Ｈ．２６４视频编码标准在网络视频监控系统中的应用

　　【摘 #35201;】本文介绍了ITU－T最新高性#33021;视频压缩标准H.264和网络视频监控应用系统#30340;需求。从编码效率和网络适#24212;性方面讨论了H.264中所采用#30340;新技术，最后介绍了它在网络视#39057;监控系统中的应用。
　　【关键词】H.264 视频编码 视#39057;监控 编#30721;效率 网络
　　
　　1 引言
　　
　　随着人们对生活和工#20316;环境的安全性要求的不#26029;提高，安全防范系#32479;的重要性就越来越突出。其中#65292;视频监控系统以其直观、方便#12289;信息内容丰富的特点越来越受#21040;人们的重视，使其#25104;为安全防范系统的重要组#25104;部分。近年来，随着多媒体技#26415;、视频压缩编码技术、网络通#35759;技术的发展，网络化的全#25968;字视频监控系统迅速崛起，成为#20102;监控市场的主流。其核心技#26415;——视音频编码技术#65292;从H.261视频编码建议，到H.262／3，MPEG—1／2／4等标准，都在尽可能地降低#30721;率(或存储容量)以#33719;得尽可能好的图像质量。#38543;着对图像传输需求的增加，在#23613;可能低的存储情况下获得好#30340;图像质量和低带宽图像快速#20256;输已成为视频压缩的两大难#39064;。由IEO／IEC和ITU—T两大国际标准#21270;组织联手制定的视频标准H.264有效地解决#20102;这一问题。H.264和以前#30340;标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编#30721;模式。但它采用“#22238;归基本”的简洁设计，不用众#22810;的选项，获得比以#24448;视频压缩标准好得多的压缩能。#21516;时H.264加强了对各#31181;信道的适应能力，采用#8220;网络友好”的结构#21644;语法，有利于对误码和#20002;包的处理。
　　2 视频监控系统的发#23637;
　　视#39057;监控系统的发展大致经历了三#20010;阶段：在九十年代初以#21069;，主要是以模拟设备为主的闭#36335;电视监控系统，称为第一#20195;模拟监控系统。九#21313;年代中期，随计算机处理能力的#25552;高和视频技术的发展，人们#21033;用计算机的高速数据处#29702;能力进行视频的采集和处理，#21033;用显示器的高分辨率实#29616;图像的多画面显示，从而大大提高#20102;图像质量，这种基于PC#26426;的多媒体主控台系统称为第二代#25968;字化本地视频监控系统#12290;九十年代末，随着网#32476;带宽、计算机处理能力和存储容量#30340;快速提高，以及各种实用视频#22788;理技术的出现，视频#30417;控步入了全数字化的网络#26102;代，称为第三代远程视频#30417;控系统。第三代视频监#25511;系统以网络为依托，以数字视频#30340;压缩、传输、存储和#25773;放为核心，以智能实用#30340;图像分析为特色，引发了视频监#25511;行业的技术革命，受到了学术#30028;、产业界和使用部门的高#24230;重视。
　　3 H.264编码标准的#25216;术优势
　　由于H.264#22312;制定时就充分考虑了#22810;媒体通信对视频编解码#30340;各种要求，并借鉴了H系#21015;和MPEG系列视频标准的研究#25104;果，因而具有明显的优势。结#21512;视频监控系统对视频编解码#25216;术的要求，H.264的优势表现#22312;以下三个方面：
　　3.1压缩#29575;和图像质量方面
　　H.264通过对传统的帧内预#27979;、帧间预测、变换编码和熵编码#31561;算法的改进来进一步提高编码效率#21644;图像质量。
　　3.1.1 块的大小#21487;变
　
　　在运动估#35745;时，可以灵活地选择块的大#23567;。在宏块(MB)划分上，H.264采用了16×6，16×8，8×16，8×8四#31181;模式；当划分为8×8模式#26102;，又可进一步采用8×4，4#215;8，4×4三种子宏块划分模式)#36827;一步划分，如图1所示。这样做既#21487;以使运动物体的划分更#21152;精确，减小运动物体边缘的#34900;接误差，又可以减小变换#36807;程中的计算量。当对较大的#24179;滑区域采用Intra_16×16的帧间预测方式时#65292;为减小小尺寸变换带来的块间#28784;度差异，H.264采用了对亮#24230;数据的16个4×4块的DC系数#36827;行第二次4×4变#25442;，对色度数据的4个4×4#22359;的DC系数进行22变#25442;的方式。 免费论文下载中心 　　3.1.2 1/4像素精度的运动估值
　　在H.264中#36890;过6阶FIR滤波器#30340;内插获得1/2像素位置的预测值#12290;当1/2像素值获得后，通过#21462;整数像素位置和1/2像素#20301;置像素值均值的方式获得1/4像素位置的值。采用#39640;精度运动估计会进一步减小帧#38388;预测误差，减少了经变换和量化#21518;的非O比特数，提高了编码效率。
　　3.1.3 #22810;参考帧运动估值
　　以往的#32534;解码技术在对P帧(场)图像进行#24103;间预测时，只允许以前#19968;个I图像或P图像#20026;参考帧，对B图像进行预测#26102;只允许以前后两个I图#20687;或P图像为参考图#20687;。H.264则打破了这#20123;限制，允许在Reference Buffer中的多个图像中选取一个(P预测方式)或#20004;个(B预测方式)#22270;像作为参考图像，参考图像甚#33267;可以是采用双向预测#32534;码方式的图像。
　#12288;3.1.4加权预测
　　允许编码器以一定#30340;系数对运动补偿预测值进#34892;加权，可大大改善无#32447;信道衰落时的编码效率#65292;从而在一定的场景#19979;可以提高图像质量#12290;
　　3.1.5 Intra_4×4模式的帧间预#27979;
　　在这#31181;模式下，每个4×4#22359;都可以利用其上方和左侧的17#20010;最接近的像素进行预#27979;。
　#12288;3.1.6循环内的消除块#25928;应滤波器
#12288;　为消除在预测和变换过#31243;中引入的块效应，H.264也采用了消除块效应#28388;波器，但与以往标准#19981;同的是，H.264#30340;消除块效应滤波器位于运动估计#24490;环内部，可以利用消#38500;块效应以后的图像#21435;预测其它图像的运动，进一步提#39640;预测精度。滤波强度取决于宏#22359;的预测方式、量化参#25968;、运动矢量等。量化步长减#23567;时，滤波器的作用也会相应降低#12290;
　　3.1.7自适应熵编码算法
#12288;　以往标准的熵编码采用变#38271;的哈夫曼编码，码#34920;统一，不能适应变#25442;多端的视频内容，影响编码#25928;率。H.264根#25454;视频内容的不同，提供两种#29109;编码，即上下文自适应#20108;进制算术编码（CABAC）和上下文自适应可#21464;长编码（CAVLC#65289;，前者的编码效率更高。
　　3.2 网络适#24212;性方面
#12288;
　　为了方便#22320;在各种系统中灵活#26377;效的应用H.264，H.264编解码系统(见图2)定义了视频编码层VCL和网络提取层NAL。其#20013;，VCL用于视频编#35299;码，包括运动补偿，变换编码和熵#32534;码等单元，NAL用于采#29992;统一的格式对VCL视频数据的进行#23553;装打包。
　　3.2.1 NAL Units
　　视频数据封装在整数字#33410;的NALU中，它的第一个字#33410;标志该单元中数据的#31867;型。H.264定义了两种#23553;装格式。基于包交换#30340;网络系统可以使用RTP封#35013;格式封装NALU，并且可#20197;通过在NALU后面增加一个16位的信息域的方式将多个NALU放在一个RTP中传输。#21478;一些系统，如H.320系统#25110;MPEG-2系统可#33021;会要求将NALU作为顺序比特流#20256;送，为方便在这些系统中使#29992;H.264，H.264定义#20102;一种比特流格式的传输机制，#20351;用头编码前缀(start code prefix)将NALU#23553;装起来，并用一个有限状态机来#20445;证头编码前缀不会出现#22312;它封装的NALU中，防止了#38169;误定界的发生。
　　3.2.2 参数集
　　在以往视频编解码标#20934;中，GOB\\GOP\\图像头信息是至关#37325;要的，包含这些信息的包的丢失将#30452;接导致与这些信息相关的数#25454;不可用，因此这些标#20934;大都采用了冗余编码技术#26469;保护这些头信息。为#35299;决这些问题，H.264将这些#24456;少变化并且对大量VCL NALU起作#29992;的信息放在参数集中#20256;送。参数集分为两种，即序列参数#38598;sequence parameter set和图像参数集picture parameter set，前者对一系列连续编码图#20687;起作用，后者对连续编码图#20687;序列中的单独图像起作用。VCL NALU通过标识位来指定它所#21442;考的参数集。为适应#22810;种网络环境，参数#38598;可以带内传送，也可以采用带外方#24335;传送。 转#36148;于 免费论文下#36733;中心