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視頻監控壓縮技術詳解及視頻技術前世今生

2017-03-10 10:51:23來源:網絡已被 人閱讀

內容摘要:目前各類壓縮式有MPEG1--MPEG4--MPEG7MPEG21-H.264MPEG是MovingPicturesExpertsGroup(動態圖象專家組)的縮寫。這個專家組始建于
       目前各類壓縮式有MPEG1--MPEG4--MPEG7—MPEG21-H.264MPEG是MovingPicturesExpertsGroup(動態圖象專家組)的縮寫。這個專家組始建于1988年,專門負責為CD建立視頻和音頻標準,其成員均為視頻、音頻及系統領域的技術專家。
       最早MPEG的締造者們原先打算開發四個版本:MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4,以適用于配合不同帶寬和數字影像質量的要求。
       后由于MPEG-2的出色性能表現,已能適用于HDTV,使得原打算為HDTV設計的MPEG-3,還沒出世就被拋棄了。所以現存只有三個版本:MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4。如果說,MPEG-1“文件小,但質量差”;而MPEG-2則“質量好,但更占空間”的話,那么MPEG-4則很好的結合了前兩者的優點。它于1998年10月定案,在1999年1月成為一個國際性標準,隨后為擴展用途又進行了第二版的開發,于1999年底結束。
       MPEG-2技術特點:MPEG-2制定于1994年,設計目標是高級工業標準的圖像質量以及更高的傳輸率。MPEG-2所能提供的傳輸率在3MB-10MB/s間,在NTSC制式下的分辨率可達720×486,MPEG-2能夠提供廣播級的視像和CD級的音質。MPEG-2的音頻編碼可提供左右中及兩個環繞聲道,以及一個加重低音聲道和多達七個伴音聲道。MPEG-2的另一特點是,可提供一個較廣范圍的可變壓縮比,以適應不同的畫面質量、存儲容量以及帶寬的要求。應用范圍:MPEG-2技術就是實現DVD的標準技術,現在DVD播放器也開始在家庭中普及起來了。除了作為DVD的指定標準外,MPEG-2還可用于為廣播、有線電視網、電纜網絡以及衛星直播提供廣播級的數字視頻。2.MPEG-3由于MPEG-2的出色性能表現,已能適用于HDTV(高清晰度電視),使得原打算為HDTV設計的MPEG-3,還沒出世就被拋棄了。
       MPEG-4技術特點:MPEG-4于1998年11月公布,它不僅是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼,更加注重多媒體系統的交互性和靈活性。這個標準主要應用于視像電話、視像電子郵件等,對傳輸速率要求較低,在4800-64000bits/s之間,分辨率為176×144。MPEG-4利用很窄的帶寬,通過幀重建技術、數據壓縮,以求用最少的數據獲得最佳的圖像質量。應用范圍:經過這兩年的發展,現在最熱門的應用是利用MPEG-4的高壓縮率和高的圖像還原質量來把DVD里面的MPEG-2視頻文件轉換為體積更小的視頻文件。經過這樣處理,圖像的視頻質量下降不大但體積卻可縮小幾倍,可以很方便地用CD-ROM來保存DVD上面的節目。另外,MPEG-4在家庭攝影錄像、網絡實時影像播放將大有用武之地。MPEG4主要應用于視像電話(VideoPhone),視像電子郵件(VideoEmail)和電子新聞(Electronicnews)等,對傳輸速率要求較低,在4800-64000bits/sec之間。利用很窄的帶寬,通過幀重建技術,壓縮和傳輸數據,以求以最少的數據獲得最佳的圖像質量。MPEG-4的特點是其更適于交互AV服務以及遠程監控。這是一個有交互性的動態圖像標準。從目前的情況看,MPEG-4很可能會被用于三個領域內:數字電視、交互式的圖形應用(包括內容上的合成技術)、交互式多媒體領域等。MPEG-4提供了標準的技術使其能被整合到產品、分類、內容訪問等過程中去。繼MPEG-4之后,人們又對解決日漸龐大的圖像、聲音MPEG-4標準提供了一系列的技術來滿足作者、服務提供商以及最終用戶的需要。對于作者而言,MPEG-4能夠很大限度的保證內容的可重復使用,它比當今我們看到的技術比如數字電視、動畫等更具有彈性;對網絡服務提供商,MPEG-4提供了技術來支持將信息解釋或者翻譯成適當的本地化信息的功能;而終端用戶們,MPEG-4可以帶來更多的交互性。
       前面我們已經提到過MPEG-4有兩個版本,第二版是在第一版的基礎上建立起來的,它可以向后兼容。一般情況下MPEG-4提供了一個標準的方法來描述場景,其中場景的描述依靠了虛擬,這正是建模語言(VRML)中的許多概念MPEG-4標準由以下幾個部分組成。
1、DMIF(TheDelliveryMultimediaIntegrationframework)即多媒體傳送整體框架,它主要解決交互網絡中、廣播環境下以及磁盤應用中多媒體應用的操作問題。
2、數據平面,MPEG4中的數據平面分為兩部分:傳輸關系部分和媒體關系部分。為了使基本流和AV對象在同一場景中出現,MPEG4引用了對象描述(OD)和流圖桌面(SMT)的概念。
3、緩沖區管理和實時識別,MPEG4定義了一個系統解碼模式(SDM)。該解碼模式通過有效地管理,可以更好地利用有限的緩沖區空間。
4、音頻編碼,MPEG4不僅支持自然聲音,而且支持合成聲音。
5、視頻編碼,與音頻編碼類似,MPEG-4也支持對自然和合成的視覺對象的編碼。
       MPEG-7MPEG提出了解決方案MPEG-7。該工作于1998年提出,在2001年初最終完成。MPEG-7將對各種不同類型的多媒體信息進行標準化描述,以實現快速有效的搜索。該標準不包括對描述特征的自動提取,也沒有規定利用描述進行搜索的工具或任何程序。其正式稱謂是“多媒體內容描述接口”。MPEG-7可獨立于其它MPEG標準使用,但MPEG-4中所定義的對音、視頻對象的描述適用于MPEG-7,這種描述是分類的基礎。另外我們可以利用MPEG-7的描述來增強其它MPEG標準的功能。總體來說,MPEG有三方面的優勢。首先,它是做為一個國際化的標準來研究制定的,所以,具有很好的兼容性。其次,MPEG能夠比其他算法提供更好的壓縮比,最高可達200:1。更重要的是,MPEG在提供高壓縮比的同時,對數據的損失很小。與同樣是音頻壓縮標準的AC系列標準相比,MPEG標準系列由于不存在專利權的問題,它更適合于大力推廣。MPEG-1使得VCD取代了傳統的錄像帶;而MPEG-2將使數字電視最終完全取代現有的模擬電視;隨著MPEG-4和MPEG-7新標準的不斷推出,數據壓縮和傳輸技術必將趨向更加規范化。準確說來,MPEG-7并不是一種壓縮編碼方法,而是一個多媒體內容描述接口。繼MPEG-4之后,要解決的矛盾就是對日漸龐大的圖像、聲音信息的管理和迅速搜索。MPEG7就是針對這個矛盾的解決方案。MPEG-7力求能夠快速且有效地搜索出用戶所需的不同類型的多媒體影像資料,比如在影像資料中搜索有長江三峽鏡頭的片段。這個方案于2001年初最終完成并公布。
       MPEG-21MPEG-21將由MPEG-7發展而來,剛剛才開始啟動。據透露,MPEG-21主要規定數字節目的網上實時交換協議。
       相關視頻格式看過了MPEG系列的音像壓縮格式后,我想大家一定還關心其他相關壓縮格式的發展狀況,以及各地自的優缺點。我想也只有知道了這些,才能更好地掌握整體的狀況。ASFASF是AdvancedStreamingformat的縮寫,這是Microsoft為了和RealPlayer競爭而發展出來的一種可以直接在網上觀看視頻節目的文件壓縮格式!采用MPEG-4的壓縮算法,作為視頻“流”格式在網上即時觀賞的時候,比VCD差一點點,但比其他視頻“流”格式的RAM格式要好。如果你不考慮在網上傳播,選最好的質量來壓縮文件的話,其生成的視頻文件比VCD要好。但這樣的話,就失去了ASF本來的發展初衷。nAVInAVI是newAVI的縮寫,不過這個并不是微軟發展而來的。它是一個名為ShadowRealm的地下組織發展起來的一種新視頻格式,由MicrosoftASF壓縮算法的修改而來,犧牲了ASF的視頻流特性,改善了原始的ASF格式的一些不足,簡單說就是非網絡版本的ASF!國際標準組織MPEG即將批準一項新的數字視頻壓縮格式,有望為新興的多媒體技術帶來改進,但同時也增加了一些不確定因素。新格式被稱作H.264。據稱,它可以通過互聯網發送DVD質量的視頻,所使用的網絡資源明顯少于競爭對手。
       RobertKoenen稱,該格式(或稱多媒體數字信號編解碼器)是由美國和歐洲標準組織合作組建的"聯合視頻小組"創建的,將作為MPEG-4(移動圖像專家組)多媒體標準的一部分在年底獲得通過。MPEG-4標準的主要許可交換中心--MPEGLA已要求各公司在星期五之前將它們認為涉及H.264格式的專利呈遞上去,便于他們加以考慮。壓縮大量數據文件是實現視頻在線發送和發送至無線設備的關鍵所在,各媒體公司對這兩個市場覬覦已久,但部分因為成本和質量問題未能如愿以償。沒有幾家高速互聯網接入提供商能保證數據傳輸速度高于500千位/秒,使視頻文件的尺寸成為好萊塢的互聯網視頻分銷計劃的最大障礙。H.264花了很長時間才將此問題解決。測試時,在略低于1兆比特每秒的傳輸速度下播放質量達到DVD水平。盡管這并不意味著普通消費者很快就可以通過標準寬帶連接欣賞到DVD質量的視頻流,但與其它格式相比,它確定了一個重要的性能基準。H.264,即MPEG-4第10部分所實現的數據節省可以加快互聯網和無線視頻點播服務的發展速度。它也許將證明自己對那些希望通過他們的管道播放更多頻道的有線運營商和尋求在DVD等數字媒體中裝入更多更高質量的視頻文件的發行人非常有價值。
       目前,這些行業通常仍在采用較老的MPEG-2視頻標準,文件大小比新標準高4倍。H.264還有望比目前根據MPEG-4實現的視頻格式在性能方面提高33%。H.264是ITU-T的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC的MPEG(活動圖像編碼專家組)的聯合視頻組(JVT:jointvideoteam)開發的一個新的數字視頻編碼標準,它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年1月份開始草案征集,1999年9月,完成第一個草案,2001年5月制定了其測試模式TML-8,2002年6月的JVT第5次會議通過了H.264的FCD板。2003年3月正式發布。H.264和以前的標準一樣,也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設計,不用眾多的選項,獲得比H.263++好得多的壓縮性能;加強了對各種信道的適應能力,采用“網絡友好”的結構和語法,有利于對誤碼和丟包的處理;應用目標范圍較寬,以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸(存儲)場合的需求;它的基本系統是開放的,使用無需版權。在技術上,H.264標準中有多個閃光之處,如統一的VLC符號編碼,高精度、多模式的位移估計,基于4×4塊的整數變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很的高編碼效率,在相同的重建圖像質量下,能夠比H.263節約50%左右的碼率。H.264的碼流結構網絡適應性強,增加了差錯恢復能力,能夠很好地適應IP和無線網絡的應用。H。264的技術亮點1、分層設計H.264的算法在概念上可以分為兩層:視頻編碼層(VCL:VideoCodingLayer)負責高效的視頻內容表示,網絡提取層(NAL:NetworkAbstractionLayer)負責以網絡所要求的恰當的方式對數據進行打包和傳送。在VCL和NAL之間定義了一個基于分組方式的接口,打包和相應的信令屬于NAL的一部分。這樣,高編碼效率和網絡友好性的任務分別由VCL和NAL來完成。VCL層包括基于塊的運動補償混合編碼和一些新特性。與前面的視頻編碼標準一樣,H.264沒有把前處理和后處理等功能包括在草案中,這樣可以增加標準的靈活性。NAL負責使用下層網絡的分段格式來封裝數據,包括組幀、邏輯信道的信令、定時信息的利用或序列結束信號等。例如,NAL支持視頻在電路交換信道上的傳輸格式,支持視頻在Internet上利用RTP/UDP/IP傳輸的格式。NAL包括自己的頭部信息、段結構信息和實際載荷信息,即上層的VCL數據。(如果采用數據分割技術,數據可能由幾個部分組成)。2、高精度、多模式運動估計H.264支持1/4或1/8像素精度的運動矢量。在1/4像素精度時可使用6抽頭濾波器來減少高頻噪聲,對于1/8像素精度的運動矢量,可使用更為復雜的8抽頭的濾波器。在進行運動估計時,編碼器還可選擇“增強”內插濾波器來提高預測的效果。在H.264的運動預測中,一個宏塊(MB)可以按圖2被分為不同的子塊,形成7種不同模式的塊尺寸。這種多模式的靈活和細致的劃分,更切合圖像中實際運動物體的形狀,大大提高了運動估計的精確程度。在這種方式下,在每個宏塊中可以包含有1、2、4、8或16個運動矢量。在H.264中,允許編碼器使用多于一幀的先前幀用于運動估計,這就是所謂的多幀參考技術。例如2幀或3幀剛剛編碼好的參考幀,編碼器將選擇對每個目標宏塊能給出更好的預測幀,并為每一宏塊指示是哪一幀被用于預測。3、4×4塊的整數變換H.264與先前的標準相似,對殘差采用基于塊的變換編碼,但變換是整數操作而不是實數運算,其過程和DCT基本相似。這種方法的優點在于:在編碼器中和解碼器中允許精度相同的變換和反變換,便于使用簡單的定點運算方式。也就是說,這里沒有“反變換誤差”。變換的單位是4×4塊,而不是以往常用的8×8塊。由于用于變換塊的尺寸縮小,運動物體的劃分更精確,這樣,不但變換計算量比較小,而且在運動物體邊緣處的銜接誤差也大為減小。為了使小尺寸塊的變換方式對圖像中較大面積的平滑區域不產生塊之間的灰度差異,可對幀內宏塊亮度數據的16個4×4塊的DC系數(每個小塊一個,共16個)進行第二次4×4塊的變換,對色度數據的4個4×4塊的DC系數(每個小塊一個,共4個)進行2×2塊的變換。H.264為了提高碼率控制的能力,量化步長的變化的幅度控制在12.5%左右,而不是以不變的增幅變化。變換系數幅度的歸一化被放在反量化過程中處理以減少計算的復雜性。為了強調彩色的逼真性,對色度系數采用了較小量化步長。4、統一的VLCH.264中熵編碼有兩種方法,一種是對所有的待編碼的符號采用統一的VLC(UVLC:UniversalVLC),另一種是采用內容自適應的二進制算術編碼(CABAC:Context-AdaptiveBinaryArithmeticCoding)。CABAC是可選項,其編碼性能比UVLC稍好,但計算復雜度也高。UVLC使用一個長度無限的碼字集,設計結構非常有規則,用相同的碼表可以對不同的對象進行編碼。這種方法很容易產生一個碼字,而解碼器也很容易地識別碼字的前綴,UVLC在發生比特錯誤時能快速獲得重同步。圖3顯示了碼字的語法。這里,x0,x1,x2,…是INFO比特,并且為0或1。圖4列出了前9種碼字。如:第4號碼字包含INFO01,這一碼字的設計是為快速再同步而經過優化的,以防止誤碼。5、幀內預測在先前的H.26x系列和MPEG-x系列標準中,都是采用的幀間預測的方式。在H.264中,當編碼Intra圖像時可用幀內預測。對于每個4×4塊(除了邊緣塊特別處置以外),每個像素都可用17個最接近的先前已編碼的像素的不同加權和(有的權值可為0)來預測,即此像素所在塊的左上角的17個像素。顯然,這種幀內預測不是在時間上,而是在空間域上進行的預測編碼算法,可以除去相鄰塊之間的空間冗余度,取得更為有效的壓縮。如圖4所示,4×4方塊中a、b、...、p為16個待預測的像素點,而A、B、...、P是已編碼的像素。如m點的值可以由(J+2K+L+2)/4式來預測,也可以由(A+B+C+D+I+J+K+L)/8式來預測,等等。按照所選取的預測參考的點不同,亮度共有9類不同的模式,但色度的幀內預測只有1類模式。(6)面向IP和無線環境H.264草案中包含了用于差錯消除的工具,便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發環境中傳輸,如移動信道或IP信道中傳輸的健壯性。為了抵御傳輸差錯,H.264視頻流中的時間同步可以通過采用幀內圖像刷新來完成,空間同步由條結構編碼(slicestructuredcoding)來支持。同時為了便于誤碼以后的再同步,在一幅圖像的視頻數據中還提供了一定的重同步點。另外,幀內宏塊刷新和多參考宏塊允許編碼器在決定宏塊模式的時候不僅可以考慮編碼效率,還可以考慮傳輸信道的特性。除了利用量化步長的改變來適應信道碼率外,在H.264中,還常利用數據分割的方法來應對信道碼率的變化。從總體上說,數據分割的概念就是在編碼器中生成具有不同優先級的視頻數據以支持網絡中的服務質量QoS。例如采用基于語法的數據分割(syntax-baseddatapartitioning)方法,將每幀數據的按其重要性分為幾部分,這樣允許在緩沖區溢出時丟棄不太重要的信息。還可以采用類似的時間數據分割(temporaldatapartitioning)方法,通過在P幀和B幀中使用多個參考幀來完成。在無線通信的應用中,我們可以通過改變每一幀的量化精度或空間/時間分辨率來支持無線信道的大比特率變化。可是,在多播的情況下,要求編碼器對變化的各種比特率進行響應是不可能的。因此,不同于MPEG-4中采用的精細分級編碼FGS(FineGranularScalability)的方法(效率比較低),H.264采用流切換的SP幀來代替分級編碼。H.264的性能測試TML-8為H.264的測試模式,用它來對H.264的視頻編碼效率進行比較和測試。測試結果所提供的PSNR已清楚地表明,相對于MPEG-4(ASP:AdvancedSimpleProfile)和H.263++(HLP:HighLatencyProfile)的性能,H.264的結果具有明顯的優越性,如圖5所示。H.264的PSNR比MPEG-4(ASP)和H.263++(HLP)明顯要好,在6種速率的對比測試中,H.264的PSNR比MPEG-4(ASP)平均要高2dB,比H.263(HLP)平均要高3dB。6個測試速率及其相關的條件分別為:32kbit/s速率、10f/s幀率和QCIF格式;64kbit/s速率、15f/s幀率和QCIF格式;128kbit/s速率、15f/s幀率和CIF格式;256kbit/s速率、15f/s幀率和QCIF格式;512kbit/s速率、30f/s幀率和CIF格式;1024kbit/s速率、30f/s幀率和CIF格式。
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