的B或者P帧的话,再精确再高级的算法也没法保证图像质量一直优秀,因为实际图像很快就会发生较大的变化,可能整个画面完全变化。所以需要不断地插入新的I帧供后续P帧参考,I帧的插入频率是可以通过视频编码设备设置的,但是频繁地插入I帧,无疑将增大视频的数据量。此外,采用B帧将会加大视频的延时性。

  目前,主流实用化的视频压缩算法都是以上述原理为基础实现的,当然,实际的算法要复杂得多,但基本原理如此。

  对于MPEG-4和H.264的详细算法定义,可以去网上查询,这里只对上述几种压缩算法做一对比。显然,M-JEPG可以最大限度地保证视频质量,但是由于压缩率低,压缩后的视频数据量仍然很大,在目前的视频监控领域基本不采用。真正实际使用的压缩算法是MPEG-4和H.264,而H.264在保证同样视频质量的条件下,占用带宽要小于MPEG-4,远小于M-JPEG。目前业内已经达成共识,H.264算法将成为未来一段时间内视频压缩算法的主流技术。[nextpage]

  图6可清楚地比较出同样视频质量的条件下,不同算法的占用带宽情况。

  在图6中,H.264算法采用基准类别,即视频序列中不出现B帧,用于减少延时。而MPEG-4则以使用运动补偿算法和不使用这种算法的做了一个对比,可见,使用运动补偿算法的占用带宽要少于不使用这种算法的。无论如何,H.264在实现同样视频质量的前提下,将分别比MPEG-4和M-JEPG节省50﹪和80﹪的数据量,正因如此,H.264算法才成为行业的首选。

  凡事总有两面性,H.264的先进性能是以算法的复杂程度为代价的,此算法的实现将对编码设备芯片以及解码工作站的性能提出更高的要求。

  视频编码器(视频服务器)

  在以往的模拟视频监控系统中,监控前端是模拟摄像机,图像传输需通过同轴电缆,在数字视频监控中,监控前端输出的视频信号直接是经过压缩算法计算后的适合网络传输的数字视频流,可经过有线或者无线网络设备传输。可以说,数字摄像机就是将模拟摄像机和数字编码器结合的产物,其内部除了传统的模拟图像采集部件外还集成了内置数字视频压缩算法的处理芯片以及用于网络传输的相关模块,数字监控前端将不再输出模拟视频信号,而只有一个网口用于传输数字视频。这种监控前端被叫做纯数字摄像机,那么如果原来已经存在模拟摄像机,怎么把系统改造为数字监控系统呢?这时就必须采用数字视频编码器,简单地说,一个模拟摄像机加一个数字视频编码器就等于一个纯数字摄像机,如图7。

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