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视频编解码砥砺奋进为监控提速

近年来,无论是ISO/IEC 制定的MPEG-X还是国际电联ITU-T制定的H.26X系列,抑或中国特色的SVAC,皆在影视、网络等应用领域获得广泛应用......
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  近年来,无论是ISO/IEC 制定的MPEG-X还是国际电联ITU-T制定的H.26X系列,抑或中国特色的SVAC,皆在影视、网络等应用领域获得广泛应用。作为视频监控的实现基础和关键技术,其中的MPEG-4、H.264、MJPEG等亦在安防行业大放异彩,并为视频监控向高清化、智能化、网络化源源不断的输入“能量”,推动监控产业繁荣发展。

  自960H腾空出世后不久,高清监控随即进入模拟高清、数字高清、网络高清三分天下态势;而在模拟标清产品节节后撤之时,高清、网络监控一路高歌猛进;与此同时,智能视频行业初步完成磨合,也为智能分析全面应用铺平道路。跨入2012年,视频监控行业高清化、网络化、智能化热潮依然有增无减。然而,在其如火如荼的发展势头背后,离不开作为重要动力的视频编解码技术强力支援。

  发展轨迹

  从1948年提出电视信号数字化编码以来,图像编码压缩技术的研究已有六十多年的历史。时至今日,已形成并由国际标准化组织ISO/IEC制定的MPEG-X 和国际电联ITU-T 制定的H.26X两大系列视频编码国际标准。

  MPEG-X系列

  MPEG的全称是“Motion Picture Expert Group”(运动图像专家组),隶属于国际标准化组织ISO/IEC的一个专家工作组,其建成于1988年,主要负责为数字音视频编码算法开发和制定标准。MPEG标准的视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压缩编码技术以减小时间冗余度,利用DCT技术以减小图像的空间冗余度,利用熵编码则在信息表示方面减小了统计冗余度。这几种技术的综合运用,大大增强了压缩性能。目前,MPEG标准旗下主要有以下五个标准,MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。

  据苏州科达科技有限公司视频技术开发高级工程师赵波介绍,MPEG制定的初衷是为CD建立视音频标准,因而早些时候的标准都是面向数字影视而开发的。90年代风靡一时的VCD,可以说99%的VCD都是用MPEG1格式压缩的。而制定于1994年的MPEG-2在MPEG-1的基础上作了许多重要的扩展和改进,但基本算法和MPEG-1相同。MPEG-2主要应用在DVD的制作(压缩)方面,同时在一些 HDTV和一些高要求视频编辑、处理上面也有相当多的应用。其间,MPEG组曾经起草过MPEG-3,原本针对于HDTV,后来被MPEG-2代替。

  MPEG-1、MPEG-2在音视频界割地据城,大行其道,但是它们都不太适合于网络传输,特别要求在低码率和异构网络环境下的音视频信号通信——为了达到低码率的目标,必须大幅度提高视频数据的压缩比,而MPEG-1/2所采用的基于像像素的压缩方法,在压缩40到50倍后就几乎达到算法的极限,必须另辟蹊径。MPEG-4的目标就是为视听数据的编码和交互播放开发算法和工具,最初是一个数据速率很低的多媒体通信标准,后来的目标是要在异构网络环境下能够高度可靠地工作,并且具有很强的交互功能。 MPEG-4应用在移动通信和公用电话交换网(PSTN)上,并支持可视电话、电视邮件、电子报纸和其他低数据传输速率场合下的应用,如电视会议、网络流媒体、移动视频通信、IPTV等流媒体方面。

  在21世纪初,MPEG组力图建立一套描述符标准,用来描述各种类型的多媒体信息及它们之间的关系,以便更快更有效地检索信息。MPEG-7随即诞生。MPEG-7致力于视听数据信息编码的表达(表达内容的信息,而不是内容本身)。这一点与目标集中在视音频数据的压缩与编码的MPEG-1/2/4不同,MPEG-7所表达的不是内容/信息本身,而是表示信息的信息。MPEG-7提供了可视内容的标准结构和联接机制、以及对可视内容表述的标准化,为实现基于内容的检索提供了应用框架,并使对多媒体数据的创建、交换、检索和重用更加有效。

  由于多媒体标准层出不穷,但各个标准之间还存在缺漏,不能真正做到配套衔接,还需要一个综合性标准来协调。随着网络技术和应用的发展,基于多媒体的电子商务需要一个其结构可以理解的共享模式——多媒体框架的支持。有鉴于此,MPEG于1996年10月提出制定多媒体框架标准的设想,2000年6月正式批准制定MPEG-21标准的计划。MPEG-21又叫多媒体框架,2001年12月成为标准,功能是多媒体框架标准,基于多媒体的电子商务需要发展的共享模式,应用于不同多媒体系统的集成和应用。[nextpage]

  H.26X系列

  ITU-T国际电信同盟-电信标准化部门(International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)及其前身国际无线电咨询委员会CCIR(International Radio Consultative Committee)制定了一系列音视频压缩编码和通信技术标准。有别于MPEG标准主要用于光存储、广播和流媒体,H.26x标准主要用于网络和通信。除了视频编码标准本身之外,H.26x还有配套的系统、音频、控制等相关标准。其成员主要包括H.261、H.263、H.264等。

  H.261标准是ITU编制的第一个主流视频压缩标准。H.261标准是为ISDN设计,主要针对实时编码和解码设计,实际的编码算法类似于MPEG算法,但不能与后者兼容。其压缩和解压缩的信号延时不超过150ms。H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多,此算法为了优化带宽占用量,引进了在图像质量与运动幅度之间的平衡折中机制,也就是说,剧烈运动的图像比相对静止的图像质量要差。因此这种方法是属于恒定码流可变质量编码而非恒定质量可变码流编码。

  H.263在H.261之后得到开发,主要是为了以更低的比特率实现更高的质量。H.263标准是甚低码率的图像编码国际标准,它一方面以H.261为基础,以混合编码为核心,其基本原理框图和H.261十分相似,原始数据和码流组织也相似;另一方面,H.263也吸收了MPEG等其它一些国际标准中有效、合理的部分,如:半像素精度的运动估计、PB帧预测等,使它性能优于H.261。H.263使用的位率可小于64Kb/s,且传输比特率可不固定(变码率)。

  而与H.261、H.263不同的是,H.264是由MPEG与ITU-T的VCEG(Video Coding Experts Group视频编码专家组)联合组成的JVT(Joint Video Team联合视频组)共同制定的,与MPEG的对应标准为MPEG-4的第10部分MPEG-4/AVC。H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率,在同等图像质量的条件下,H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG-4的1.5~2倍。尤其值得一提的是,H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量的、流畅的图像,正因为如此,经过H.264压缩的视频数据,在网络传输过程中所需要的带宽更少,也更加经济。

  助推监控

  视频编解码技术是视频监控的实现基础和关键技术,视频监控在不断发展的同时,对视频编解码技术的需求也在不断提高。早先,在监控系统中,视频处理技术仅仅用来压缩存储数字化的视频信息。随着监控系统高清化、网络化和智能化的发展,安防领域有着压缩存储需求、显示和播放需求、网络QoS需求、安全性需求、交互性需求等一系列新的应用需求。而在编解码方式应用上,与多媒体业类似,也以MPEG-4、H.264为主。

  MPEG-4、H.264占据主流

  在采访中,北京中星微电子有限公司高级算法总监邱嵩谈到:“当前的视频监控,正在从模拟技术向数字技术演变,作为数字处理核心技术之一的视频编解码技术应用越来越广。目前已经部署的视频监控系统中,大量采用MPEG-4和H.264,尤以MPEG-4简单档次(simple profile)和H.264基本档次(baseline profile)居多,少数较新的监控设备和系统支持功能更强大的H.264主要档次(main profile)。”此外,由我国自主研发的专门针对安防监控应用的视音频编解码技术——SVAC已经正式成为国家标准,可以更好地满足安防监控的实际应用需求。SVAC作为新的专门针对安防监控应用的视音频编解码技术,已有多种产品,并在一些试点示范项目上得到应用,其特点和优势正日益显现。

  当然,由于每种技术都有自身特定的压缩比,因而在选用上应该针对不同的应用领域和目的而定。四川艾普视达数码科技有限公司市场部经理范清华表示:MPEG4 这种压缩方式主要用在早期的DVR中。而H.264标准具有比MPEG-4更高的压缩率,低码率、低延时,从而可以进一步减少对带宽的占用,是目前网络视频监控行业采用最多的标准。另外,在某些特殊应用场所,也会应用上MJPEG,比如电子警察中的抓拍,以期获得较好的图质。[nextpage]

  画质优先 兼顾码率控制

  呈现最佳画质,是视频监控业者矢志不渝的追求。然而在视频监控系统数字化过程中,带宽占用和图像质量的矛盾贯穿始终。据中星微电子邱嵩介绍,解决这个矛盾,还得从技术上入手,在保证重要图像质量的前提下,设法降低带宽占用。具体方案包括:

  · 采用具有更高压缩编码效率的方案,比如采用CABAC技术可以比目前常用的VLC技术在同等图像质量下减少编码码字在10%以上;

  · 采用感兴趣区域(ROI)变质量编码技术,在保证用户关注区域图像质量的前提下,通过减少背景区域的编码码字来降低带宽占用;特别是和智能视频分析技术相结合,通过智能视频分析结果来划定感兴趣区域,使得这项技术拥有更灵活的应用方式和更广阔的应用空间;例如,监控端需要在大屏幕上查看质量很好的图像;进行自动图像分析却只需要稍低质量的图像;再如手持用户需要看高质量的感兴趣区域图像,同时大屏幕上又需要查看监控的整体图像等等。松下的VIQS技术即是以其为蓝本;

  · 采用可伸缩视频编码(SVC)技术,通过对视频数据的分层次编码来满足不同带宽和图像质量的需求。可伸缩的视频编码技术因为具有良好的网络适应性,所以围绕它的应用,尤其是网络环境下的应用,会越来越多。可以预见,在未来的网络视频监控中,可伸缩技术将是保证网络传输质量的一个重要实现技术。苏州科达赵波表示,视频监控的网络化,说明应用环境的日趋复杂,使得一次编码,随处浏览的概念广为流行,SVC作为这个概念的实现者,正在市场中取得越来越广的应用;

  而在海康威视图像处理部产品经理俞海看来,对于码流过大的问题,若是抛开成本等因素,最直接的方法当然是采用更高级的压缩技术。拿H.264来说,目前市场产品使用的大多是基本档次,即Baseline Profile,而实际上H.264还有压缩比更高的主档次Main Profile和针对高清应用的高级档次High Profile。以Main Profile为例,其中包括针对隔行制式信号设计的field coding场编码方法,在DVR连接模拟相机进行4cif/D1分辨率编码的时候,能够大幅提高压缩视频的保真度。据了解,艾普视达监控新品基于H.264 Main Profile @Level 5.0压缩算法,其在保证图像质量的前提下,延时可以控制在250毫秒。

  挑战不容忽视

  视频压缩的目的是对数字视频进行编码——在保持视频质量的同时占用尽可能少的存储空间或在网络传输时占有更少的带宽,不过,在视频监控行业,视频编解码技术应用之路并不坦荡。

  在采访的书面回复中,中星微电子邱嵩表示,MPEG-4和H.264是在广电和互联网领域应用较广的视频编解码技术,技术上比较成熟。目前支持这两个标准的视频监控产品种类较丰富,但多数仅支持两个标准中最简单、最基础的功能集合,而且由于是从广电领域借用的标准,对一些视频监控应用的特殊需求支持不够,例如,对现场视频信息的保真度不够、网络适应性不强、没有考虑对机器智能分析和识别的支持、缺少对监控专用信息的支持、缺少对数据安全性和真实性的保护等等。

  其次,前面谈到 MPEG-2、MPEG-4、H.263和H.264在制定的时候没有特别把安防视频监控的需求考虑进去。这些现存标准也并不能够完全适合安防行业的各种特殊需求。比如视频监控要求编码技术具有可伸缩性,以适应不同的网络情况以及存储和检索的不同要求。另外,视频编码技术应该易于实现视频对象的分割,以有利于监控中预警信号的产生和事后对资料取证比对。

  再者,一些先进的编解码技术还没有应用在视频监控中。现存的一些先进的编解码技术还没有很好地应用在安防监控中,比如说可伸缩视频编解码、多视点视频编码等等。现在的监控系统中,使用的编解码技术主要还是解决压缩存储的问题。所以,在安防监控领域中,需要进一步加强对于编解码前沿技术的研究。

  最后,智能处理技术还没有成熟应用。智能化的视频监控需要具有图像检测预警的功能。目前,在一些大型视频监控系统中,监控系统几乎只作为一种提供事后取证录像的工具。因为在这些大型项目中,比如城市监控,一般有成百上千个监控点,工作人员根本无力管理和监看,因此,监控系统也丧失了原来拥有的预防能力。安防行业迫切需要的是智能化的视频监控,及时预警事件(盗窃、破坏、入侵)可能发生或正在进行的事件,提醒管理人员事态的发展到了限定的界线,以便及时地阻止事件,避免产生严重的后果。[nextpage]

  推陈出新

  市场需求是推进技术创新和应用的最大引擎。为了实现更好的压缩及获得新的市场机遇,现有标准也在不断发展。在标准化方面,MPEG工作组和VCEG工作组自联合制定H.264标准后,又陆续完成了面向可伸缩网络传输应用的H.264 SVC标准扩展,以及面向多视应用的H.264 MVC标准扩展(在视频监控类的应用中,多视点视频编码技术有助于实现多视角立体监控,多摄像头联动等应用),预计在明后年将推出H.265(即H.264 HVC)的编码标准,该标准主要依赖小波的聚能性能和分解级数进行视频压缩,在压缩效率、鲁棒性和错误恢复能力、实时迟延和复杂度等方面将会有较大改进。在国内,AVS工作组已经成功完成第一代AVS视音频编码标准的制定工作,而面向高清、超高清、三维视频的AVS2标准制定工作已经展开。此外,上文提到的安防监控SVAC标准自2011年5月1日正式实施以来,得到积极有序的推广,在多项试点示范项目应用上表现良好。

  除了上述行业标准以外,还出现了几种专用于因特网流媒体应用、广受欢迎的专用解决方案,其中包括 Real Networks Real Video (RV10)、Microsoft Windows Media Video 9 (WMV9) 系列、ON2 VP6 以及 Nancy。由于这些格式在内容中得到了广泛应用,因此专用编解码技术可以成为业界标准。2003年9月,微软公司向电影与电视工程师学会(SMPTE)提议在该机构的支持下实现 WMV9位流与语法的标准化。该提议得到了采纳,现在 WMV9已经被SMPTE作为VC-1实现标准化。

  新技术是带动产品和行业进步的火车头,而新技术要快速、大范围的推广必须走标准化道路。以H.264、SVAC等标准为代表的新标准和新技术的实施推广,将有效解决目前视频监控领域由于借用其他领域标准和技术而无法很好满足其特殊应用需求的问题,提升视频监控产品的技术水平,催生一批更具竞争性的新产品、新应用,加速视频监控系统向数字化、网络化、高清化、智能化方向的发展,推动视频监控产业健康、快速的成长。

  未来展望

  作为主要应用领域之一,监控行业已经走在编解码技术发展的前沿。可以预见,随着技术的不断发展,越来越多的视频压缩标准可以针对具体应用提供越来越高的压缩效率和越来越丰富的工具。另外,向网络化发展的趋势意味着许多产品越来越需要支持多种标准。

  海康威视俞海表示,在视频监控应用中,未来的监控产品研发明显趋势之一是支持新的视频标准,如H.264/AVC、AVS等,而支持多种格式编解码的能力也很关键。此外,对基于不同编码标准、不同帧速率、不同分辨率的视频流进行格式转换的能力是另一项关键能力。其还说道,未来视频编码技术发展的趋势,是标准化和专业化并存。标准化的内涵,不仅是遵循提高压缩率的核心价值来制定新的视频编码标准,而且是在物联网大产业的趋势下,与主流数字化多媒体技术紧密结合,制定形成跨行业、跨应用的更大范围、统一开放的标准体系。专业化,则是在标准化的基础之上,以底层属性互相兼容为前提,针对各领域的专业需求进行百花齐放的扩展,形成贴近应用而各具特色的产品。

  总之,在跨越式前进的同时,视频编解码技术将为视频监控向高清化、智能化、网络化源源不断的输入“能量”,推动监控产业繁荣发展。

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