《監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)》word版

1、.監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)2數(shù)字視頻錄像機(jī)DVR的根本分類(lèi)DVR在開(kāi)展初期由于百家爭(zhēng)鳴、種類(lèi)繁多，讓業(yè)內(nèi)相關(guān)人士頗有眼花撩亂之感，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的變化后，各種型態(tài)的分類(lèi)也大致成形。根據(jù)臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院光電工業(yè)研究所?光電產(chǎn)業(yè)開(kāi)展剖析?報(bào)告中，大致將所有的DVR分成三個(gè)類(lèi)別：一.數(shù)字STB類(lèi)型STB指的是Set-top Box一般譯成：數(shù)字衛(wèi)星接收器、機(jī)頂盒、電視上網(wǎng)機(jī)、隨選視訊盒等，由于譯名分歧，故在此以STB統(tǒng)稱(chēng)之。數(shù)字STB類(lèi)型的DVR在性質(zhì)上屬于功能整合性的訊號(hào)接收平臺(tái)，以提供數(shù)字錄像功能與接收數(shù)字播送及互動(dòng)應(yīng)用的訊號(hào)為主，可選擇接收數(shù)字無(wú)線地面?zhèn)鞑igital Terrestrial、數(shù)字有線

2、電視傳播Digital Cable、數(shù)字衛(wèi)星傳播Digital Satellite等不同種類(lèi)的傳播訊號(hào)。二.PC-based類(lèi)型PC-based類(lèi)型的DVR其應(yīng)用平臺(tái)為一般的PC、手提電腦等。在PC內(nèi)裝置一片或多片影像擷取卡，利用軟件進(jìn)展影像壓縮并執(zhí)行影像編輯功能，系統(tǒng)較不穩(wěn)定。三.單機(jī)Standalone類(lèi)型單機(jī)型的DVR乃重新利用CPU及RAM來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，采用專(zhuān)屬的軟件程序，研發(fā)本錢(qián)較高。采用硬件壓縮，品質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)有死機(jī)的問(wèn)題產(chǎn)生，且在影像儲(chǔ)存速度、分辨率及影像畫(huà)質(zhì)上都有較大的改善。這類(lèi)型的產(chǎn)品只單純提供數(shù)字錄放影功能，而不附加其它如播送訊號(hào)接收、上網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)等功能。由于應(yīng)用在平安監(jiān)視領(lǐng)域

3、的產(chǎn)品多屬于上述的第2類(lèi)及第3類(lèi)，因此本文將僅就這兩個(gè)類(lèi)型做討論。PC-based類(lèi)型與單機(jī)類(lèi)型系統(tǒng)孰優(yōu)孰劣的爭(zhēng)議，到目前為止仍無(wú)法下定論。目前雖以PC-based的DVR占市場(chǎng)多數(shù)，但據(jù)觀察，兩種類(lèi)型的產(chǎn)品將各自產(chǎn)生市場(chǎng)區(qū)隔。1995年即投入DVR領(lǐng)域開(kāi)展的日本Ikegami公司，其海外部經(jīng)理Yasuhiko Saito就指出：DVR市場(chǎng)將朝向兩個(gè)不同方向開(kāi)展，一方面，由于RTOSReal time Operation System，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)的可靠性，意料會(huì)有很大的開(kāi)展；但另一方面，對(duì)強(qiáng)調(diào)可聯(lián)網(wǎng)工作的DVR產(chǎn)品，Windows操作系統(tǒng)那么因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單而將成為另一種主流。DVR的技

4、術(shù)目前仍不斷在開(kāi)展中，而其中的關(guān)鍵技術(shù)在于操作系統(tǒng)及影像壓縮技術(shù)。一.操作系統(tǒng)1.以Windows為操作接口對(duì)于以PC為主要架構(gòu)的DVR來(lái)說(shuō)，Windows平臺(tái)以其使用簡(jiǎn)單、應(yīng)用普遍等特點(diǎn)而名列各種操作系統(tǒng)名單的榜首。韓國(guó)3R集團(tuán)總裁Sung-Ik Chang表示：目前大多數(shù)DVR及其相關(guān)產(chǎn)品的廠商都采用基于Windows的操作系統(tǒng)；尤其在美國(guó)這樣的大市場(chǎng)，用戶(hù)為了日后維護(hù)方便，多傾向于使用基于Windows的DVR產(chǎn)品。韓國(guó)Digital Logic公司海外市場(chǎng)部經(jīng)理Jonathan Kim也說(shuō)：我們認(rèn)為Windows操作系統(tǒng)是最適宜DVR系列產(chǎn)品的。因?yàn)閃indows是目前較通用的操作系統(tǒng)

5、，因此具備較高的支持性，不管任何地方Windows都可以支持大部分相關(guān)產(chǎn)品。此外，Windows在軟件晉級(jí)方面，也強(qiáng)于其它操作系統(tǒng)。由于近年來(lái)IT產(chǎn)業(yè)與安防產(chǎn)業(yè)親密相關(guān)，因此當(dāng)數(shù)字技術(shù)在IT產(chǎn)業(yè)日進(jìn)萬(wàn)里的同時(shí)，相關(guān)技術(shù)開(kāi)展勢(shì)必影響平安產(chǎn)業(yè)。Windows之所以會(huì)被眾多廠商所愛(ài)用，乃是因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的可晉級(jí)性。廠商認(rèn)為，由于DVR系統(tǒng)不可能長(zhǎng)期停留在固定程度，因此可晉級(jí)性勢(shì)必成為系統(tǒng)開(kāi)展的關(guān)鍵點(diǎn)。假設(shè)考量汰舊本錢(qián)，一旦用戶(hù)對(duì)于既有系統(tǒng)產(chǎn)生更高的要求或者原有的系統(tǒng)暴露出一些缺陷，大部分的用戶(hù)不太可能去買(mǎi)一套全新的系統(tǒng)來(lái)交換，如此一來(lái)，產(chǎn)品的晉級(jí)就成為首要的解決方案。盡管供貨商認(rèn)為，系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決

6、于用戶(hù)的實(shí)際操作方式，然而，Windows操作系統(tǒng)本身的不穩(wěn)定性，仍令使用者相當(dāng)質(zhì)疑。有廠商就表示，假設(shè)只單純使用監(jiān)控系統(tǒng)，Windows 98系統(tǒng)相當(dāng)穩(wěn)定；但假設(shè)在Windows平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行別的程序，系統(tǒng)不穩(wěn)定、甚至死機(jī)就無(wú)可防止。2.以Linux為操作接口IT業(yè)界中Windows和Linux操作平臺(tái)的劇烈競(jìng)爭(zhēng)也延燒到安防產(chǎn)業(yè)。Linux是一種可多人使用的作業(yè)環(huán)境，可讓多位使用者在同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)使用計(jì)算機(jī)主機(jī)的資源。Linux提供完好的多人Multiuser、多任務(wù)Multitasking及多行程Multiprocessing環(huán)境，可由網(wǎng)絡(luò)上下載使用。由于其原始程序代碼Source Cod

7、e是公開(kāi)的，因此可以任意開(kāi)發(fā)、修改，故Linux的使用者并不須煩惱缺乏需要的應(yīng)用程序，加速了研發(fā)的速度，且系統(tǒng)本身以及大部分的應(yīng)用程序是免費(fèi)的，讓開(kāi)發(fā)者省下大筆的研發(fā)費(fèi)用。此外，對(duì)硬件需求較低的Linux，可令使用者節(jié)省更多的硬件本錢(qián)投入，整體產(chǎn)品本錢(qián)隨之降低。隨著網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的盛行，全球使用Linux的人愈來(lái)愈多，也吸引了無(wú)數(shù)的開(kāi)發(fā)人員投入改進(jìn)核心、開(kāi)展應(yīng)用軟件以及硬件周邊驅(qū)動(dòng)程序的行列，使Linux功能和完好性日益擴(kuò)大，成為各方注目焦點(diǎn)。此外，Linux是以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為根底的操作系統(tǒng)，具有完好的網(wǎng)絡(luò)功能，使用者可以在Linux下以單機(jī)連上Internet，也可架設(shè)局域網(wǎng)絡(luò)LAN；還可以以Linu

8、x架設(shè)各種Server，提供在Internet以及Intranet的郵件、FTP、Web.各種效勞。在這樣的趨勢(shì)之下，Linux成為DVR制造商躍躍欲試的操作系統(tǒng)。有些供貨商甚至表示Linux比Windows更適宜應(yīng)用在DVR上。韓國(guó)Eastern Info-Com公司海外市場(chǎng)部協(xié)理Hyoksang Kwon即表示：由于Windows較不穩(wěn)定，且價(jià)格頗高，相形之下，Linux看起來(lái)是最有開(kāi)展?jié)摿Φ闹髁鞑僮飨到y(tǒng)。實(shí)際上，如今就下Linux作為DVR的操作系統(tǒng)會(huì)優(yōu)于Windows這樣的結(jié)論仍嫌太早。據(jù)其它制造商反響，Linux在兼容性方面仍存在著一些問(wèn)題，如打印機(jī)支持、Internet聯(lián)接等方面，

9、都不如Windows。此外，對(duì)于已習(xí)慣使用Windows應(yīng)用程序的使用者而言，剛開(kāi)場(chǎng)會(huì)不適應(yīng)Linux的作業(yè)方式；而針對(duì)Linux可讀取Windows的檔案，但目前Linux仍有無(wú)法讓W(xué)indows系統(tǒng)讀取檔案的缺點(diǎn)，加上Linux為后來(lái)崛起之操作系統(tǒng)，故在目前維護(hù)人員并非非常充足的情形下，許多使用廠商在選擇使用Linux系統(tǒng)時(shí)也會(huì)有一定的心理障礙。3.以RTOS為操作接口對(duì)于單機(jī)型或非PC-based的DVR來(lái)說(shuō)，RTOSReal Time Operation System是最正確的操作系統(tǒng)，目前市面上這種類(lèi)型的供貨商以韓國(guó)和日本為主。許多韓國(guó)廠商如3R、Korea Computer Tec

10、hnologies、Kodicom、Artinix等認(rèn)為，單機(jī)型DVR具有高經(jīng)濟(jì)效益、穩(wěn)定性高及與既有的安防控制器有高兼容性等特點(diǎn)，因此在前一陣子都陸續(xù)推出了單機(jī)型的DVR。對(duì)于日本廠商而言，會(huì)致力于開(kāi)展單機(jī)型DVR主要是基于對(duì)圖像明晰度的考量，目前，大多數(shù)PC-based DVR的圖像品質(zhì)都不如單機(jī)型的DVR。然而，單機(jī)型DVR目前面臨的最大挑戰(zhàn)在于聯(lián)網(wǎng)功能。在聯(lián)網(wǎng)工作普及的今天，已有越來(lái)越多的用戶(hù)使用網(wǎng)絡(luò)，韓國(guó)Digital Logic公司的Jonathan Kim即表示：當(dāng)我們議論單機(jī)型DVR時(shí)，經(jīng)常遺漏掉網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程控制部分。但DVR系統(tǒng)假設(shè)不能和網(wǎng)絡(luò)銜接，坦白說(shuō)，那就不能稱(chēng)為DVR系

11、統(tǒng)。部份西方的制造商也有一樣的觀點(diǎn)，例如美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)以及其它北歐國(guó)家，已經(jīng)將網(wǎng)絡(luò)功能視為是數(shù)字CCTV產(chǎn)品的關(guān)鍵。英國(guó)Dedicated Micros執(zhí)行總經(jīng)理Mike Fawcett舉例說(shuō)明：英國(guó)的化工、制藥廠采用了具備網(wǎng)絡(luò)功能的DVR設(shè)備，除了節(jié)省大量人力的開(kāi)銷(xiāo)外，更可以在任何地方監(jiān)看工作人員和消費(fèi)線狀況，因此節(jié)省不少本錢(qián)。可聯(lián)網(wǎng)的特性讓用戶(hù)可以透過(guò)LAN/WAN、Internet等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展遠(yuǎn)程監(jiān)看。這個(gè)特性已被預(yù)測(cè)成為將來(lái)CCTV市場(chǎng)的主流。為了讓產(chǎn)品具備聯(lián)網(wǎng)功能，單機(jī)型DVR制造商陷入價(jià)格vs.功能的兩難場(chǎng)面。韓國(guó)Korea Computer Technology公司總經(jīng)理Y.H.

12、Min指出：為了讓DVR具備聯(lián)網(wǎng)功能，我們必須在單機(jī)型DVR中添加某些芯片。為此，我們必須增加投資金額及本錢(qián)，在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈的情況下，本錢(qián)的增加對(duì)我們相當(dāng)不利。二.壓縮技術(shù)現(xiàn)階段DVR所采用的壓縮技術(shù)以JPEG、MPEG1、MPEG2為主。嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，這些壓縮技術(shù)都未必能完全符合長(zhǎng)時(shí)間錄像的需求。1.JPEG JPEG的壓縮倍數(shù)為2080倍，適宜靜態(tài)畫(huà)面的壓縮，分辨率沒(méi)有選擇的余地。以往的JPEG壓縮技術(shù)是直接處理整個(gè)畫(huà)面，所以要等到整個(gè)壓縮檔案?jìng)鬏斖瓿刹砰_(kāi)場(chǎng)進(jìn)展解壓縮成影像畫(huà)面，而這樣的方式造成傳輸一個(gè)高解析畫(huà)面時(shí)須耗時(shí)數(shù)十秒甚至數(shù)分鐘。而新一代的JPEG是采取漸層式技術(shù)，先傳輸?shù)徒馕龅?/p>

13、圖檔，然后再補(bǔ)送細(xì)部之資料，使畫(huà)面品質(zhì)改善。這種方式所需的時(shí)間雖然與原先的方式一樣，但由于可以先看到畫(huà)面，所以使用者會(huì)覺(jué)得這種方式較好。2.MPEG1及MPEG2而MPEG1、MPEG2在影像挪動(dòng)不大的情況下其壓縮倍數(shù)約為100倍一般VCD、DVD約為35倍，假設(shè)從VCD、DVD的規(guī)格來(lái)看，MPEG1的分辨率為320×240或以下，MPEG2那么通常為720×480。MPEG1、MPEG2是傳送一張張不同動(dòng)作的部分畫(huà)面。3.MPEG4至于壓縮倍數(shù)為450倍靜態(tài)圖像可達(dá)800倍，分辨率輸入可從320×240到1280×1024的MPEG4，那么是專(zhuān)為挪動(dòng)通

14、信設(shè)備例如挪動(dòng) 在英特網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸音/視頻訊號(hào)而制定的最新MPEG標(biāo)準(zhǔn)。MPEG4和MPEG以往的版本相比，最大不同之處在于MPEG4使用圖層layer方式，可以智能化選擇影像的不同之處，在壓縮下個(gè)別編輯畫(huà)面，使圖文件容量大幅縮減，而加速音/視頻的傳輸。有人認(rèn)為MPEG4的出現(xiàn)，對(duì)于DVR廠商而言無(wú)疑是一大福音，然而也有廠商認(rèn)為，MPEG4規(guī)格雖已定出，但實(shí)際應(yīng)用于DVR的技術(shù)上卻尚未成熟，現(xiàn)階段無(wú)論以軟、硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)都有待打破詳情?技術(shù)篇MPEG4壓縮技術(shù)于DVR的應(yīng)用?一文。對(duì)于哪種壓縮方式較適用于DVR產(chǎn)品的看法，廠商的意見(jiàn)相當(dāng)分歧。韓國(guó)3R公司的Sung-IK Chang詳細(xì)指出：大體來(lái)說(shuō)

15、，壓縮技術(shù)采用兩種方法，一種是intraframe，另一種是Interframe。Interframe可區(qū)分每幅影像的差異，并只傳送影像不同的部分，H.263和MPEG是這種格式的代表。而Intraframe方式那么把一個(gè)動(dòng)畫(huà)分解成假設(shè)干個(gè)固定的畫(huà)面一幅一幅的傳輸，以Wavelet和Motion JPEG為此方式的代表。從傳輸效率考量，Interframe在性能上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Intraframe；而且，Interframe技術(shù)在畫(huà)面變動(dòng)較小情況下，能提供相當(dāng)不錯(cuò)的畫(huà)質(zhì)。然而，平安產(chǎn)品的用戶(hù)必須考慮到圖象畫(huà)質(zhì)的問(wèn)題，在這一點(diǎn)上MPEG較Wavelet和JPEG要遜色。Digital Logic公司

16、的Jonathan Kim就表示：我們成認(rèn)MPEG4在視頻壓縮方面比較優(yōu)秀，但MPEG系列皆存在著圖象干擾和畫(huà)面扭曲失真的情況。假設(shè)用戶(hù)想購(gòu)置存儲(chǔ)量大的DVR，他可以考慮MPEG壓縮格式；但假設(shè)用戶(hù)希望能有良好的畫(huà)質(zhì)，那么應(yīng)該考慮其它的壓縮方式；至于那種方式好，那么取決于客戶(hù)需求。Eastern Info-com公司的Hyoksang認(rèn)為：圖象明晰度，和圖象的壓縮率、CPU以及其它相關(guān)硬件的負(fù)載是成反比的，由于MPEG4具有極高的壓縮率，因此導(dǎo)致圖象的不明晰，要到達(dá)安防產(chǎn)業(yè)對(duì)于圖象要求的標(biāo)準(zhǔn)，還有很大的改進(jìn)空間。DM公司的執(zhí)行總裁Mike Fawcett進(jìn)一步指出：對(duì)于靜止的畫(huà)面，不管用JPE

17、G方式壓縮還是MPEG方式壓縮，傳輸?shù)乃俣榷际且粯拥摹Ｈ欢?，假設(shè)物體是呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么MPEG格式不會(huì)立即反響傳輸，這是因?yàn)镸PEG格式傳輸?shù)乃俣容^慢，或者監(jiān)控中的場(chǎng)景容易出現(xiàn)干擾。他認(rèn)為，JPEG壓縮技術(shù)不管在圖象畫(huà)質(zhì)還是在傳輸速度上，都更加適宜安防產(chǎn)業(yè)。他說(shuō)：我認(rèn)為JPEG的品質(zhì)較好，較具有競(jìng)爭(zhēng)力，也較平安。隨著DVR技術(shù)的不斷開(kāi)展、存儲(chǔ)容量逐步擴(kuò)大，用戶(hù)會(huì)對(duì)畫(huà)質(zhì)的要求必然越來(lái)越高。英國(guó)Visionfactory董事長(zhǎng)David Beanland表示：盡管JPEG和Wavelet格式的圖象需要占用較大的存儲(chǔ)空間，但這種壓縮技術(shù)在DVR產(chǎn)業(yè)仍然是主流。毫無(wú)疑問(wèn)地，DVR的存儲(chǔ)容量會(huì)逐步擴(kuò)展

18、，存儲(chǔ)容量達(dá)200GB以上的DVR最慢會(huì)在2、3年后出現(xiàn)于市面上。一旦容量問(wèn)題得到解決，使用者便會(huì)將焦點(diǎn)放在圖象的畫(huà)質(zhì)，而MPEG壓縮技術(shù)方式將會(huì)被淘汰。Beanland也同時(shí)質(zhì)疑MPEG壓縮技術(shù)錄制的圖象是否能作為可靠的法庭證據(jù)，目前在歐美市場(chǎng)還值得商榷?，F(xiàn)任職于飛利浦公司，具有14年經(jīng)歷的Alan Everid那么認(rèn)為對(duì)于DVR產(chǎn)品而言，Wavelet是最好的壓縮方式。主要原因在于Wavelet移除了圖象的高頻成分high frequency components，僅保存單幀圖象信號(hào)。這個(gè)特點(diǎn)，特別適用于畫(huà)面變更頻繁的場(chǎng)合，例如多畫(huà)面分時(shí)顯示。不過(guò)，Wavelet雖然符合安防產(chǎn)業(yè)的圖象要求

19、，但在考量聯(lián)網(wǎng)與否的因素下，讀者需注意Wavelet并非現(xiàn)行的IT網(wǎng)絡(luò)所普遍支持的格式，所以在聯(lián)網(wǎng)的使用上會(huì)有所限制。H.264視頻編碼根本知識(shí)一、視頻編碼技術(shù)的開(kāi)展歷程視頻編碼技術(shù)根本是由ISO/IEC制定的MPEG-x和ITU-T制定的H.26x兩大系列視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的推出。從H.261視頻編碼建議，到H.262/3、MPEG-1/2/4等都有一個(gè)共同的不斷追求的目的，即在盡可能低的碼率或存儲(chǔ)容量下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。而且，隨著市場(chǎng)對(duì)圖像傳輸需求的增加，如何適應(yīng)不同信道傳輸特性的問(wèn)題也日益顯現(xiàn)出來(lái)。于是IEO/IEC和ITU-T兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手制定了視頻新標(biāo)準(zhǔn)H.264來(lái)解決這

20、些問(wèn)題。H.261是最早出現(xiàn)的視頻編碼建議，目的是標(biāo)準(zhǔn)ISDN網(wǎng)上的會(huì)議電視和可視 應(yīng)用中的視頻編碼技術(shù)。它采用的算法結(jié)合了可減少時(shí)間冗余的幀間預(yù)測(cè)和可減少空間冗余的DCT變換的混合編碼方法。和ISDN信道相匹配，其輸出碼率是p×64kbit/s。p取值較小時(shí)，只能傳明晰度不太高的圖像，適宜于面對(duì)面的電視 ；p取值較大時(shí)如p>6，可以傳輸明晰度較好的會(huì)議電視圖像。H.263建議的是低碼率圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)上是H.261的改進(jìn)和擴(kuò)大，支持碼率小于64kbit/s的應(yīng)用。但本質(zhì)上H.263以及后來(lái)的H.263+和H.263+已開(kāi)展成支持全碼率應(yīng)用的建議，從它支持眾多的圖像格式這一

21、點(diǎn)就可看出，如Sub-QCIF、QCIF、CIF、4CIF甚至16CIF等格式。MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的碼率為1.2Mbit/s左右，可提供30幀CIF352×288質(zhì)量的圖像，是為CD-ROM光盤(pán)的視頻存儲(chǔ)和播放所制定的。MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼部分的根本算法與H.261/H.263相似，也采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)、二維DCT、VLC游程編碼等措施。此外還引入了幀內(nèi)幀I、預(yù)測(cè)幀P、雙向預(yù)測(cè)幀B和直流幀D等概念，進(jìn)一步進(jìn)步了編碼效率。在MPEG-1的根底上，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)步圖像分辨率、兼容數(shù)字電視等方面做了一些改進(jìn)，例如它的運(yùn)動(dòng)矢量的精度為半像素；在編碼運(yùn)算中如運(yùn)動(dòng)估計(jì)和DCT區(qū)分&q

22、uot;幀"和"場(chǎng)"；引入了編碼的可分級(jí)性技術(shù)，如空間可分級(jí)性、時(shí)間可分級(jí)性和信噪比可分級(jí)性等。近年推出的MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)引入了基于視聽(tīng)對(duì)象AVO：Audio-Visual Object的編碼，大大進(jìn)步了視頻通信的交互才能和編碼效率。MPEG-4中還采用了一些新的技術(shù)，如形狀編碼、自適應(yīng)DCT、任意形狀視頻對(duì)象編碼等。但是MPEG-4的根本視頻編碼器還是屬于和H.263相似的一類(lèi)混合編碼器?？傊?，H.261建議是視頻編碼的經(jīng)典之作，H.263是其開(kāi)展，并將逐步在實(shí)際上取而代之，主要應(yīng)用于通信方面，但H.263眾多的選項(xiàng)往往令使用者無(wú)所適從。MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)從針對(duì)存

23、儲(chǔ)媒體的應(yīng)用開(kāi)展到適應(yīng)傳輸媒體的應(yīng)用，其核心視頻編碼的根本框架是和H.261一致的，其中引人注目的MPEG-4的"基于對(duì)象的編碼"部分由于尚有技術(shù)障礙，目前還難以普遍應(yīng)用。因此，在此根底上開(kāi)展起來(lái)的新的視頻編碼建議H.264抑制了兩者的弱點(diǎn)，在混合編碼的框架下引入了新的編碼方式，進(jìn)步了編碼效率，面向?qū)嶋H應(yīng)用。同時(shí)，它是兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的共同制定的，其應(yīng)用前景應(yīng)是不言而喻的。二、H.264介紹H.264是ITU-T的VCEG視頻編碼專(zhuān)家組和ISO/IEC的MPEG活動(dòng)圖像編碼專(zhuān)家組的結(jié)合視頻組JVT：joint video team開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是IT

24、U-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年1月份開(kāi)場(chǎng)草案征集，1999年9月，完成第一個(gè)草案，2001年5月制定了其測(cè)試形式TML-8，2002年6月的JVT第5次會(huì)議通過(guò)了H.264的FCD板。2003年3月正式發(fā)布。H.264和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼形式。但它采用"回歸根本"的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，不用眾多的選項(xiàng)，獲得比H.263+好得多的壓縮性能；加強(qiáng)了對(duì)各種信道的適應(yīng)才能，采用"網(wǎng)絡(luò)友好"的構(gòu)造和語(yǔ)法，有利于對(duì)誤碼和丟包的處理；應(yīng)用目的范圍較寬，以滿(mǎn)足不同速率、不同解析度以及不同傳輸存儲(chǔ)場(chǎng)合的需求；

25、它的根本系統(tǒng)是開(kāi)放的，使用無(wú)需版權(quán)。在技術(shù)上，H.264標(biāo)準(zhǔn)中有多個(gè)閃光之處，如統(tǒng)一的VLC符號(hào)編碼，高精度、多形式的位移估計(jì)，基于4×4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語(yǔ)法等。這些措施使得H.264算法具有很的高編碼效率，在一樣的重建圖像質(zhì)量下，可以比H.263節(jié)約50%左右的碼率。H.264的碼流構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了過(guò)失恢復(fù)才能，可以很好地適應(yīng)IP和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。三、H.264的技術(shù)亮點(diǎn)1、分層設(shè)計(jì)H.264的算法在概念上可以分為兩層：視頻編碼層VCL：Video Coding Layer負(fù)責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示，網(wǎng)絡(luò)提取層NAL：Network Abstraction Layer負(fù)

26、責(zé)以網(wǎng)絡(luò)所要求的恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展打包和傳送。在VCL和NAL之間定義了一個(gè)基于分組方式的接口，打包和相應(yīng)的信令屬于NAL的一部分。這樣，高編碼效率和網(wǎng)絡(luò)友好性的任務(wù)分別由VCL和NAL來(lái)完成。VCL層包括基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償混合編碼和一些新特性。與前面的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264沒(méi)有把前處理和后處理等功能包括在草案中，這樣可以增加標(biāo)準(zhǔn)的靈敏性。NAL負(fù)責(zé)使用下層網(wǎng)絡(luò)的分段格式來(lái)封裝數(shù)據(jù)，包括組幀、邏輯信道的信令、定時(shí)信息的利用或序列完畢信號(hào)等。例如，NAL支持視頻在電路交換信道上的傳輸格式，支持視頻在Internet上利用RTP/UDP/IP傳輸?shù)母袷?。NAL包括自己的頭部信息、段構(gòu)造信息和

27、實(shí)際載荷信息，即上層的VCL數(shù)據(jù)。假設(shè)采用數(shù)據(jù)分割技術(shù)，數(shù)據(jù)可能由幾個(gè)部分組成。2、高精度、多形式運(yùn)動(dòng)估計(jì)H.264支持1/4或1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量。在1/4像素精度時(shí)可使用6抽頭濾波器來(lái)減少高頻噪聲，對(duì)于1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量，可使用更為復(fù)雜的8抽頭的濾波器。在進(jìn)展運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí)，編碼器還可選擇"增強(qiáng)"內(nèi)插濾波器來(lái)進(jìn)步預(yù)測(cè)的效果。在H.264的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)中，一個(gè)宏塊MB可以按圖2被分為不同的子塊，形成7種不同形式的塊尺寸。這種多形式的靈敏和細(xì)致的劃分，更切合圖像中實(shí)際運(yùn)動(dòng)物體的形狀，大大進(jìn)步了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的準(zhǔn)確程度。在這種方式下，在每個(gè)宏塊中可以包含有1、2、4、8或16個(gè)運(yùn)

28、動(dòng)矢量。在H.264中，允許編碼器使用多于一幀的先前幀用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)，這就是所謂的多幀參考技術(shù)。例如2幀或3幀剛剛編碼好的參考幀，編碼器將選擇對(duì)每個(gè)目的宏塊能給出更好的預(yù)測(cè)幀，并為每一宏塊指示是哪一幀被用于預(yù)測(cè)。3、4×4塊的整數(shù)變換H.264與先前的標(biāo)準(zhǔn)相似，對(duì)殘差采用基于塊的變換編碼，但變換是整數(shù)操作而不是實(shí)數(shù)運(yùn)算，其過(guò)程和DCT根本相似。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：在編碼器中和解碼器中允許精度一樣的變換和反變換，便于使用簡(jiǎn)單的定點(diǎn)運(yùn)算方式。也就是說(shuō)，這里沒(méi)有"反變換誤差"。變換的單位是4×4塊，而不是以往常用的8×8塊。由于用于變換塊的尺寸縮小，運(yùn)

29、動(dòng)物體的劃分更準(zhǔn)確，這樣，不但變換計(jì)算量比較小，而且在運(yùn)動(dòng)物體邊緣處的銜接誤差也大為減小。為了使小尺寸塊的變換方式對(duì)圖像中較大面積的平滑區(qū)域不產(chǎn)生塊之間的灰度差異，可對(duì)幀內(nèi)宏塊亮度數(shù)據(jù)的16個(gè)4×4塊的DC系數(shù)每個(gè)小塊一個(gè)，共16個(gè)進(jìn)展第二次4×4塊的變換，對(duì)色度數(shù)據(jù)的4個(gè)4×4塊的DC系數(shù)每個(gè)小塊一個(gè)，共4個(gè)進(jìn)展2×2塊的變換。H.264為了進(jìn)步碼率控制的才能，量化步長(zhǎng)的變化的幅度控制在12.5%左右，而不是以不變的增幅變化。變換系數(shù)幅度的歸一化被放在反量化過(guò)程中處理以減少計(jì)算的復(fù)雜性。為了強(qiáng)調(diào)彩色的逼真性，對(duì)色度系數(shù)采用了較小量化步長(zhǎng)。4、統(tǒng)一的VL

30、C H.264中熵編碼有兩種方法，一種是對(duì)所有的待編碼的符號(hào)采用統(tǒng)一的VLCUVLC：Universal VLC，另一種是采用內(nèi)容自適應(yīng)的二進(jìn)制算術(shù)編碼CABAC：Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding。CABAC是可選項(xiàng)，其編碼性能比UVLC稍好，但計(jì)算復(fù)雜度也高。UVLC使用一個(gè)長(zhǎng)度無(wú)限的碼字集，設(shè)計(jì)構(gòu)造非常有規(guī)那么，用一樣的碼表可以對(duì)不同的對(duì)象進(jìn)展編碼。這種方法很容易產(chǎn)生一個(gè)碼字，而解碼器也很容易地識(shí)別碼字的前綴，UVLC在發(fā)生比特錯(cuò)誤時(shí)能快速獲得重同步。5、幀內(nèi)預(yù)測(cè)在先前的H.26x系列和MPEG-x系列標(biāo)準(zhǔn)中，都是采用的幀間預(yù)測(cè)的方式。在H

31、.264中，當(dāng)編碼Intra圖像時(shí)可用幀內(nèi)預(yù)測(cè)。對(duì)于每個(gè)4×4塊除了邊緣塊特別處置以外，每個(gè)像素都可用17個(gè)最接近的先前已編碼的像素的不同加權(quán)和有的權(quán)值可為0來(lái)預(yù)測(cè)，即此像素所在塊的左上角的17個(gè)像素。顯然，這種幀內(nèi)預(yù)測(cè)不是在時(shí)間上，而是在空間域上進(jìn)展的預(yù)測(cè)編碼算法，可以除去相鄰塊之間的空間冗余度，獲得更為有效的壓縮。如圖4所示，4×4方塊中a、b、.、p為16個(gè)待預(yù)測(cè)的像素點(diǎn)，而A、B、.、P是已編碼的像素。如m點(diǎn)的值可以由J+2K+L+2/4式來(lái)預(yù)測(cè)，也可以由A+B+C+D+I+J+K+L/8式來(lái)預(yù)測(cè)，等等。按照所選取的預(yù)測(cè)參考的點(diǎn)不同，亮度共有9類(lèi)不同的形式，但色度的

32、幀內(nèi)預(yù)測(cè)只有1類(lèi)形式。6、面向IP和無(wú)線環(huán)境H.264草案中包含了用于過(guò)失消除的工具，便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸，如挪動(dòng)信道或IP信道中傳輸?shù)膹?qiáng)健性。為了抵御傳輸過(guò)失，H.264視頻流中的時(shí)間同步可以通過(guò)采用幀內(nèi)圖像刷新來(lái)完成，空間同步由條構(gòu)造編碼slice structured coding來(lái)支持。同時(shí)為了便于誤碼以后的再同步，在一幅圖像的視頻數(shù)據(jù)中還提供了一定的重同步點(diǎn)。另外，幀內(nèi)宏塊刷新和多參考宏塊允許編碼器在決定宏塊形式的時(shí)候不僅可以考慮編碼效率，還可以考慮傳輸信道的特性。除了利用量化步長(zhǎng)的改變來(lái)適應(yīng)信道碼率外，在H.264中，還常利用數(shù)據(jù)分割的方法來(lái)應(yīng)對(duì)信道碼率的變化。從

33、總體上說(shuō)，數(shù)據(jù)分割的概念就是在編碼器中生成具有不同優(yōu)先級(jí)的視頻數(shù)據(jù)以支持網(wǎng)絡(luò)中的效勞質(zhì)量QoS。例如采用基于語(yǔ)法的數(shù)據(jù)分割syntax-based data partitioning方法，將每幀數(shù)據(jù)的按其重要性分為幾部分，這樣允許在緩沖區(qū)溢出時(shí)丟棄不太重要的信息。還可以采用類(lèi)似的時(shí)間數(shù)據(jù)分割temporal data partitioning方法，通過(guò)在P幀和B幀中使用多個(gè)參考幀來(lái)完成。在無(wú)線通信的應(yīng)用中，我們可以通過(guò)改變每一幀的量化精度或空間/時(shí)間分辨率來(lái)支持無(wú)線信道的大比特率變化。可是，在多播的情況下，要求編碼器對(duì)變化的各種比特率進(jìn)展響應(yīng)是不可能的。因此，不同于MPEG-4中采用的精細(xì)分級(jí)編碼FGSFine Granular Scalability的方法效率比較低，H.264采用流切換的SP幀來(lái)代替分級(jí)編碼。四、H.264的性能比較TML-8為H.264的測(cè)試形式，用它來(lái)對(duì)H.264的視頻編碼效率進(jìn)展比較和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果所提供的PSNR已清楚地說(shuō)明，相對(duì)于MPEG-4ASP：Adv