浅谈编解码技术现状和未来发展

视频压缩技术MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和H.264等数字算法已被引入安防视频监控领域,随着网络技术的进步,一次次地改变着安防监控行业的历史,推动着安防行业向深度和广度发展。现阶段MPEG-4和H.264等视频压缩标准面临着网络及存储带来的双重压力,间接阻碍着安防视频的进一步发展,安防视频需要更高效的压缩技术来推进安防产业的发展。因此,开发符合当下及未来发展的新型视频压缩技术显得尤为重要。

  现有编解码技术优缺点

目前在视频监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC、VC-1、RealVideo等几种视频编解码技术。对于最终用户而言,他们最为关心的有:清晰度、存储量(带宽)、稳定性还有价格,而不同的压缩技术,会很大程度影响这几个要素。与其他几种编解码技术相比H.264由于编解码更为简便,画质效果更好得到广泛的应用。但总的来说,这几种编解码技术各有优缺点:

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,动态调整帧率、分辨率。但由于没有考虑到帧间变化,会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。

MPEG-1标准, 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DCTB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.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.与MJPEG技术相比较,MPEG1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高,但也存在许多不足之处:存储容量过大、清晰度不够高等。

MPEG-2在MPEG-1基础上进行了扩充和提升,分辨率有:低((352x288)、中(720x480)、次高(1440x1080)、高(1920x1080)几个等级。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率,满足了用户对高清晰度的要求,但由于压缩性能没有显著提高,使得存储容量还是太大,并不适合网络传输。

MPEG-4视频压缩算法,与前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同,它定义的是一种格式、一种框架,而不是具体算法。相对于MPEG-2在低比特率压缩上有着显著提高,在CIF(352x288)或者更高清晰度(768x576)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可以方便地进行动态调整帧率、比特率,以降低存储量。但由于系统设计过于复杂,使得MPEG-4的功能难以完全实现,也难以与其他程序完全兼容,很难在视频会议、可视电话等领域应用,这一问题偏离了设计者的初衷,另外高昂的专利费问题也制约其进一步发展。

H.264/AVC视频压缩国际标准主要有由ITU-T制定,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。简单来说H.264就是一种视频编码技术,H.264最大的作用是对视频高效的压缩。

H.264的技术优势体现在:H.264的数据压缩率在MPEG2的2倍以上、MPEG4的1.5倍以上。从理论上来说,在相同画质、相同容量的情况下,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的整体性能;产品中若嵌入H.264编/解码器设备,年产十万台以下不收取费,超过十万台每台收取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H.264技术得以更快发展和普及。

编解码技术应用

视频技术的应用范围很广,如视频监控、网上可视会议、网上可视电子商务、网上政务、网上购物、网上学校、远程医疗、网上研讨会、网上展示厅、个人网上聊天、可视咨询等业务。但是要实现以上所有的功能都必须进行视频编解码,在编码传输过程中的数据量非常大,单纯扩大存储器容量、增加通信干线的是不现实的,此时需借助特殊技术对庞大的信息进行处理,数据压缩技术就是个行之有效的解决办法。通过高效的数据压缩技术,可以把信息数据量有效降低。以压缩形式进行存储、传输,既节约了存储空间和成本,也提高了通信干线的传输效率,可节省网络带宽。实时处理的音频、视频信息,通过解码技术可完成几乎无损的高质量视频、音频输出和呈现,由此可见多媒体数据压缩是非常必要的。

众所周知多媒体声音、数据、视像等信源数据有极强的相关性,这些数据中存在大量的冗余信息,数据压缩技术可以将庞大数据中的冗余信息去掉(去除数据之间的相关性),保留相互独立的信息分量再进行信息传输,处理过后的信息分量可以更快速的进行传递。因此,发展高效的多媒体数据压缩技术,在互联网时代的交互及安防视频高速发展的时代是非常有价值的。

  发展趋势

随着技术的进步,2013年2月,国际电联(ITU)就正式批准通过了HEVC/H.265标准,该标准全称为高效视频编码(HighEfficiency Video Coding),H.265标准以现有的视频编码标准H.264为基础,在保留原来的某些技术的前提下,对一些相关的技术加以改进。新技术的使用可以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系,达到最优化的设置。简而言之HEVC/H.265标准可以提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。具体来说,H.265相较于之前的H.264优点主要体现在以下几个方面:

首先,H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似,主要也包含,帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换 (transform)、量化(quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块。比起H.264/AVC,H.265/HEVC提供了更多不同的工具来降低码率,以编码单位来说,H.264中每个宏块(macroblock/MB)大小都是固定的16x16像素,而H.265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64。

其次,H.265的帧内预测模式支持33种方向(H.264只支持8种),并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法。反复的质量比较测试已经表明,在相同的图象质量下,相比于H.264,通过H.265编码的视频大小将减少大约39-44%。由于质量控制的测定方法不同,这个数据也会有相应的变化。

再次,通过主观视觉测试得出的数据显示,在码率减少51-74%的情况下,H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好,其本质上说是比预期的信噪比(PSNR)要好。这些主观视觉测试的评判标准覆盖了许多学科,包括心理学和人眼视觉特性等,视频样本非常广泛,因此,得出的测试结果非常鼓舞人心。

从长远角度看, 4K和8K的超高清电视(uhdtv)将会选择H.265标准加以应用。由于H.265旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频,且仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。这使得我们的智能手机、平板机等移动设备将能够直接在线播放1080p的全高清视频。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,但也存在一些制约该技术推广的因素。例如该标准对计算机的运算能力和内存均有较高要求,一些配置较低的老机器运行起来可能会比较吃力。另外,与H.265相匹配的节目和显示产品目前还没有得到大面积推广和应用,市场上已存的可与H.265相匹配的产品性价比普遍不高。

由于H.265算法的编码复杂度较高,如果使用DSP、x86等通用处理器进行软件编码并希望获得明显超过H.264的性能,还需要选择较为高端的产品平台与之相配合,这就需要未来芯片公司推出支持原生H.265解码芯片才能解决这一问题。而对于大众消费者来说,最为关心的肯定是如何买到支持H.265/HEVC解码的廉价设备,这一问题取决于很多因素,显卡巨头目前正在整合H.265,而 H.265自身还有许多新功能需进一步完善和增加,如产品性能的稳定性以及配套的显示系统情况等。目前H.265的主要问题在于编码复杂度较高,产品的性能与成本还没有达到平衡。相信在安防行业的共同努力下,尤其是在IC技术进一步发展后,H.265可以逐渐取代H.264成为未来的主流。

本文转自d1net(转载)

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