视频编码的基本原理

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 视频编码的基本原理
    
    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（去除数据之间的相关性），压缩技术包含帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。
    
    去时域冗余信息
    使用帧间编码技术可去除时域冗余信息，它包括以下三部分：
    
    － 运动补偿
    运动补偿是通过先前的局部图像来预测、补偿当前的局部图像，它是减少帧序列冗余信息的有效方法。
    
    － 运动表示
    不同区域的图像需要使用不同的运动矢量来描述运动信息。运动矢量通过熵编码进行压缩。
    
    － 运动估计
    运动估计是从视频序列中抽取运动信息的一整套技术。
    
    注：通用的压缩标准都使用基于块的运动估计和运动补偿。
    
    去空域冗余信息
    主要使用帧间编码技术和熵编码技术：
    
    － 变换编码
    帧内图像和预测差分信号都有很高的空域冗余信息。变换编码将空域信号变换到另一正交矢量空间，使其相关性下降，数据冗余度减小。
    
    － 量化编码
    经过变换编码后，产生一批变换系数，对这些系数进行量化，使编码器的输出达到一定的位率。这一过程导致精度的降低。
    
     － 熵编码
    熵编码是无损编码。它对变换、量化后得到的系数和运动信息，进行进一步的压缩。
    
    视频编码的基本框架（图）
    
    国际音视频压缩标准发展历程
    
    H.261
    
    H.261标准是为ISDN设计，主要针对实时编码和解码设计，压缩和解压缩的信号延时不超过150ms，码率px64kbps(p=1~30)。
    
    H.261标准主要采用运动补偿的帧间预测、DCT变换、自适应量化、熵编码等压缩技术。 只有I帧和P帧，没有B帧，运动估计精度只精确到像素级。支持两种图像扫描格式：QCIF和CIF。
    
    H.263
    
    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）。H.263支持多种分辨率： SQCIF(128x96)、 QCIF、CIF、4CIF、16CIF。
    
    与H.261和H.263相关的国际标准
    与H.261有关的国际标准
    H.320：窄带可视电话系统和终端设备；
    H.221：视听电信业务中64~1 920Kb/s信道的帧结构；
    H.230：视听系统的帧同步控制和指示信号；
    H.242：使用直到2Mb/s数字信道的视听终端的系统。
    与H.263有关的国际标准
    H.324：甚低码率多媒体通信终端设备；
    H.223：甚低码率多媒体通信复合协议；
    H.245：多媒体通信控制协议；
    G.723.1.1：传输速率为5.3Kb/s和6.3Kb/s的语音编码器。
    
    JPEG
    
    国际标准化组织于1986年成立了JPEG(Joint Photographic Expert Group)联合图片专家小组，主要致力于制定连续色调、多级灰度、静态图像的数字图像压缩编码标准。常用的基于离散余弦变换(DCT)的编码方法，是JPEG算法的核心内容。
    
    MPEG-1/2
    
    MPEG-1标准用于数字存储体上活动图像及其伴音的编码，其数码率为1.5Mb/s。 MPEG-1的视频原理框图和H.261的相似。
    
    MPEG-1视频压缩技术的特点：1. 随机存取；2. 快速正向/逆向搜索；3 .逆向重播；4. 视听同步；5. 容错性；6. 编/解码延迟。MPEG-1视频压缩策略：为了提高压缩比，帧内/帧间图像数据压缩技术必须同时使用。帧内压缩算法与JPEG压缩算法大致相同，采用基于DCT的变换编码技术，用以减少空域冗余信息。帧间压缩算法，采用预测法和插补法。预测误差可在通过DCT变换编码处理，进一步压缩。帧间编码技术可减少时间轴方向的冗余信息。
    
    MPEG-2被称为“21世纪的电视标准”，它在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-4
    
    MPEG-4标准并非是MPEG-2的替代品，它着眼于不同的应用领域。MPEG-4的制定初衷主要针对视频会议、可视电话超低比特率压缩（小于64Kb/s）的需求。在制定过程中，MPEG组织深深感受到人们对媒体信息，特别是对视频信息的需求由播放型转向基于内容的访问、检索和操作。
    
     MPEG-4与前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同，它为多媒体数据压缩编码提供了更为广阔的平台，它定义的是一种格式、一种框架，而不是具体算法，它希望建立一种更自由的通信与开发环境。于是MPEG-4新的目标就是定义为：支持多种多媒体的应用，特别是多媒体信息基于内容的检索和访问，可根据不同的应用需求，现场配置解码器。编码系统也是开放的，可随时加入新的有效的算法模块。应用范围包括实时视听通信、多媒体通信、远地监测/监视、VOD、家庭购物/娱乐等。
    
    JVT：新一代的视频压缩标准
    
    JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG成立的联合视频工作组（Joint Video Team），致力于新一代数字视频压缩标准的制定。
    
    JVT标准在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4 AVC(part10)标准；在ITU-T中的名称:H.264（早期被称为H.26L）
    
    H264/AVC
    
    H264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验, 采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广。H.264创造性了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量（1/4、1/8)和新一代的环路滤波器，使得压缩性能大大提高，系统更加完善。
    
    H.264主要有以下几大优点：
    
    － 高效压缩：与H.263+和MPEG4 SP相比，减小50%比特率
    － 延时约束方面有很好的柔韧性
    － 容错能力
    － 编/解码的复杂性可伸缩性
    － 解码全部细节：没有不匹配
    － 高质量应用
    － 网络友善
    
    监控中的视频编码技术
    
    目前监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种视频编码技术。对于最终用户来言他最为关心的主要有：清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。
    
    MJPEG
    
    MJPEG（Motion JPEG）压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。
    
    MJPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，可以动态调整帧率、分辨率。但由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用空间较大，目前流行的MJPEG技术最好的也只能做到3K字节/帧，通常要8~20K！
    
    MPEG-1/2
    
    MPEG-1标准主要针对SIF标准分辨率(NTSC制为352X240；PAL制为352X288)的图像进行压缩. 压缩位率主要目标为1.5Mb/s.较MJPEG技术，MPEG1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。但MPEG1也有较多不利地方:存储容量还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。
    
    MPEG-2 在MPEG-1基础上进行了扩充和提升，和MPEG-1向下兼容，主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域，分辨率为：低(352x288)，中(720x480)，次高(1440x1080)，高(1920x1080)。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率，满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得存储容量还是太大，也不适和网络传输。
    
    MPEG-4
    
    MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF（352*288）或者更高清晰度（768*576）情况下的视频压缩，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。另外MPEG-4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。
    
    MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现，这一点有点偏离原来地初衷。另外对于中国企业来说还要面临高昂的专利费问题，目前规定：
    
    － 每台解码设备需要交给MPEG-LA 0.25美元
    
    － 编码/解码设备还需要按时间交费（4美分/天=1.2美元/月 =14.4美元/年）
    
    H.264/AVC
    
    H.264集中了以往标准的优点，在许多领域都得到突破性进展，使得它获得比以往标准好得多整体性能：
    
    － 和H.263+和MPEG-4 SP相比最多可节省50％的码率，使存储容量大大降低；
    
    － H.264在不同分辨率、不同码率下都能提供较高的视频质量；
    
    － 采用“网络友善”的结构和语法，使其更有利于网络传输。
    
    H.264采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广，更容易在视频会议、视频电话中实现，更容易实现互连互通，可以简便地和G.729等低比特率语音压缩组成一个完整的系统。
    
    MPEG LA吸收MPEG-4的高昂专利费而使它难以推广的教训，MPEG LA制定了以下低廉的H.264收费标准：H.264广播时基本不收费；产品中嵌入H.264编/解码器时，年产量10万台以下不收取费，超过10万台每台收取0.2美元，超过500万台每台收取0.1美元。低廉的专利费使得中国H.264监控产品更容易走向世界。
    
    监控中视频编码分辨率的选择
    
    目前监控行业中主要使用以下分辨率：SQCIF、QCIF、CIF、4CIF。
    
    SQCIF和QCIF的优点是存储量低，可以在窄带中使用，使用这种分辨率的产品价格低廉；缺点是图像质量往往很差、不被用户所接受。
    
    CIF是目前监控行业的主流分辨率，它的优点是存储量较低，能在普通宽带网络中传输，价格也相对低廉，它的图像质量较好，被大部分用户所接受。缺点是图像质量不能满足高清晰的要求。
    
    4CIF是标清分辨率，它的优点是图像清晰。缺点是存储量高，网络传输带宽要求很高，价格也较高。
    
    分辨率新的选择－528x384
    
    2CIF（704x288）已被部分产品采用，用来解决CIF清晰度不够高和4CIF存储量高、价格高昂的缺点。但由于704x288只是水平分辨率的提升，图像质量提高不是特别明显。
    
    经过测试，我们发现另外一种2CIF分辨率528x384，比704x288能更好解决CIF、4CIF的问题。特别是在512Kbps－1Mbps码率之间，能获得稳定的高质量图像，满足用户较高图像质量的要求。目前这一分辨率已被许多网络多媒体广播所采用，被广大用户所接受。比如杭州网通网上影院是采用512x384分辨率,在768k下能稳定地获得近似DVD的图像质量。
    
    监控中实现视频编码的最佳方式
    
    目前视频编码正处于一个技术日新月异的时期，视频编码的压缩性能在不断得到提升。
    
    在监控中主要使用ASCI和DSP两种方案。由于ASIC芯片的设计、生产周期过长，使它已跟不上视频编码的发展速度。而DSP芯片，由于它的通用设计，使它能实现各种视频编码算法，并且可以及时更新视频编码器，紧跟视频编码的发展速度。另外使用DSP芯片可以比ASIC更灵活的配置编码器，使编码器达到最佳性能。
    
    海康威视产品目前达到的技术水准
    
    海康威视产品采用最先进的H.264视频压缩算法和高性能的DSP处理器。
    
    强大的H.264视频压缩引擎使产品获得极高的压缩比、高质量的图像质量和良好的网络传输性能。高性能的DSP处理器能灵活的配置视频编/解码器：动态设置分辨率、帧率、码率、图像质量等；可以双码流输出，达到本地存储和网络传输分别处理的功能。
    
    使用TM130X DSP的产品，单个芯片能实时压缩一路以下分辨率的视频：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。
    
    使用DM642 DSP的产品，单个芯片能实时压缩4路以下分辨率的视频：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。单个芯片能实时压缩2路4CIF视频。