视频技术及其现状

1、视频技术及其现状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燧编码压缩技术。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。运动矢量通过燧编

2、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燧编码技术：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、烟编码燧编码是无损编码。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

3、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、婿编码等压缩技术。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.263H.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 oH.263支持多种分辨率:H.

4、263使用的位率可小于 64Kb/s,且传输比特率可不固定(变码率)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

5、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-1/2MPEG-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

6、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“2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-4MPEG-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

7、 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

8、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。JVT标准在ISO/IEC 中的正式名称为：MPEG-4 A VC(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

9、。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

10、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

11、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(720x480),次高(1440x1080),高(1920x1080)。 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

12、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

13、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

14、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，价格也较周I O分辨率新的选择528x3842CIF (70

15、4x288)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

16、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。 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、

17、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

18、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

19、、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，