2022年视频技术及其现状 .pdf

视频编码技术的基本原理及其现状分析时间： 2007-10-16 作者：视讯企业类别：技术手册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。一、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：1、 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。2、 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。3、 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二、去空域冗余信息主要使用帧间编码技术和熵编码技术：1、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。2、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。3、 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。三、视频编码的基本框架H.261H.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=130) 。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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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641 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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/AVCH264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：1、高效压缩：与H.263+和 MPEG4 SP 相比，减小 50%比特率2、 延时约束方面有很好的柔韧性3、 容错能力4、编/解码的复杂性可伸缩性5、解码全部细节：没有不匹配6、高质量应用7、 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。MJPEGMJPEG（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 820K ！MPEG-1/2MPEG-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 (720 x480)， 次高 (1440 x1080)， 高(1920 x1080) 。 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-4MPEG-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，目前规名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 定：1、每台解码设备需要交给MPEG-LA 0.25 美元2、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/AVCH.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：1、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；2、 H.264在不同分辨率、不同码率下都能提供较高的视频质量；3、 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 512Kbps1Mbps 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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。1、基本概念：嵌入式、实时与多任务a、嵌入式：软件 (包括操作系统和功能软件)集成于硬件系统之中，简单的说就是软件与硬件一体的系统。b、实时：在规定的时限内响应事件。超时的响应是失败的响应。c、多任务：同时响应多个请求d、实时系统与分时系统：实时与非实时相对分时与非分时 (独占 )相对2、嵌入式硬盘录像机的特点a、嵌入式、实时、多任务设备b、软硬件专业性强，无多余功能c、结构简单紧凑，体积小嵌入式硬盘录像机技术难点?1、硬盘管理硬盘记录数据的有效性、可快速检索、错误恢复能力、硬盘的使用寿命（无论是嵌入式还是PC式 DVR ，目前硬盘管理问题没有得到有效解决）2、网络传输硬盘录像机：网络管理视频：网络传输3、视频编解码视频编解码及其辅助功能的实现嵌入式硬盘录像机现状?1、国内品牌为主a 、不同的技术要求和标准b、客户定制化服务的要求越来越高c、及时的技术支持和售后服务2、厂商越来越多，竞争非常激烈3、产品正逐步走向成熟七、嵌入式硬盘录像机发展趋势? 1、更广的应用领域2、更高的帧率、分辨率3、更低的码率4、更丰富的功能5、更强的主机性能，支持更多通道6、更高的可 *性7、更强的网络性能名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 8、与基于 PC 机的 DVR 长期共存市场背景伴随着计算机及网络技术的飞速发展，尤其视频编解码技术的日益成熟、计算机处理能力的快速提高、以及宽带的逐渐普及，基于 Internet 的视频网络实时应用在许多行业和政府部门被大范围采用，尤其是银行、广电、石油、电力等行业，出现了许多成功案例。提到基于 Internet 的视频网络实时应用， 我们可能更多地会想到可视电话及视频会议系统、电视网络实况转播、 远程教育等。 这些 Internet 视频实时应用对软硬件的性能要求很高，要求既达到较高的帧率，又达到较低的码率，所以需要足够强大的处理能力（包括算法及芯片处理能力）。而要具备这种处理能力，往往需要昂贵的专用设备。对于安防所涉及的数字视频网络监控系统，由于行业特性所决定，数据采集点较多，需要相应配置大量的编码设备，因此，与其他视频网络实时应用相比，价格成为一个相对比较敏感的因素。以往的数字视频网络监控系统，基本上都是基于局域网或者专网。但是实际应用环境却很难保证这样的网络条件，因此系统集成商无法给用户提供一个完整的解决方案。例如银行的ATM 机数字集中式监控系统，就可能需要提供基于Internet 的解决方案：宽带为主，窄带为辅。首先 ATM 机原来预留的专网入口需要传输业务数据，考虑到ATM 机24小时在线的业务服务和24小时视频监控的要求，我们很难提供一种解决方式，在同一个专网上，既保证业务数据传输稳定，又保证监控画面流畅，因此，我们需要考虑从宽带运营商租用线路，通过宽带传输视频数据。而且，从运行模式和成本上考虑，很多 ATM 机并不需要随时传输视频数据，往往只在异常发生的情况下，主动要求监控中心切换监控点；或者在监控中心定时巡查各监控点的时候才需要在线。这种情况下，就不需要为ATM 机常年租用线路，只需要开通ADSL 、ISDN、甚至通过电话线连接的方式。近两年，国内厂商不断推出高性能、高性价比的视音频压缩卡和嵌入式网络监控设备，使得基于Internet 的数字视频网络监控系统成为可能，如上述ATM 机数字集中式监控系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -