浅析H264的原理及在监控领域的应用

浅析H.264的原理及在监控领域的应用摘要：目前，我国视频监控市场正在快速发展中，各种监控需求正在逐年增多，监控设备也越来越丰富，随着国家“十一五”规划的实施，预防各类犯罪案件成为国家发展的重中之重，而一旦犯罪案件发生，确凿而有力的证据是制裁各类犯罪案件的最有效的工具。对于视频监控而言，图像清晰度是一个至关重要的指标。只有图像清晰度上去了，才能使用户体验更好，智能应用等业务准确性更高。近年来，视频压缩技术的发展(以H.264为代表)和网络带宽的不断提升为高清在视频监控领域的普及提供了契机。H.264规定了一个编了码的视频比特流的句法，和该比特流的解码方法，各个不同的厂家可以都可以连接使用。采用H.264视频压缩标准，对采集的数字视频信号进行压缩传输，并通过远程监控对视频信息进行管理，取得了很好的效果。关键词：H.264视频监控1.H.264技术1.1H.264简介H.264是一种视频高压缩技术，全称是MPEG-4AVC，用中文说是。活动图像专家组-4的高等视频编码。，或称为MPEG-4Part10。它是由国际电信标准化部门ITU-T和规定MPEG的国际标准化组织ISO/国际电工协会IEC共同制订的一种活动图像编码方式的国际标准格式，这是我们叫惯了的MPEG中的一种。1.2H.264标准的主要特点H.264标准的主要特点如下：1）更高的编码效率：同H.263等标准的特率效率相比，能够平均节省大于50%的码率。2）高质量的视频画面：H.264能够在低码率情况下提供高质量的视频图像，在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点。3）提高网络适应能力：H.264可以工作在实时通信应用（如视频会议）低延时模式下，也可以工作在没有延时的视频存储或视频流服务器中。4）采用混合编码结构：同H.263相同，H.264也使用采用DCT变换编码加DPCM的差分编码的混合编码结构，还增加了如多模式运动估计、帧内预测、多帧预测、基于内容的变长编码、4x4二维整数变换等新的编码方式，提高了编码效率。5）H.264的编码选项较少：在H.263中编码时往往需要设置相当多选项，增加了编码的难度，而H.264做到了力求简洁的。回归基本。，降低了编码时复杂度。6）H.264可以应用在不同场合：H.264可以根据不同的环境使用不同的传输和播放速率，并且提供了丰富的错误处理工具，可以很好的控制或消除丢包和误码。7）错误恢复功能：H.264提供了解决网络传输包丢失的问题的工具，适用于在高误码率传输的无线网络中传输视频数据。8）较高的复杂度：264性能的改进是以增加复杂性为代价而获得的。据估计，H.264编码的计算复杂度大约相当于H.263的3倍，解码复杂度大约相当于H.263的2倍。2.视频系统2.1视频监控系统状况及发展趋势视频监控的基本业务功能是提供实时监视的手段，并对被监视的画面进行录像存储，以便事后回放。在此基础上，视频监控系统可以对监控装置进行远程控制，接收报警信号，并能处理报警信息传统的模拟视频监控，如图1所示。图1模拟视频监控系统Figure1analogvideomonitoringsystem随着宽带网络的普及，视频监控逐渐从本地监控向远程监控发展，出现了以网络视频服务器为代表的远程网络视频监控系统。网络视频服务器解决了视频流在网络上的传输问题，从图像采集开始进行数字化处理!传输，这样使得传输线路的选择更加多样性，只要有网络的地方，就提供了图像传输的可能。整个系统趋向平台化!智能化，很多互联网企业己开始涉足此类视频监控系统的开发，目前尚属市场起步阶段。典型的网络视频监控系统如图2所示。图2网络视频监控系统Figure2networkvideomonitoringsystem网络部分则是视频监控和其他系统互通的一个接口，如果视频监控系统和其他业务网络共同使用时，也可能会融为一体。2.2网络视频监控系统的优点随着视频压缩技术的发展和网络的普及，网络带宽成本正在下降，千兆以太网及高端路由器产品的出现使局域网与广域网的界限越来越模糊。与此同时，带有护地址的LAN(局域网)接口摄像机!编/解码器!硬盘录像机等相继出现，并被应用于基于网络的电视监控系统中，而利用数字图像处理技术对监控视频信号进行优化处理，以及利用网络优势实现基于网络的远程视频监控的应用更是比传统的模拟闭路电视监控系统具有更大的优点网络视频监控系统的优点主要有:1）数字图像提高了图像传输的质量和监控效率;2）数字图像处理技术使监控显示画面更加清晰;3）数字存储方式提高了图像清晰度;4）数字图像处理技术使远程实时侦测成为可能;5）利用现有网络有效节约资源;6）便于计算机进行处理;7）能够提供远程访问;8）便于对历史记录的检索与取证;9）保证了原始证据的真实性;10）更易于管理维护和升级。因为网络视频监控系统比传统的模拟闭路电视监控系统具有上述十大优点，所以网络视频监控系统在各种安防监控系统中迅速发展起来。3.H.264视频监控3.1视频信号和视频压缩技术视频制式的分类，最早是由电视发展而来的，电视中最早采用的技术是模拟视频制式，最后在模拟视频制式的基础上发展而成了数字视频信号，后来由于网络的发展和存储的需求，产生了一些视频压缩算法和标准，比如我们熟知的MPEG一4!H.264等视频压缩标准。3.2视频压缩技术当前在网络视频监控系统中常用的视频压缩标准包括H.261!H.263!MPEG一1!MPEG一4等面向实际应用，150/正C和rrU一T两大国际标准化组织最近共同制定的H264建议是视频编码技术的新发展。它在多模式运动估计!整数变换!统一VLC符号编码!分层编码语法等方面都有它的独到之处。因此H.264算法具有很高的编码效率，发展前景很好。3.2.1基本原理视频信息具有一系列优点，如直观性!确切性!高效性!广泛性等等。但是视频信息的信息量太大，要使得视频得到有效的应用，必须首先解决视频压缩编码的问题，其次要解决压缩后视频质量保证的问题。这两者之间是相互矛盾的，最好的视频压缩技术是既要有较大的压缩比，又要保证一定的视频质量。一个好的压缩算法应具有亮点基本特点。一方面，必须压缩在一定的带宽内，即视频编码器应具有足够压缩比的功能;另一方面，视频信号压缩以后，经过解码后应保持一定的视频质量，通常用信噪比(S加)来度量。视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉，即去除数据之间的相关性。基本的视频压缩技术包扩预测编码和变换编码。3.2.2压缩标准的分类和发展在视频监控网络中常用的视频压缩标准是MpEG一1!MPEG一2!MpEG一4!H.261!H.263!H.264等。3.3H.264视频压缩标准H.264是2003年3月发布的一种高性能的视频编解码技术，它是由ITU一T和150两个国际组织联合组建的联合视频组共同制定的新数字视频编码标准。H.264被150称为MPEG一4AVC或MPEG一4Partlo。H.264最大的优势是具有高压缩率，在同等图像质量的条件下，其压缩率是MPEG一2的2倍以上，是MPEG一4的1.5一2倍。举个例子，如果原始文件的大小为88GB，采用MPEG一2压缩标准压缩后变成3.5GB，压缩率为25:1，而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB，压缩率达到102:1。其次，H.264对网络传输提供了更好的支持，它采用内容自适用可变长码(CAVLC)和内容自适用二进制算法(CABVC)编码作为纠错编码，具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高!干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264引入了面向正包的编码机制，有利于网络的分组传输，支持网络中的视频流媒体传输;支持不同网络资源下的分级编码传输，大大节省用户的下载时间和数据流量收费，尤其是在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。3.3.1H.264特点H.264和其他几种视频压缩标准相比，同属于预测变换的混合编码架构，在预测!变换!量化和嫡编码这些基本的函数单元上没什么大的变化，H.264的重大变化体现在具体的实现功能细节上，下面对H.264的关键技术特点分别进行介绍和分析。1）高精度!多模式运动估计2）多种帧内预测编码模式3）4X4块的整数变换4）增强的嫡编码(Entropyeoding)方案5）去块效应滤波器3.3.2H.264的原理H.264并不明确地规定一个编解码器如何实现，而是规定了一个编了码的视频比特流的句法，和该比特流的解码方法，各个厂商的编码器和解码器在此框架下应能够互通，在实现上具有较人的灵活性，而且有利于相互竞争。H.264编码器的功能组成分别如图3所示。图3H.264编码器Figure3H.264encoder3.3.3H.264的优点作为新一代的视频编码技术，H.264和MPEG一4视频压缩标准都广泛的应用于视频监控系统中，相比较MPEG一4，H.264在网络视频监控系统中具有很多的优点。在相同的视频监控系统画面中系统具有更小的压缩码率，当视频压缩码率相同时，H.264比MpEG一4具有更好的视频图像质量。针对视频监控系统侧重于图像细节应用的特点，选取4:2:O，CIF格式标准测试序列进行测试，测试序列帧频为30F/s，长度为8.335。表1给出了两种编码器在不同采样码率下的视频输出码率!亮度!色度(U!V)分量值的对比。表1高码率下2种视频压缩标准的比较Table1highbitrateundertwokindsofvideocompressionstandards序列采样码率编码标准视频输出码/kbit/s亮度分量信噪比/dB色度分量信噪/dB色度分量信噪/dB512bit/sMPEG-4508.3628.4033.0833.54H.264512.9231.3335.2735.451024bit/sMPEG-41028.1731.3935.3635.68H.2641026.0934.7037.3937.71通过表1可知，在高码率(32一1024kbps)的情况下，H.264与MpEG一4相比具有性能倍增效应，即:相同码率的H.264媒体流和MPEG一4媒体流相比，H.264的编码性能(即输出亮度色度分量的信噪比)相对于MPEG一4提高了1~3dB。针对视频监控系统侧重于低时延和实时性的要求，选取4:2:O，CIF格式标准测试序列进行测试的结果如表2.3所示，测试序列帧频为30F/s，长度为1050。表2给出了两种编码器在不同采样码率下的视频输出码率!亮度!色度(U!V)分量值的对比。表2低码率下2种视频压缩标准的比较Table2twounderlowbitratevideocompressionstandardofcomparison序列采样码率编码标准视频输出码/kbit/s亮度分量信噪比/dB色度分量信噪/dB色度分量信噪/dB128bit/sMPEG-4127.8229.1233.6234.18H.264128.3530.9635.7636.03256bit/sMPEG-4257.2832.3935.8736.25H.264255.0234.2637.6938.16通过表2可知，在中低码率(犯一256kbps)的情况下，H.264其编码性能(即输出亮度色度分量的信噪比)相对于MPEG一4提高了1~ZdB。由表2.3和表2.4分析可以看出，在高码率和低码率的视频监控系统的应用中，H.264比MPEG一4具有更好的性能，更适合在视频监控系统中作为压缩标准。参考文献[1]卢秋波.视频监控技术简介与发展趋势.电信网技术[J].2007，1，9-12.LuQiubo.Videomonitoringtechnologyintroductionandthedevelopmenttendency.Telecommunicationnetworktechnology[J].J.，2007，1，9-12(inChinese)．中文期刊：注：其中，“2007”为出版年，“7”为期号，“9-12”为起止