視頻編解碼技術解析

2016年10月03日
視頻編解碼技術解析
    來源:《中國安防》    作者:張龍彪
 視頻監控技術經過多年的發展,監控畫面正經歷著從最初的D1標清圖像,向4K高清、8K超清時代前進。由于CCD與CMOS技術的發展,前端攝像機的像素越來越高,成本也在逐漸降低,高清監控得到了快速的普及和應用,隨之而來的問題是,前端像素的提高給視頻傳輸和后端錄像存儲帶來了巨大的壓力,在相同的編碼壓縮比例下,用戶需要投入更多的設備和資金,因此編解碼技術的改進無疑成為了視頻監控技術發展的焦點,也是當前眾多視頻廠商爭相發展的技術課題。

  


  一、編解碼技術的發展現狀分析

  視頻監控技術經過多年的發展,監控畫面正經歷著從最初的D1標清圖像,向4K高清、8K超清時代前進。由于CCD與CMOS技術的發展,前端攝像機的像素越來越高,成本也在逐漸降低,高清監控得到了快速的普及和應用,隨之而來的問題是,前端像素的提高給視頻傳輸和后端錄像存儲帶來了巨大的壓力,在相同的編碼壓縮比例下,用戶需要投入更多的設備和資金,因此編解碼技術的改進無疑成為了視頻監控技術發展的焦點,也是當前眾多視頻廠商爭相發展的技術課題。

  目前國內主流視頻監控設備廠商如大華、?档,從前端球機、槍機,到后端的NVR/ESS/EVS存儲、矩陣等設備,普遍使用的是MPEG-4與H.264編解碼技術,因為MPEG-4/H.264編碼技術比較成熟,相應的編解碼芯片廠商也較多,因此使用最為廣泛,不同廠家設備之間的兼容性也好。但隨著500W/800W/1200W等高清攝像機推廣應用,網絡傳輸帶寬與錄像存儲空間卻承受著嚴峻的考驗,優化算法、提高壓縮效率、減少時延的需求使H.265編碼技術標準應勢而生,它將在未來逐步地被廣泛使用。

  同時,由于H.264/H.265是ITU-T國際電聯組織制定提出的一系列視頻編碼標準,是一個全世界公開的協議標準,為提高視頻數據安全保密性,保障視頻信息質量,由我國公安部第一研究所牽頭組織,在現有視頻編碼標準技術的基礎上,通過創新的技術改進和加密,形成了一套我國自有的安全防范監控數字視音頻編解碼技術標準,簡稱SVAC標準,它在政府類監控項目采購中率先推廣應用。

  因此來說,在目前的視頻監控行業領域,基本保持著MPEG-4/H.264為主,H.265/SVAC為輔的局面。

  二、主要編解碼技術的應用現狀

  在視頻監控設備領域,目前主要采用的編解碼標準為MPEG-4/H.264技術,當然,隨著H.265芯片技術的不斷成熟,憑借其更強的優越性能,將會逐步取代H.264并成為行業的主流應用技術。大安防系列化產品也將從前端、存儲到解碼會發生全面性的變化。下面我們將對目前主要的幾種編解碼技術的發展和應用做具體介紹。

  1. MPEG-4編碼技術

  MPEG:Moving Pictures Experts Group動態圖象專家組,是一個致力于運動圖像及其伴音的壓縮編碼標準化工作的組織,MPEG-4是在MPEG-1、MPEG-2基礎上發展而來,MPEG4于2000年初正式成為國際標準,它是一個適用于低傳輸速率應用的方案。MPEG-4標準則是基于對象和內容的編碼方式,和傳統的圖像幀編碼方式不同,它只處理圖像幀與幀之間的差異元素,拋棄相同圖像元素,因此大大減少了合成多媒體文件的體積,從而以較小的文件體積同樣可得到高清晰的還原圖像。換句話說,相同的原始圖像,MPEG-4編碼標準具有更高的壓縮比。

  視頻監控的早期產品,如模擬攝像機、CVR/DVR、采用的就是MPEG-4編碼技術。

  2. H.264編碼技術

  H.264是ITU-T國際電聯與ISO國際標準化組織聯合制定的視頻編解碼技術標準,它同時也是MPEG-4標準的第十部分。H.264最大的優勢是具有很高的數據壓縮比率,在同等圖像質量的條件下,H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG-4的1.5~2倍。一個原始文件是102G大小的視頻,經過H.264編碼后變成了1個G,壓縮比竟達到了102:1!H.264的低碼率技術起到了至關重要的作用,在用戶獲得高質量流暢圖像的同時,大大節省了下載時間和數據流量,也大大減少了圖像存儲空間。

  H.264是在MPEG-4技術的基礎之上建立起來的,其編解碼流程主要包括5個部分:幀間和幀內預測(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化(Quantization)和反量化、環路濾波(Loop Filter)、熵編碼(Entropy Coding)。

  H.264編碼標準在視頻監控領域,是當下最流行使用的一種編解碼技術。目前大大小小的視頻監控設備廠家,都具備該標準的應用能力。

  在過去幾年的發展中,高性能的DSP芯片對H.264標準的應用發揮了重要的貢獻。DSP芯片全稱是數字信號處理器,是一種具有特殊結構的微處理器,它有處理能力強、開發周期短、用戶開發自由度大等特點,被越來越多地應用于視頻壓縮領域。美國TI公司有很豐富的經驗,是業界的領導者,產品系列有C20x,24×5x,54x,62x,64x定點DSP和C3x,4x,67xx等浮點DSP;同時intel公司也不斷推出netra、baytrail系列解碼芯片,海思最新的3536芯片,給后端的解碼顯示提供了有力的硬件支持。

  由于H.264的高壓縮性能,目前市場上主流的視頻監控設備基本采用的是H.264標準。

  3. H.265編碼技術

  視頻監控前端采集設備如網絡攝像機的清晰度從100萬、200萬到300萬、500萬,魚眼相機已經達到了800萬、1200萬像素,這意味著超高清時代一步步向我們走來。在近一年的時間里,眾多的顯示屏設備廠商已經在極力宣傳4K超高清產品,如海信、三星、創維等。而在視頻監控行業,眾多知名安防廠商都已經推出了自己的4K產品,800萬攝像機,4K采集、4K解碼、4K電視墻產品,并能形成一整套的4K綜合解決方案。

  超高清的體驗同時帶來的是傳輸和存儲的強大挑戰。舉例來說,1路1080P@25fps的圖像,裸數據傳輸的帶寬大概需要1.4G,采用H.264編碼后,可以壓縮到6M或8M的碼流;如果前端換成800萬的網絡攝像機,采用同樣的壓縮標準,那么碼流大小至少20M以上,因此,需要一種更高壓縮性能的圖像壓縮標準來節省用戶的投資,同時獲得高清晰的圖像顯示。

  H.265技術是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞現有的視頻編碼標準H.264,保留原來的某些技術,同時對一些相關的技術加以改進。新技術用以改善碼流、編碼質量、延時和算法復雜度之間的關系,達到最優化設置。H.264由于算法優化,可以低于1Mbps的速度實現標清數字圖像傳送,H.265則可以實現利用1~2Mbps的傳輸速度實現720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。

  H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質量的網絡視頻,僅需原先的一半帶寬即可播放相同質量的視頻。H.265標準也同時支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻?梢哉f,H.265標準讓網絡視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。

  在2015年的深圳安博會上,H.265技術的應用已經悄然興起,從前端攝像機到后端存儲,從編碼器到解碼器、視頻綜合平臺等設備,都已經打上了H.265的標記。各個參展廠家也在積極宣傳推廣自己的H.265技術產品,預計在未來的兩年內,H.265將成為視頻監控設備的主流編解碼技術。

  4. SVAC編碼技術

  SVAC全稱Surveillance Video and Audio Coding《安全防范監控數字視音頻編解碼技術標準》,是由公安部第一研究所和中星微電子共同牽頭建立的一套編碼技術標準。SVAC是第一個旨在解決安全防范監控行業獨特要求的技術標準,對確立中國公安和犯罪預防體系來說特別重要。

  自從“安全門”事件之后,信息安全的管理越來越得到重視。SVAC編碼技術標準具有中國自主知識產權,是一項非國際性的標準,主要用于安防視頻監控的應用,其目的在于加強安防視頻監控系統在公安監控與報警平臺的安全應用。目前支持SVAC技術標準的只有中星微等少數廠家,芯片技術不是太成熟,價格相對較高,國內安防知名廠商如大華、?档冗是以H.264、MPEG-4標準為主流,同時也有少量設備支持SVAC標準,但都以軟件編解碼的方式實現。

  SVAC編碼技術在原有H.264/MPEG-4標準的技術上進行了創新,如支持高精度視頻數據,在高動態范圍場景提供更多圖像細節,減少編解碼環節的圖像信息損失;支持感興趣區域(ROI)變質量編碼,在網絡帶寬存儲空間有限的情況下提供更符合監控需要的高質量視頻編碼;支持監控專用信息(絕對時間、智能分析結果、報警信息),便于視音頻內容的有效管理和綜合利用;支持加密和認證,保證監控數據的保密性、真實性和完整性等。該標準因為開放性小,與目前市場上的多種視頻系列化設備不能實現很好的融合對接,這將大大限制其市場使用的廣泛性。

  但從目前的市場來看,從廣東省先行試點強制實行開始,基本上廠家的設備都要求支持SVAC標準,已經開始使用大量的SVAC前端,這一趨勢正在向周邊的廣西、湖南等省份擴展,相信在未來的幾年內,具有中國自主專利技術的SVAC標準將在國內得到普遍支持和應用。目前成熟的SVAC技術還停留在1.0初步階段,許多功能還需要進一步優化,我們期待SVAC2.0版本的發布。

  三、H.265與Smart265、SVAC2.0優劣勢對比分析

  H.265高效的壓縮性能,在逐步發展的超高清時代,將替代H.264成為編碼技術的主流,支持的廠家與設備會越來越多,得到普遍應用。目前支持H.265編解碼的芯片選擇性并不是太多,因此一些比較有實力的視頻監控設備廠家都會加入自己的一些智能算法,以獲得更好的性能或應用。

  從編碼效率上來說,SVAC優于H.264,但和H.265相比就略遜一籌。SVAC2.0編碼技術是在原有的SVAC1.0的基礎上加入智能分析等智能功能,進一步縮短編解碼速率,豐富更多的應用。SVAC2.0標準的推行,在國家信息安全政策的強制要求下,市場潛力非常大,越來越多的廠家和研究機構都會參與SVAC技術的進一步改進,未來SVAC2.0或SVAC3.0將越來越成熟,與H.265的全面抗衡指日可待。

  下面就這三種不同的編碼技術做一個簡要的對比,如表1所示:

 幾種不同編碼技術對比

 

H.265

SVAC

HEVC/H265+

Smart265

標準化

國際標準

ITU-T VCEG

國內標準GB/T25724-2010

海思優化

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壓縮性能

對比傳統H.264,碼率降低50%,壓縮比高

相比H.265,較低

利用利用了視覺感知技術,先進的參考幀自適應技術,高級碼率控制技術,壓縮比更高

結合畫面和場景優化,在H.265編碼的基礎上進一步提升壓縮率

安全性

通用算法

加密算法,安全性高

通用+自主算法

通用+自主算法

通用性

標準編解碼芯片,可選范圍大

專用編碼解碼芯片,可選范圍少

海思結合芯片推廣

可變碼流技術,主流廠商具備同等能力

  視頻編碼技術在未來的視頻監控領域,將結合圖像實現更多的智能化應用,如當今比較火熱的智能交通、智慧小區、智慧法庭、智慧校園、甚至云視頻、安防互聯網+等業務。編解碼技術的發展不僅需要滿足越來越高的用戶體驗需求,同時也需要按照安防市場的發展與行業應用方案來推進。

  首先,壓縮性能是編碼技術的重點,前端設備越來越高清,通過算法優化、幀間預測、場景預測壓縮數據的大小,從而提高壓縮效率。以同等或較小的視頻帶寬就能獲得更高清晰的畫面。在快速發展的移動智能客戶端,低帶寬也可享受1080P的高清畫面。

  其次,智能算法與智能分析不僅優化碼流質量,同時智能化的監控設備具備圖像檢測預警、三維空間計算、區域防范、智能識別等功能,這就要求視頻編碼流中加入更多的分析對象,計算方法更加復雜,對硬件的要求也更高。

  再者,開放性的H.264標準雖然使得各個廠家之間的監控設備實現了更好的互聯互通,但信息安全保密性能的要求日趨強烈。SVAC標準之所以得到推廣應用,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術創新。

  最后,編解碼技術的發展也需要考慮到編解碼芯片的發展成熟度,目前H.264編碼成為行業的主流,是因為有因特爾、高通、意法半導體、海思等諸多廠商可提供系列化的編解碼芯片。而支持H.265標準的芯片目前屈指可數,價格也高,支持SVAC標準的就基本上只有中星微一家。因此,編解碼技術的發展更需要得到芯片產業鏈的支持。

 

來源:煙臺三和網絡系統有限公司
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