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H.264編碼壓縮技術(shù)

H.264也是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC動態(tài)圖像專家組（MPEG）聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組（Joint Video Team，JVT）提出的高壓縮率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。與以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264也是采用預(yù)測 編碼加變換編碼的混合編碼模式，它集中了以往各個編碼標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并吸收了標(biāo)準(zhǔn)制定過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，獲得了比以往其他編碼方式好得多的壓縮性能。H.264標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比，在同等監(jiān)控安裝圖像質(zhì)量的前提條件下，H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的1.5~2倍。本公司是是一家從事鄭州監(jiān)控設(shè)計(jì)、鄭州監(jiān)控安裝、鄭州監(jiān)控維修的專業(yè)監(jiān)控安裝公司，同時承接鄭州網(wǎng)絡(luò)布線、鄭州綜合布線、鄭州光纖熔接、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、光纖熔接、防盜報(bào)警等弱電系統(tǒng)。H.264采用“網(wǎng)絡(luò)有好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理，以滿足不同速率、不同解析度以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲場合的需求。

H.264編碼器結(jié)構(gòu)

與其他的視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)類似，H.264也是采用幀內(nèi)與幀間預(yù)測的混合編碼方式，主要的功能模塊包括預(yù)測、變換、量化及熵編碼，但是多了一個環(huán)內(nèi)濾波功能，用來去掉“馬賽克”效應(yīng)，提高監(jiān)控安裝圖像質(zhì)量。圖中編碼器包括兩個視頻通路，一個是從左到右的“編碼通路”，另一個是從右到左的“重構(gòu)解碼”通路。

H.264編碼的關(guān)鍵特性

網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)抽取層（Network Abstraction Layer），使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳輸（例如互聯(lián)網(wǎng)、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等）。

容錯能力強(qiáng)：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。幀間編碼及SP幀引入：H.264充分利用相鄰幀之間時域冗余進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償，與先前其他編碼壓縮方式類似，支持P幀、B幀，并引入新的SP幀，即流間傳送幀，能在有類似內(nèi)容但有不同碼流的碼流間進(jìn)行快速切換，并支持快速播放及隨機(jī)接入。

運(yùn)動估計(jì)特點(diǎn)：H.264運(yùn)動估計(jì)有多個特點(diǎn)，包括不同大小和形狀的宏塊分割、高精度的亞像素運(yùn)動補(bǔ)償、多幀預(yù)測等，以上特性可以保證利用更低的碼流，實(shí)現(xiàn)更好的圖像質(zhì)量。去塊濾波器：H.264定義了自適應(yīng)去除效應(yīng)的濾波器，這可以處理預(yù)測環(huán)路中的水平和垂直塊邊緣，大大減少了“方塊效應(yīng)”。

整數(shù)變換：H.264使用了基于4X4像素塊的類似于DCT的變換，但使用的是以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換，整數(shù)DCT變換還具有減少運(yùn)算量和復(fù)雜度、有利于向定點(diǎn)DSP移植的優(yōu)點(diǎn)。

量化：H.264可選32種不同的量化步長，步長以12.5%的復(fù)合率遞進(jìn)。

熵編碼：H.264視頻編碼處理的步就是熵編碼，在H.264中采用了兩種不同的熵編碼方法——通用可變長編碼（UVLC）和基于文本的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼（CABAC）。

H.264在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

H.264是目前的視頻編碼技術(shù)，在同樣的監(jiān)控安裝圖像質(zhì)量前提下，其碼流是MPEG-4的一半還不到，可以大量節(jié)省存儲空間及帶寬占用，這點(diǎn)對于有大量視頻傳輸及存儲需求的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是至關(guān)重要的。H.264的高效編碼是以更加復(fù)雜的算法為代價(jià)的，H.264采用*的幀間預(yù)測模式，包括復(fù)雜的運(yùn)動估計(jì)、1/2和1/4像素預(yù)測；*的幀內(nèi)預(yù)測模式，包括多達(dá)13種幀內(nèi)預(yù)測模式；H.264引進(jìn)全新的環(huán)路濾波技術(shù)，對監(jiān)控安裝圖像質(zhì)量提高大有幫助。在H.264中，應(yīng)用上述的新技術(shù)均需要大量的運(yùn)算處理資源，對視頻編解碼處理平臺（主要是CPU及多媒體芯片）也提出了更高的速度要求。

任何行業(yè)都需要標(biāo)準(zhǔn)，視頻監(jiān)控安裝行業(yè)也一樣。H.264算法是目前*、主流、有前景的視頻編碼算法，但是未來需要各個視頻監(jiān)控安裝廠家共同努力，克服目前沒有標(biāo)準(zhǔn)、自成標(biāo)準(zhǔn)、多個標(biāo)準(zhǔn)的情況，做到標(biāo)準(zhǔn)編碼，通用解碼，這對于大型聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)非常重要。

H.265技術(shù)說明

H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265標(biāo)準(zhǔn)圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，保留原來的某些技術(shù)，同時對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用*的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到化設(shè)置。具體的研究內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時的時延、減少信道獲取時間和隨機(jī)接入時延、降低復(fù)雜度等。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字監(jiān)控安裝圖像傳送；H265則可以實(shí)現(xiàn)利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P（分辨率1280*720）普通高清音視頻傳送。

傳輸碼率

H.263可以2~4Mbps的傳輸速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)清晰度廣播級數(shù)字電視（符合CCIR601、CCIR656標(biāo)準(zhǔn)要求的720*576）；而H.264由于算法優(yōu)化，可以低于2Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字監(jiān)控安裝圖像傳送；H.265 High Profile 可實(shí)現(xiàn)低于1.5Mbps的傳輸帶寬下，實(shí)現(xiàn)1080p全高清視頻傳輸。除了在編解碼效率上的提升外，在對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性方面H.265也有顯著提升，可很好運(yùn)行在Internet等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)條件下。

性能提升

在運(yùn)動預(yù)測方面，下一代算法將不再沿襲“宏塊”的畫面分割方法，而可能采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ苯颖鎰e監(jiān)控安裝畫面中的運(yùn)動主體。在變換方面，下一代算法可能不再沿襲基于傅立葉變換的算法族，有很多文章在討論，其中提請大家注意所謂的“超完備變換”，主要特點(diǎn)是：其MxN的變換矩陣中，M大于N，甚至遠(yuǎn)大于N，變換后得到的向量雖然比較大，但其中的0元素很多，經(jīng)過后面的熵編碼壓縮后，就能得到壓縮率較高的信息流。

關(guān)于運(yùn)算量，H.264的壓縮效率比MPEG-2提高了1倍多，其代價(jià)是計(jì)算量提高了至少4倍，導(dǎo)致高清編碼需要100GOPS的峰值計(jì)算能力。盡管如此，仍有可能使用2013年的主流IC工藝和普通設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)出達(dá)到上述能力的專用硬件電路，且使其批量生產(chǎn)成本維持在原有水平。5年（或許更久）以后，新的技術(shù)被接受為標(biāo)準(zhǔn)，其壓縮效率應(yīng)該比H.264至少提高1倍，估計(jì)對于計(jì)算量的需求仍然會增加4倍以上。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速進(jìn)步，相信屆時實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的專用芯片的批量生產(chǎn)成本應(yīng)該不會有顯著提高。因此，500GOPS，或許是新一代技術(shù)對于計(jì)算能力的需求上限。

優(yōu)勢

H.265/HEVC的編碼架構(gòu)大致上和H.264/AVC的架構(gòu)相似，主要也包含，幀內(nèi)預(yù)測(intra prediction)、幀間預(yù)測(inter prediction)、轉(zhuǎn)換 (transform)、量化(quantization)、去區(qū)塊濾波器(deblocking filter)、熵編碼(entropy coding)等模塊，但在HEVC編碼架構(gòu)中，整體被分為了三個基本單位，分別是：編碼單位(coding unit,CU)、預(yù)測單位(predict unit,PU) 和轉(zhuǎn)換單位(transform unit,TU )。

比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具來降低碼率，以編碼單位來說，H.264中每個宏塊(macroblock/MB)大小都是固定的16x16像素，而H.265的編碼單位可以選擇從最小的8x8到的64x64。

視頻編解碼技術(shù)應(yīng)用

在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻編解碼技術(shù)是前提，正是視頻編解碼技術(shù)的不斷發(fā)展，促成網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)逐步走向成熟應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中，視頻編碼技術(shù)主要應(yīng)用在編碼器、DVR及IP攝像機(jī)上，視頻編碼可以基于硬件或軟件，但其實(shí)質(zhì)都是如本章介紹的各種視頻編碼算法的具體應(yīng)用，而解碼技術(shù)主要應(yīng)用在硬件解碼及PC客戶端軟件上，是視頻編碼過程的逆向過程。視頻編碼技術(shù)是一門復(fù)雜的信息科學(xué)，在實(shí)現(xiàn)過程中，需要大量的復(fù)雜的算法、變換過程及參數(shù)配置，而視頻編碼技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中，通常還需要考慮成本、效果、效率等多種因素，對編碼實(shí)用性及適用性要求較高。

視頻編碼技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控安裝應(yīng)用中主要是一個成本平衡問題。我們采用視頻編碼技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是利用芯片及算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后進(jìn)行傳輸和存儲，而后在需要的時候，再進(jìn)行解碼顯示。因此，在帶寬成本和存儲成本下降的同時是以視頻編碼芯片及算法成本的增加為代價(jià)的，我們或者可以說，目前是帶寬成本及存儲成本與芯片及算法成本相差懸殊，所以在極力進(jìn)行算法的改進(jìn)和芯片的升級。幻想將來有一天，帶寬資源極大豐富，存儲設(shè)備都是“白菜價(jià)”，那我們就可以不必再煞費(fèi)苦心地研究算法及優(yōu)化工作。

視頻編碼參數(shù)配置

在視頻編碼器或DVR中，通常，通過客戶端界面，可以進(jìn)行視頻編碼壓縮參數(shù)的調(diào)整，以適用不同的環(huán)境需求，地發(fā)揮其效能。常見的參數(shù)配置包括編碼壓縮算法、GOP尺寸大小、GOP類型、碼流大小、幀率、分辨率等，這些參數(shù)的調(diào)整主要與網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲及抖動情況、存儲帶寬、存儲空間大小等因素有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

壓縮算法：主要指MPEG-4、H.264等，同一個算法下還有不同的類型，如MPEG-4的基本算法及高級算法略有不同。

GOP尺寸：指在編碼序列多少個幀里面出現(xiàn)一個I幀，通常可以在10~60之間進(jìn)行設(shè)定，如GOP是IBBPBBPBBBBI，則GOP尺寸是12，通常認(rèn)為GOP尺寸越長，監(jiān)控安裝圖像壓縮效率越高，也即在同碼流、同編碼格式的前提下圖像監(jiān)控安裝質(zhì)量越好。但這也不是的，通常需要綜合考慮多種因素。

GOP類型：指GOP中B、P幀的分布及數(shù)量，在GOP中B幀越多，編碼延時越長，但是編碼壓縮率更高（B幀數(shù)據(jù)量更少）。

幀率：每秒鐘幀的數(shù)量，如PAL制式下25幀/秒代表實(shí)時。幀率越高，碼流越大。

分辨率：每幀監(jiān)控安裝圖像像素?cái)?shù)量，如4CIF（704X576）、CIF（352X288）等。相同幀率下，分辨率越高，需要的碼流就越大，但監(jiān)控安裝圖像信息越豐富。

視頻編碼傳輸

傳輸協(xié)議說明

實(shí)時傳輸協(xié)議RTP是在網(wǎng)絡(luò)上處理多媒體數(shù)據(jù)流的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它能夠在單播及多播的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。RTP通常使用UDP來進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸，RTP協(xié)議的設(shè)計(jì)目的是提供實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸中的時間戳信息以及各數(shù)據(jù)流的同步功能。RTP本身并不能為按序傳輸數(shù)據(jù)包踢狗可靠的保證，也不提供流量控制和擁塞控制，這些都由實(shí)時傳輸控制協(xié)議RTCP來負(fù)責(zé)完成。通常RTCP會采用與RTP相同的分發(fā)機(jī)制，向會話中的所有成員周期性地發(fā)送控制信息，應(yīng)用程序通過接收這些數(shù)據(jù)，從中獲取相關(guān)資料，從而對服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行控制或者對網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行診斷。

傳輸模型介紹

當(dāng)發(fā)送端（編碼器端）收到編碼壓縮的碼流后，按照RTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的報(bào)文格式裝入RTP報(bào)文的數(shù)據(jù)負(fù)載段，并配置RTP報(bào)文頭部的時間戳、同步信息等參數(shù)，之后再封裝上UDP報(bào)頭和IP報(bào)頭，然后IP數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)向接收端發(fā)送；接收端收到IP包后先分析RTP包頭，判斷版本、長度等信息，更新緩沖區(qū)的RTp信息（如收到的字節(jié)數(shù)、視頻幀數(shù)、包數(shù)等信息），再按照RTP時間戳和包序列號等進(jìn)行信源同步，整理RTP包順序，重構(gòu)視頻幀，最后根據(jù)負(fù)載類型標(biāo)識進(jìn)行解碼，將數(shù)據(jù)放入緩存供解碼輸出。期間接收端周期性回送包含QoS反饋控制信息的RTCP包到數(shù)據(jù)發(fā)送端實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。