1 引言
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控架構(gòu)主要有三種方式：模擬監(jiān)控、數(shù)字監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。模擬監(jiān)控多采用模擬攝像機(jī)+監(jiān)控矩陣的方式。數(shù)字監(jiān)控多采用模擬攝像機(jī)+DVR的方式。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控則多采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（或者模擬攝像機(jī)+視頻編碼終端）+平臺(tái)/NVR的結(jié)構(gòu)。隨著圖像壓縮存儲(chǔ)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)市場(chǎng)需求的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模式（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)+平臺(tái)/NVR）已成為市場(chǎng)主流。
2 視頻監(jiān)控需要高清實(shí)現(xiàn)
對(duì)于視頻監(jiān)控而言，圖像清晰度是一個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo)。只有圖像清晰度上去了，才能使用戶(hù)體驗(yàn)更好，智能應(yīng)用等業(yè)務(wù)準(zhǔn)確性也會(huì)更高。而今，高清這個(gè)概念已經(jīng)在市場(chǎng)的角逐中廣為使用。而根據(jù)美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì)以及我們國(guó)家廣電的標(biāo)準(zhǔn)，真正的高清是指720p和1080i/p，其中720P（1280×720）分辨率是高清和標(biāo)清的一個(gè)分界線(xiàn)，當(dāng)前市場(chǎng)上的主流應(yīng)用CIF（352*288）和D1（720×576）分辨率還是屬于標(biāo)清的應(yīng)用。近年來(lái)，視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展（以H.264為代表）和網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升為高清在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的普及提供了契機(jī)。
高清的實(shí)現(xiàn)，必然要求視頻監(jiān)控解決方案的各環(huán)節(jié)：視頻采集、視頻編碼壓縮、視頻傳輸、視頻存儲(chǔ)、視頻數(shù)字信號(hào)的控制與交換、視頻瀏覽、錄像文件的回放等都支持高清。并且這些環(huán)節(jié)幾乎都對(duì)視頻編解碼有所要求。視頻的采集，考慮到高清的數(shù)據(jù)量，很多時(shí)候會(huì)選擇將采集下來(lái)的圖像進(jìn)行一定程度的近似無(wú)損壓縮（JPEG或M-JPEG多被采用）；視頻的傳輸和視頻序列的數(shù)據(jù)量有著直接的關(guān)系，分辨率越大、清晰度越高，意味著在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候碼流也會(huì)增大，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，因而視頻壓縮效率越高越能夠提高傳輸?shù)腝oS；數(shù)據(jù)流量的增大也增加了視頻存儲(chǔ)的壓力，視頻的編碼壓縮率直接影響到視頻的存儲(chǔ)容量；視頻的瀏覽和視頻編解碼的質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)，清晰度越高，可以容忍的瑕疵也會(huì)越少；錄像文件的回放和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、視頻編解碼的質(zhì)量掛鉤。可見(jiàn)，高清在視頻監(jiān)控中普及的關(guān)鍵在于視頻編解碼的質(zhì)量、壓縮率以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。其中，對(duì)編解碼最核心的需求是：在盡可能的降低碼率的同時(shí)，獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。
3 H.264的優(yōu)勢(shì)
2003年，由IEO／IEC和ITU—T兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手推出的視頻標(biāo)準(zhǔn)H.264更好的滿(mǎn)足了這一要求。H.264也稱(chēng)為MPEG4-Part10，相較于以前的視頻編解碼，可以達(dá)到更低的碼率，更好的圖像質(zhì)量，更好的IP和無(wú)線(xiàn)信道適應(yīng)性。同時(shí)我們也要注意到的是，H.264性能得到大幅提升的同時(shí)，計(jì)算復(fù)雜度也大大增加。下面主要介紹下H.264較諸其他視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)：
（1）支持更小的塊（最小可到4×4）和更細(xì)的運(yùn)動(dòng)矢量（Y分量為1/4像素）。宏塊被切分成更多尺寸更小的小塊，這樣可以使細(xì)小的運(yùn)動(dòng)可以更容易的被區(qū)分出來(lái)，使得運(yùn)動(dòng)矢量的精度得以提高，提高了編碼質(zhì)量與效率，節(jié)省了碼流。
（2）幀內(nèi)預(yù)測(cè)。不適合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)估計(jì)的地方，就采用幀內(nèi)估計(jì)用來(lái)消除空間冗余。幀內(nèi)預(yù)測(cè)并不是H.264所獨(dú)有的，但是相對(duì)其它編碼標(biāo)準(zhǔn)中的幀內(nèi)變換是在變換域中進(jìn)行，H.264的幀內(nèi)預(yù)測(cè)是在空間域中進(jìn)行的。首先根據(jù)其周?chē)暮陦K內(nèi)部估計(jì)通過(guò)在一個(gè)預(yù)定義的集合上的不同方向的鄰近塊推測(cè)相鄰像素來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前塊。然后預(yù)測(cè)塊和真實(shí)塊之間的不同點(diǎn)被編碼。這種方法對(duì)于經(jīng)常存在空間冗余的平坦背景特別有用，可以節(jié)省碼流和提高編碼質(zhì)量。
（3）整數(shù)DCT 4×4變換與量化。MPEG-2，MPEG-4，H.263使用浮點(diǎn)DCT8X8變換。H.264使用更小的4×4塊，可以減少塊效應(yīng)和明顯的人工痕跡。整數(shù)系數(shù)消除了在MPEG-2，MPEG-4，H.263中進(jìn)行浮點(diǎn)系數(shù)運(yùn)算時(shí)導(dǎo)致的精度損失。在量化上，量化步長(zhǎng)的變化不象以前視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)中的每次遞增一個(gè)常量，而是將量化步長(zhǎng)的變化幅度控制在12.5%左右，即可以改善編碼質(zhì)量，又提高對(duì)碼率的控制能力（見(jiàn)圖1）。
圖1 整數(shù)DCT 4×4變換與量化
（4）熵編碼。H.264提供了兩種可選方式的熵編碼模式：全局VLC（即UVLC，Universal VLC）和基于語(yǔ)法的上下文自適應(yīng)二值算術(shù)編碼CABAC（Context Adaptive Binary Arithmetic Coding）。UVLC使用一個(gè)相同的碼表進(jìn)行編碼，而解碼器很容易識(shí)別碼字的前綴，UVLC在發(fā)生比特錯(cuò)誤時(shí)能快速獲得重同步。UVLC計(jì)算復(fù)雜度較低，主要針對(duì)對(duì)編碼時(shí)間要求很?chē)?yán)格的應(yīng)用，缺點(diǎn)就是效率低，壓縮率不高；CABAC其編碼性能比UVLC有提升，但復(fù)雜度較高。
（5）多參考幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和加權(quán)預(yù)測(cè)。使用多幀運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以提高編碼質(zhì)量和效率，且有利于恢復(fù)丟包。加權(quán)預(yù)測(cè)可用于修正P幀或B幀內(nèi)中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)像素的方法，可以提高編碼質(zhì)量。
（6）環(huán)內(nèi)濾波。視頻編解碼器中加入濾波器的方法有兩種：環(huán)外濾波器和環(huán)內(nèi)濾波器。環(huán)外濾波器只處理編碼環(huán)路外的顯示緩沖器中的數(shù)據(jù)，所以它不是標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中的規(guī)范內(nèi)容，在標(biāo)準(zhǔn)中只是可選項(xiàng)。相反，環(huán)路濾波器處理編碼環(huán)路中的數(shù)據(jù)。在編解碼器中，被濾波的圖像幀作為后續(xù)編解碼幀運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膮⒖紟辉诮獯a器中，濾波后的圖像輸出顯示。這要求所有與本標(biāo)準(zhǔn)一致的解碼器采用同一個(gè)濾波器以與編碼器同步。當(dāng)然如果有必要，解碼器也還可以在使用環(huán)路濾波器的同時(shí)使用后置濾波器。由于考慮了塊數(shù)據(jù)的邊界等信息，環(huán)內(nèi)濾波器的效果要好于環(huán)外濾波器。H.264采用了環(huán)內(nèi)濾波器，通過(guò)對(duì)宏塊邊緣的平滑濾波, 減輕視頻編碼中的塊效應(yīng)，既減弱“塊效應(yīng)”的影響又避免濾掉圖像的客觀特征，同時(shí)在相同主觀質(zhì)量下使比特率減少 5%～10%。
2005年增加的H.264 High Profile，由于其更高的編碼壓縮率和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，被很多應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注，其中包括高清視頻會(huì)議、高清視頻監(jiān)控、無(wú)線(xiàn)監(jiān)控等。
H.264 High Profile是目前H.264各種Profile中編碼最高效的Profile。在H.264 Main Profile的基礎(chǔ)上增加了8x8幀內(nèi)預(yù)測(cè)、自定義量化矩陣、無(wú)損視頻編碼、支持輸入圖像為YUV400格式。與其他標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同失真率條件下H.264 High Profile的編碼效率提高了50%左右。其中，對(duì)提升編碼壓縮率的主要有CABAC編碼、多參考幀、8x8幀內(nèi)預(yù)測(cè)、8x8DCT變換。
4 H.264的改進(jìn)
H.264為了更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的多樣性，增強(qiáng)魯棒性，做了以下的改進(jìn)：
在概念上可以分為兩層：視頻編碼層（VCL，Video Coding Layer）和網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL，Network Abstraction Layer）。VCL和NAL分層編碼設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是使H.264標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有更廣泛的適應(yīng)性，并在一定的網(wǎng)絡(luò)特性條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)壓縮性能，從而使其有更廣泛的應(yīng)用空間。VCL和NAL在功能上是分工協(xié)作的關(guān)系，VCL負(fù)責(zé)基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償混合編碼。而NAL專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的適配，包括為視頻編碼信息提供文件頭信息，以適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。即以NAL包為單位的方式來(lái)做為VCL編解碼的基本單元，這樣網(wǎng)絡(luò)層拿到NAL包之后只需附加該傳輸協(xié)議的頭信息就可以傳送出去。可以將NAL當(dāng)成是一個(gè)專(zhuān)做數(shù)據(jù)封裝的模塊，用來(lái)將VCL壓縮過(guò)的H.264碼流封裝成適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包頭記載數(shù)據(jù)包的類(lèi)型，每種類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)到VCL中不同的編解碼工具
在H.264標(biāo)準(zhǔn)中引入NAL層，其碼流結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性更強(qiáng)，增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在這種分層結(jié)構(gòu)中，高編碼效率和網(wǎng)絡(luò)友好性的任務(wù)分別由VCL和NAL來(lái)完成。利用這種特性，我們還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的封裝和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的優(yōu)先控制。
NAL層的另一個(gè)重要功能是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生惡化時(shí)，導(dǎo)致NAL包丟失或者接受次序錯(cuò)亂時(shí)，接收方可以根據(jù)預(yù)設(shè)的方案，進(jìn)行相應(yīng)的糾錯(cuò)處理。H.264規(guī)范中一共規(guī)定了12種NAL單元的類(lèi)型，來(lái)定義不同的NAL內(nèi)容，這樣當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，調(diào)度層就可以根據(jù)不同的NAL類(lèi)型做不同的處理操作。這一功能在可靠性較低的網(wǎng)絡(luò)中，特別有用。
考慮到H.264 High Profile較諸其他編解碼協(xié)議在圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)壓縮性能和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性的壓倒性的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)，采用H.264 High Profile的產(chǎn)品會(huì)有更大的競(jìng)爭(zhēng)力，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，H.264 High Profile必然成為視頻監(jiān)控、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。這也對(duì)視頻監(jiān)控行業(yè)提出了新的要求，去深入理解并引入H.264 High Profile。
