浅谈视频监控行业编解码技术的发展与应用

本文转自 浙江大华技术股份有限公司产品经理 张龙彪
视频监控技术经过多年的发展，监控画面正经历着从最初的D1标清图像，向4K高清、8K超清时代前进。由于CCD与CMOS技术的发展，前端摄像机的像素越来越高，成本也在逐渐的降低，高清监控得到了快速的普及和应用，随之而来的问题是，前端像素的提高给视频传输和后端录像存储带来了巨大的压力，在相同的编码压缩比例下，用户需要投入更多的设备和资金，因此编解码技术的改进无疑成为了视频监控技术发展的焦点，也是当前众多视频厂商争相发展的技术课题。

　　一、 编解码技术发展现状分析
　　目前国内主流视频监控设备厂商如大华、海康、宇视、天地伟业等，从前端球机、枪机，到后端的NVR/ESS/EVS存储、矩阵等设备，普遍使用的是MPEG-4与H.264编解码技术，因为MPEG-4/H.264编码技术比较成熟，相应的编解码芯片厂商也较多，因此使用最为广泛，不同厂家设备之间的兼容性也好。但随着500W/800W/1200W等高清摄像机推广应用，网络传输带宽与录像存储空间却承受严峻的考验，优化算法，提高压缩效率，减少时延的需求使H.265编码技术标准应势而生，它将在未来逐步的被广泛使用。
　　同时，由于H.264/H.265是ITU-T国际电联组织制定提出的一系列视频编码标准，是一个全世界公开的协议标准，为提高视频数据安全保密性，保障视频信息质量，由我国公安部第一研究所牵头组织，在现有视频编码标准技术的基础上，通过创新的技术改进和加密，形成了一套我国自有的安全防范监控数字视音频编解码技术标准，简称SVAC标准，它在政府类监控项目采购中率先推广应用。
　　因此来说，在目前的视频监控行业领域，基本保持着MPEG-4/H.264为主，H.265/SVAC为辅的局面。

　　二、 主要编解码技术的应用现状
　　前文我们提过，在视频监控设备领域，目前主要采用的编解码标准为MPEG-4/H.264技术，当然，随着H.265芯片技术的不断成熟，凭借其更强的优越性能，将会逐步取代H.264并成为行业的主流应用技术。大安防系列化产品也就从前端、存储到解码会发生全面性的变化。下面我们将对目前主要的几种编解码技术的发展和应用做具体介绍。
　　
　　MPEG-4编码技术
　　MPEG：Moving Pictures Experts Group动态图象专家组，是一个致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作的组织，MPEG-4是在MPEG-1、MPEG-2基础上发展而来，其中MPEG-1主要用于VCD的应用，MPEG-2主要用于广播电视和DVD等;MPEG4于2000年初正式成为国际标准。它是一个适用于低传输速率应用的方案。与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性，表现的更为具体一点，那就是采用MPEG-1与MPEG-2标准压缩的视频文件体积很大，难以实现网络的实时传输。MPEG-4标准则是基于对象和内容的编码方式，和传统的图像帧编码方式不同，它只处理图像帧与帧之间的差异元素，抛弃相同图像元素，因此大大减少了合成多媒体文件的体积，从而以较小的文件体积同样可得到高清晰的还原图像。换句话说，相同的原始图像，MPEG-4编码标准具有更高的压缩比。
　　视频监控的早期产品，如模拟摄像机、CVR/DVR、采用的就是MPEG-4编码技术。
　　
　　 H.264编码技术
　　H.264是ITU-T国际电联与ISO国际标准化组织联合制定的视频编解码技术标准，它同时也是MPEG-4标准的第十部分。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。一个原始文件是102G大小的视频，经过H.264编码后变成了1个G，压缩比竟达到了102:1!H.264的低码率技术起到了至关重要的作用，在用户获得高质量流畅图像的同时，大大节省了下载时间和数据流量，也大大减少了图像存储空间。
　　H.264是在MPEG-4技术的基础之上建立起来的，其编解码流程主要包括5个部分：帧间和帧内预测(Estimation)、变换(Transform)和反变换、量化(Quantization)和反量化、环路滤波(Loop Filter)、熵编码(Entropy Coding)。
　　H.264编码标准在视频监控领域，是当下最流行使用的一种编解码技术。目前大大小小的视频监控设备厂家，都具备该标准的应用能力。
　　在过去几年的发展中，高性能的DSP芯片对H.264标准的应用发挥了重要的贡献。DSP芯片，全称是数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，它有处理能力强、开发周期短、用户开发自由度大等特点，被越来越多地应用于视频压缩领域。美国TI公司有很丰富的经验，是业界的领导者，产品系列有C20x，24×5x，54x，62x，64x定点DSP和C3x，4x，67xx等浮点DSP;同时intel公司也不断推出netra、baytrail系列解码芯片，海思最新的3536芯片，给后端的解码显示提供了有力的硬件支持。
　　由于H.264的高压缩性能，目前市场上主流的视频监控设备基本采用的是H.264标准。
　　
H.265编码技术
　　视频监控前端采集设备如网络摄像机的清晰度从100万、200万到300万、500万，鱼眼相机已经达到了800万、1200万像素，这意味着超高清时候一步步的向我们走来。在近一年的时间里，众多的显示屏设备厂商已经在极力的宣传4K超高清产品，如海信、三星、创维等。而在视频监控行业，众多业务知名安防厂商都已经推出了自己的4K产品，800万摄像机，4K采集、4K解码、4K电视墙产品，并能形成一整套的4K综合解决方案。
　　超高清的体验，带来的却是传输和存储的强大挑战。举例来说，1路1080P@25fps的图像，裸数据传输的带宽大概需要1.4G，采用H.264编码后，可以得到6M或8M的码流;如果前端换成800万的网络摄像机，采用同样的压缩标准，那么码流大小至少20M以上，因此，需要一种更高压缩性能的图像压缩标准来节省用户的投资，同时获得高清晰的图像显示。
　　H.265技术是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送;H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280*720)普通高清音视频传送。
　　H.265旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频，仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。H.265标准也同时支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清视频。可以说，H.265标准让网络视频跟上了显示屏”高分辨率化”的脚步。
　　在今年的深圳安博会上，H.265技术的应用已经悄然兴起，从前端摄像机、到后端存储，从编码器到解码器、视频综合平台等设备，都已经打上了H.265的标记。各个参展厂家也在积极宣传推广自己的H.265技术产品，预计在未来的2年内，H.265又将成为视频监控设备的主流编解码技术。

SVAC编码技术
　　SVAC全称Surveillance Video and Audio Coding《安全防范监控数字视音频编解码技术标准》，是由中星微电子和公安部第一研究所共同建立的一套编码技术标准。SVAC是第一个旨在解决安全防范监控行业独特要求的技术标准，对确立中国公安和犯罪预防体系来说特别重要。
　　自从“安全门”事件之后，信息安全的管理越来越得到重视。SVAC编码技术标准具有中国自主知识产权，是一项非国际性的标准，主要用于安防视频监控的应用。其目的在于加强安防视频监控系统在公安监控与报警平台的安全应用。目前支持SVAC技术标准的只有中星微等少数厂家，芯片技术部是非常成熟，价格相对较高，国内安防知名厂商如大华、海康、天地伟业等还是以H.264、MPEG-4标准为主流，同时也有少量设备支持SVAC标准，但都以软件编解码的方式实现。
　　SVAC编码技术在原有H.264/MPEG-4标准的技术上，也进行了技术上的创新，如支持高精度视频数据，在高动态范围场景提供更多图像细节，减少编解码环节的图像信息损失;支持感兴趣区域(ROI)变质量编码，在网络带宽存储空间有限的情况下，提供更符合监控需要的高质量视频编码;支持监控专用信息(绝对时间、智能分析结果、报警信息)，便于视音频内容的有效管理和综合利用;支持加密和认证，保证监控数据的保密性、真实性和完整性等。该标准因为开放性小，兼容性也将是个问题，与目前市场上的多种视频系列化设备不能实现很好的融合对接，这将大大限制了市场使用的局限性。
　　但从目前的市场来看，从广东省先行试点强制实行开始，基本上厂家的设备都要求支持SVAC标准，已经开始使用大量的SVAC前端，这一趋势正在网周边的广西、湖南等省份扩展，相信在未来的几年内，具有中国自主专利技术的SVAC标准将在国内得到普遍支持和应用，目前成熟的SVAC技术还停留在1.0初步阶段，许多功能还需要进一步优化，我们期待SVAC2.0版本的发布。
　　
　　三、 H.265与Smart265、SVAC2.0优劣势对比分析
　　H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。其高效的压缩性能，在逐步发展的超高清时代，它将替代H.264成为编码技术的主流，支持的厂家与设备会越来越多，得到普遍应用。目前支持H.265编解码的芯片选择性并不是太多，因此一些比较有实力的视频监控设备厂家都会加入自己的一些智能算法，以获得更好的性能或应用。
　　从编码效率上来说，SVAC优于H.264，但和H.265相比就略逊一筹。SVAC2.0编码技术是在原有的SVAC1.0的基础上加入智能分析等智能功能，进一步缩短编解码速率，丰富更多的应用。SVAC2.0标准的推行，在国家信息安全政策的强制要求下，市场的潜力非常大，越来也多的厂家和研究机构都会参与SVAC技术的进一步改进，未来SVAC2.0或SVAC3.0将越来越成熟，与H.265的全面抗衡指日可待。
　　下面就这三种不同的编码技术做一个简要的对比：

　　四、 影响编解码技术发展的要素
　　视频编码技术是对前端摄像机采集过来的数字视频进行压缩，在保证图像质量的情况下，采用高效的图像压缩方式，以节省传输带宽和视频存储空间。而在未来的视频监控领域，将结合图像实现更多的智能化应用，如当今比较火热的智能交通、智慧小区、智慧法庭、智慧校园、甚至云视频、安防互联网+等业务。编解码技术的发展不仅需要满足越来越高的用户体验需求，同时也需要按照安防市场的发展与行业应用方案来推进。

　　首先，压缩性能是编码技术的重点，前端设备越来越高清，通过算法优化、帧间预测、场景预测压缩数据的大小，从而提高压缩效率。以同等或较小的视频带宽就能获得更高清晰的画面。在快速发展的移动智能客户端，低带宽也可享受1080P的高清画面。
　　其次，智能算法与智能分析不仅优化码流质量，同时智能化的监控设备具备图像检测预警、三维空间计算、区域防范、智能识别等功能，这就要求视频编码流中加入更多的分析对象，计算方法更加复杂，对硬件的要求也更高。
　　再者，安防视频监控系统与广电视频应用还是有很大区别，它需具备更多的行业特点，网络的飞速发展再一次证明了信息安全保密性能的要求。SVAC标准之所以得到推广应用，除政府政策之外，更重要的是它在信息安全加密性能方面的技术创新。而开放性的H.264标准使得各个厂家之间的监控设备实现了更好的互联互通。
　　最后，编解码技术的发展也需要考虑到编解码芯片的发展成熟度，目前H.264编码成为行业的主流，是因为有因特尔、高通、意法半导体、海思等诸多厂商可提供系列化的编解码芯片。而支持H.265标准的芯片目前屈指可数，价格也高;支持SVAC标准的就基本上只有中星微一家。因此，编解码技术的发展更需要得到芯片产业链的支持，否则就只能作为理论了。