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視頻編碼技術(shù)的基本原理及其現(xiàn)狀分析

2010年02月21日 10:20 wenjunhu.com 作者:佚名 用戶評論(0
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視頻編碼技術(shù)的基本原理及其現(xiàn)狀分析

去時域冗余信息

  
  視頻圖像數(shù)據(jù)有極強的相關(guān)性,也就是說有大量的冗余信息。其中冗余信息可分為空域冗余信息和時域冗余信息。壓縮技術(shù)就是將數(shù)據(jù)中的冗余信息去掉(去除數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性),壓縮技術(shù)包含幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、幀間圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和熵編碼壓縮技術(shù)。

一、去時域冗余信息

  使用幀間編碼技術(shù)可去除時域冗余信息,它包括以下三部分:

  1、 運動補償

  運動補償是通過先前的局部圖像來預測、補償當前的局部圖像,它是減少幀序列冗余信息的有效方法。

  2、 運動表示

  不同區(qū)域的圖像需要使用不同的運動矢量來描述運動信息。運動矢量通過熵編碼進行壓縮。

  3、 運動估計

  運動估計是從視頻序列中抽取運動信息的一整套技術(shù)。

  注:通用的壓縮標準都使用基于塊的運動估計和運動補償
二、去空域冗余信息

  主要使用幀間編碼技術(shù)和熵編碼技術(shù):

  1、變換編碼

  幀內(nèi)圖像和預測差分信號都有很高的空域冗余信息。變換編碼將空域信號變換到另一正交矢量空間,使其相關(guān)性下降,數(shù)據(jù)冗余度減小。

  2、量化編碼

  經(jīng)過變換編碼后,產(chǎn)生一批變換系數(shù),對這些系數(shù)進行量化,使編碼器的輸出達到一定的位率。這一過程導致精度的降低。

  3、 熵編碼

  熵編碼是無損編碼。它對變換、量化后得到的系數(shù)和運動信息,進行進一步的壓縮。
三、視頻編碼的基本框架


  H.261

??H.261標準是為ISDN設(shè)計,主要針對實時編碼和解碼設(shè)計,壓縮和解壓縮的信號延時不超過150ms,碼率px64kbps(p=1~30)。

??H.261標準主要采用運動補償?shù)膸g預測、DCT變換、自適應量化、熵編碼等壓縮技術(shù)。 只有I幀和P幀,沒有B幀,運動估計精度只精確到像素級。支持兩種圖像掃描格式:QCIF和CIF。

  H.263

  H.263標準是甚低碼率的圖像編碼國際標準,它一方面以H.261為基礎(chǔ),以混合編碼為核心,其基本原理框圖和H.261十分相似,原始數(shù)據(jù)和碼流組織也相似;另一方面,H.263也吸收了MPEG等其它一些國際標準中有效、合理的部分, 如:半像素精度的運動估計、PB幀預測等,使它性能優(yōu)于H.261。

  H.263使用的位率可小于64Kb/s,且傳輸比特率可不固定(變碼率)。H.263支持多種分辨率: SQCIF(128x96)、 QCIF、CIF、4CIF、16CIF。
與H.261和H.263相關(guān)的國際標準


  與H.261有關(guān)的國際標準

  H.320:窄帶可視電話系統(tǒng)和終端設(shè)備;

  H.221:視聽電信業(yè)務中64~1 920Kb/s信道的幀結(jié)構(gòu);

  H.230:視聽系統(tǒng)的幀同步控制和指示信號;

  H.242:使用直到2Mb/s數(shù)字信道的視聽終端的系統(tǒng)。

  與H.263有關(guān)的國際標準

  H.324:甚低碼率多媒體通信終端設(shè)備;

  H.223:甚低碼率多媒體通信復合協(xié)議;

  H.245:多媒體通信控制協(xié)議;

  G.723.1.1:傳輸速率為5.3Kb/s和6.3Kb/s的語音編碼器。

  JPEG

  國際標準化組織于1986年成立了JPEG(Joint Photographic Expert Group)聯(lián)合圖片專家小組,主要致力于制定連續(xù)色調(diào)、多級灰度、靜態(tài)圖像的數(shù)字圖像壓縮編碼標準。常用的基于離散余弦變換(DCT)的編碼方法,是JPEG算法的核心內(nèi)容。

  MPEG-1/2

  MPEG-1標準用于數(shù)字存儲體上活動圖像及其伴音的編碼,其數(shù)碼率為1.5Mb/s。 MPEG-1的視頻原理框圖和H.261的相似。

  MPEG-1視頻壓縮技術(shù)的特點:1. 隨機存取;2. 快速正向/逆向搜索;3 .逆向重播;4. 視聽同步;5. 容錯性;6. 編/解碼延遲。MPEG-1視頻壓縮策略:為了提高壓縮比,幀內(nèi)/幀間圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須同時使用。幀內(nèi)壓縮算法與JPEG壓縮算法大致相同,采用基于DCT的變換編碼技術(shù),用以減少空域冗余信息。幀間壓縮算法,采用預測法和插補法。預測誤差可在通過DCT變換編碼處理,進一步壓縮。幀間編碼技術(shù)可減少時間軸方向的冗余信息。

  MPEG-2被稱為“21世紀的電視標準”,它在MPEG-1的基礎(chǔ)上作了許多重要的擴展和改進,但基本算法和MPEG-1相同。

  MPEG-4

  MPEG-4標準并非是MPEG-2的替代品,它著眼于不同的應用領(lǐng)域。MPEG-4的制定初衷主要針對視頻會議、可視電話超低比特率壓縮(小于64Kb/s)的需求。在制定過程中,MPEG組織深深感受到人們對媒體信息,特別是對視頻信息的需求由播放型轉(zhuǎn)向基于內(nèi)容的訪問、檢索和操作。

  MPEG-4與前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同,它為多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼提供了更為廣闊的平臺,它定義的是一種格式、一種框架,而不是具體算法,它希望建立一種更自由的通信與開發(fā)環(huán)境。于是MPEG-4新的目標就是定義為:支持多種多媒體的應用,特別是多媒體信息基于內(nèi)容的檢索和訪問,可根據(jù)不同的應用需求,現(xiàn)場配置解碼器。編碼系統(tǒng)也是開放的,可隨時加入新的有效的算法模塊。應用范圍包括實時視聽通信、多媒體通信、遠地監(jiān)測/監(jiān)視、VOD、家庭購物/娛樂等。

  JVT:新一代的視頻壓縮標準

  JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG成立的聯(lián)合視頻工作組(Joint Video Team),致力于新一代數(shù)字視頻壓縮標準的制定。

  JVT標準在ISO/IEC中的正式名稱為:MPEG-4 AVC(part10)標準;在ITU-T中的名稱:H.264(早期被稱為H.26L)

  H264/AVC

  H264集中了以往標準的優(yōu)點,并吸收了以往標準制定中積累的經(jīng)驗, 采用簡潔設(shè)計,使它比MPEG4更容易推廣。H.264創(chuàng)造性了多參考幀、多塊類型、整數(shù)變換、幀內(nèi)預測等新的壓縮技術(shù),使用了更精細的分象素運動矢量(1/4、1/8)和新一代的環(huán)路濾波器,使得壓縮性能大大提高,系統(tǒng)更加完善。

  H.264主要有以下幾大優(yōu)點:

  1、高效壓縮:與H.263+和MPEG4 SP相比,減小50%比特率

  2、 延時約束方面有很好的柔韌性

  3、 容錯能力

  4、編/解碼的復雜性可伸縮性

  5、解碼全部細節(jié):沒有不匹配

  6、高質(zhì)量應用

  7、 網(wǎng)絡友善
監(jiān)控中的視頻編碼技術(shù)

  目前監(jiān)控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術(shù)。對于最終用戶來言他最為關(guān)心的主要有:清晰度、存儲量(帶寬)、穩(wěn)定性還有價格。采用不同的壓縮技術(shù),將很大程度影響以上幾大要素。

  MJPEG

  MJPEG(Motion JPEG)壓縮技術(shù),主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來的技術(shù),它的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化,只單獨對某一幀進行壓縮。

  MJPEG壓縮技術(shù)可以獲取清晰度很高的視頻圖像,可以動態(tài)調(diào)整幀率、分辨率。但由于沒有考慮到幀間變化,造成大量冗余信息被重復存儲,因此單幀視頻的占用空間較大,目前流行的MJPEG技術(shù)最好的也只能做到3K字節(jié)/幀,通常要8~20K!

  MPEG-1/2

  MPEG-1標準主要針對SIF標準分辨率(NTSC制為352X240;PAL制為352X288)的圖像進行壓縮. 壓縮位率主要目標為1.5Mb/s.較MJPEG技術(shù),MPEG1在實時壓縮、每幀數(shù)據(jù)量、處理速度上有顯著的提高。但MPEG1也有較多不利地方:存儲容量還是過大、清晰度不夠高和網(wǎng)絡傳輸困難。

  MPEG-2 在MPEG-1基礎(chǔ)上進行了擴充和提升,和MPEG-1向下兼容,主要針對存儲媒體、數(shù)字電視、高清晰等應用領(lǐng)域,分辨率為:低(352x288),中(720x480),次高(1440x1080),高(1920x1080)。MPEG-2視頻相對MPEG-1提升了分辨率,滿足了用戶高清晰的要求,但由于壓縮性能沒有多少提高,使得存儲容量還是太大,也不適和網(wǎng)絡傳輸。

  MPEG-4

  MPEG-4視頻壓縮算法相對于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有著顯著提高,在CIF(352*288)或者更高清晰度(768*576)情況下的視頻壓縮,無論從清晰度還是從存儲量上都比MPEG1具有更大的優(yōu)勢,也更適合網(wǎng)絡傳輸。另外MPEG-4可以方便地動態(tài)調(diào)整幀率、比特率,以降低存儲量。

  MPEG-4由于系統(tǒng)設(shè)計過于復雜,使得MPEG-4難以完全實現(xiàn)并且兼容,很難在視頻會議、可視電話等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn),這一點有點偏離原來地初衷。另外對于中國企業(yè)來說還要面臨高昂的專利費問題,目前規(guī)定:

  1、每臺解碼設(shè)備需要交給MPEG-LA 0.25美元

  2、編碼/解碼設(shè)備還需要按時間交費(4美分/天=1.2美元/月 =14.4美元/年)

  H.264/AVC

  H.264集中了以往標準的優(yōu)點,在許多領(lǐng)域都得到突破性進展,使得它獲得比以往標準好得多整體性能:

  1、和H.263+和MPEG-4 SP相比最多可節(jié)省50%的碼率,使存儲容量大大降低;

  2、 H.264在不同分辨率、不同碼率下都能提供較高的視頻質(zhì)量;

  3、 采用“網(wǎng)絡友善”的結(jié)構(gòu)和語法,使其更有利于網(wǎng)絡傳輸。

  H.264采用簡潔設(shè)計,使它比MPEG4更容易推廣,更容易在視頻會議、視頻電話中實現(xiàn),更容易實現(xiàn)互連互通,可以簡便地和G.729等低比特率語音壓縮組成一個完整的系統(tǒng)。

  MPEG LA吸收MPEG-4的高昂專利費而使它難以推廣的教訓,MPEG LA制定了以下低廉的H.264收費標準:H.264廣播時基本不收費;產(chǎn)品中嵌入H.264編/解碼器時,年產(chǎn)量10萬臺以下不收取費,超過10萬臺每臺收取0.2美元,超過500萬臺每臺收取0.1美元。低廉的專利費使得中國H.264監(jiān)控產(chǎn)品更容易走向世界。
監(jiān)控中視頻編碼分辨率的選擇


  目前監(jiān)控行業(yè)中主要使用以下分辨率:SQCIF、QCIF、CIF、4CIF。

  SQCIF和QCIF的優(yōu)點是存儲量低,可以在窄帶中使用,使用這種分辨率的產(chǎn)品價格低廉;缺點是圖像質(zhì)量往往很差、不被用戶所接受。

  CIF是目前監(jiān)控行業(yè)的主流分辨率,它的優(yōu)點是存儲量較低,能在普通寬帶網(wǎng)絡中傳輸,價格也相對低廉,它的圖像質(zhì)量較好,被大部分用戶所接受。缺點是圖像質(zhì)量不能滿足高清晰的要求。

  4CIF是標清分辨率,它的優(yōu)點是圖像清晰。缺點是存儲量高,網(wǎng)絡傳輸帶寬要求很高,價格也較高。

分辨率新的選擇-528x384

  2CIF(704x288)已被部分產(chǎn)品采用,用來解決CIF清晰度不夠高和4CIF存儲量高、價格高昂的缺點。但由于704x288只是水平分辨率的提升,圖像質(zhì)量提高不是特別明顯。

  經(jīng)過測試,我們發(fā)現(xiàn)另外一種2CIF分辨率528x384,比704x288能更好解決CIF、4CIF的問題。特別是在512Kbps-1Mbps碼率之間,能獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量圖像,滿足用戶較高圖像質(zhì)量的要求。目前這一分辨率已被許多網(wǎng)絡多媒體廣播所采用,被廣大用戶所接受。比如杭州網(wǎng)通網(wǎng)上影院是采用512x384分辨率,在768k下能穩(wěn)定地獲得近似DVD的圖像質(zhì)量。

  監(jiān)控中實現(xiàn)視頻編碼的最佳方式

  目前視頻編碼正處于一個技術(shù)日新月異的時期,視頻編碼的壓縮性能在不斷得到提升。

  在監(jiān)控中主要使用ASCI和DSP兩種方案。由于ASIC芯片的設(shè)計、生產(chǎn)周期過長,使它已跟不上視頻編碼的發(fā)展速度。而DSP芯片,由于它的通用設(shè)計,使它能實現(xiàn)各種視頻編碼算法,并且可以及時更新視頻編碼器,緊跟視頻編碼的發(fā)展速度。另外使用DSP芯片可以比ASIC更靈活的配置編碼器,使編碼器達到最佳性能。

  ??低?/u>產(chǎn)品目前達到的技術(shù)水準

  ??低暜a(chǎn)品采用最先進的H.264視頻壓縮算法和高性能的DSP處理器

  強大的H.264視頻壓縮引擎使產(chǎn)品獲得極高的壓縮比、高質(zhì)量的圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡傳輸性能。高性能的DSP處理器能靈活的配置視頻編/解碼器:動態(tài)設(shè)置分辨率、幀率、碼率、圖像質(zhì)量等;可以雙碼流輸出,達到本地存儲和網(wǎng)絡傳輸分別處理的功能。

  使用TM130X DSP的產(chǎn)品,單個芯片能實時壓縮一路以下分辨率的視頻:SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。

  使用DM642 DSP的產(chǎn)品,單個芯片能實時壓縮4路以下分辨率的視頻:SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。單個芯片能實時壓縮2路4CIF視頻。

  1、基本概念:嵌入式、實時與多任務

  a、嵌入式:軟件(包括操作系統(tǒng)和功能軟件)集成于硬件系統(tǒng)之中,簡單的說就是軟件與硬件一體的系統(tǒng)。

  b、實時:在規(guī)定的時限內(nèi)響應事件。超時的響應是失敗的響應。

  c、多任務:同時響應多個請求

  d、實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng):

  實時與非實時相對

  分時與非分時(獨占)相對

  2、嵌入式硬盤錄像機的特點

  a、嵌入式、實時、多任務設(shè)備

  b、軟硬件專業(yè)性強,無多余功能

  c、結(jié)構(gòu)簡單緊湊,體積小
嵌入式硬盤錄像機技術(shù)難點?


  1、硬盤管理

  硬盤記錄數(shù)據(jù)的有效性、可快速檢索、錯誤恢復能力、硬盤的使用壽命(無論是嵌入式還是PC式DVR,目前硬盤管理問題沒有得到有效解決)

  2、網(wǎng)絡傳輸

  硬盤錄像機:網(wǎng)絡管理

  視頻:網(wǎng)絡傳輸

  3、視頻編解碼

  視頻編解碼及其輔助功能的實現(xiàn)
嵌入式硬盤錄像機現(xiàn)狀?


  1、國內(nèi)品牌為主

  a 、不同的技術(shù)要求和標準

  b、客戶定制化服務的要求越來越高

  c、及時的技術(shù)支持和售后服務

  2、廠商越來越多,競爭非常激烈

  3、產(chǎn)品正逐步走向成熟

七、嵌入式硬盤錄像機發(fā)展趨勢?

  1、更廣的應用領(lǐng)域

  2、更高的幀率、分辨率

  3、更低的碼率

  4、更豐富的功能

  5、更強的主機性能,支持更多通道

  6、更高的可*性

  7、更強的網(wǎng)絡性能

  8、與基于PC機的DVR長期共存
市場背景


  伴隨著計算機及網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其視頻編解碼技術(shù)的日益成熟、計算機處理能力的快速提高、以及寬帶的逐漸普及,基于Internet的視頻網(wǎng)絡實時應用在許多行業(yè)和政府部門被大范圍采用,尤其是銀行、廣電、石油、電力等行業(yè),出現(xiàn)了許多成功案例。

  提到基于Internet的視頻網(wǎng)絡實時應用,我們可能更多地會想到可視電話及視頻會議系統(tǒng)、電視網(wǎng)絡實況轉(zhuǎn)播、遠程教育等。這些Internet視頻實時應用對軟硬件的性能要求很高,要求既達到較高的幀率,又達到較低的碼率,所以需要足夠強大的處理能力(包括算法及芯片處理能力)。而要具備這種處理能力,往往需要昂貴的專用設(shè)備。

  對于安防所涉及的數(shù)字視頻網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng),由于行業(yè)特性所決定,數(shù)據(jù)采集點較多,需要相應配置大量的編碼設(shè)備,因此,與其他視頻網(wǎng)絡實時應用相比,價格成為一個相對比較敏感的因素。

  以往的數(shù)字視頻網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng),基本上都是基于局域網(wǎng)或者專網(wǎng)。但是實際應用環(huán)境卻很難保證這樣的網(wǎng)絡條件,因此系統(tǒng)集成商無法給用戶提供一個完整的解決方案。

  例如銀行的ATM機數(shù)字集中式監(jiān)控系統(tǒng),就可能需要提供基于Internet的解決方案:寬帶為主,窄帶為輔。

  首先ATM機原來預留的專網(wǎng)入口需要傳輸業(yè)務數(shù)據(jù),考慮到ATM機24小時在線的業(yè)務服務和24小時視頻監(jiān)控的要求,我們很難提供一種解決方式,在同一個專網(wǎng)上,既保證業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,又保證監(jiān)控畫面流暢,因此,我們需要考慮從寬帶運營商租用線路,通過寬帶傳輸視頻數(shù)據(jù)。而且,從運行模式和成本上考慮,很多ATM機并不需要隨時傳輸視頻數(shù)據(jù),往往只在異常發(fā)生的情況下,主動要求監(jiān)控中心切換監(jiān)控點;或者在監(jiān)控中心定時巡查各監(jiān)控點的時候才需要在線。這種情況下,就不需要為ATM機常年租用線路,只需要開通ADSL、ISDN、甚至通過電話線連接的方式。

  近兩年,國內(nèi)廠商不斷推出高性能、高性價比的視音頻壓縮卡和嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控設(shè)備,使得基于Internet的數(shù)字視頻網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)成為可能,如上述ATM機數(shù)字集中式監(jiān)控系統(tǒng)。

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