“视频血拼”年代 编解码应用不容忽视

    编解码格式这玩意儿对于视频来说就好比mp3之于音乐，事业线之于薪水，杰士邦之于情人节，时常以一种“没你我玩不转”的方式存在着。在这个电视拼4K极清，网络视频拼超清，视频监控拼高清的“视频血拼”年代，人们都希望在不用大费周章增加带宽的前提下获得更高清更唯美的视频画质体验。对于这样的期待，交给H.265好了。H.264统治了过去的五年，按照“人品守恒定律”来看，差不多该接班了。本文重点从视频监控编码技术及标准两方面进行探讨。
　　
　　视频监控编码需求日渐旺盛
　　
　　由于网络监控的需求量越来越大，刺激广大机器视觉的厂商，特别是工业相机的厂家努力在网络摄像机方面来发展，间接也促进了网络视频编码器的发展，目前网络视频编码器已经由单功能的视频传输，逐渐发展成为带WIFI网络，带本地SD卡存储，或USB存储或IDE硬盘存储等；传输通道也从原来单路逐渐发展成为：单路D1，两路HD1，四路CIF和多路兼容的多菜单操作与管理的集成系统。
　　
　　目前，网络视频编码器的通讯方式也由原来单纯的有线网络，逐渐发展成为：有线与无线WIFI（802.11abg通讯协议）兼容，无线的传输距离也由原来的几十米（30-100米），发展成为目前的几十公里（30-50公里）。
　　
　　编码器是将信号或数据进行编制、转换后进行传输出去的设备。网络视频编码器只是编码器通过发展之后其中的一个很常见的应用，并且成功的应用于网络设备而得到广大电子工程师的认识和应用。
　　
　　视频编解码三大技术展示
　　
　　网络适应性是影响网络监控设备能否取得更快发展和普及的重要因素，因此，接下来将会有大量的网络适应性技术被应用到IP前端与管理平台中，视频编码器也不例外。在这些网络适应性技术中，与存储、传输、管理相关的三个方面应该是最迫切的。
　　
　　1、ANR技术
　　
　　与存储相关的网络适应性技术主要是ANR。ANR的前提是视频编码器支持本地存储，同时系统部署有中心存储。网络正常时，所有录像在中心完成；当网络发生故障时，支持ANR的视频编码器和中心管理平台将同时侦测到故障，并各自建立与时间相关的日志，同时视频编码器启动本地录像，利用本身内置的存储介质进行存储；在网络恢复正常后，视频编码器与中心管理平台将比较各自建立的日志，检查比对网络失效时的数据，然后由视频编码器将本地存储的录像上传至中心存储设备，完成后自动删除本地录像。ANR技术一方面可以提升存储可靠性，另一方面可以保证录像文件的完整性和统一管理性。
　　
　　2、速率调整
　　
　　与传输相关的网络适应性技术主要是指速率调整技术。网络正常时，视频编码器以正常编码速率上传监控码流到中心平台；当网络发生拥塞时，视频编码器能自动检测到拥塞，然后通过自动调整视频分辨率、视频帧率等编码参数进行码流占用带宽的调整，以保证监控码流可以稳定上传；当网络恢复时，视频编码器再自动恢复之前的编码传输。
　　
　　3、人性化设计
　　
　　与管理相关的网络适应性技术主要是指人性化设计。网络发生拥塞时，要能够主动提示管理人员和浏览人员并记录；前端视频编码器IP地址与其他设备冲突时，要能够有一定的机制通知中心管理平台，由平台主动提示相关工作人员并记录等等。
　　
　　视频编码标准不容忽视
　　
　　在视频传输过程中在要求图像不失真，则图像传输的比特数就大，在网络带宽一定的情况下，降低视频图像的码流就成为一项重要的技术。H.264，又称MPEG-4part10，也称AVC（AdvancedVideoCoding），是一种先进数字视频压缩技术和标准，由VCEG（ITU-TVideoCodingExpertsGroup）和MPEG（ISO/IECMovingPictureExpertsGroup）联合组成的JVT（JointVideoTeam）于2003年3月正式发布的。H.264标准的主要目标就是在同等保真条件下，提高编码效率，与之前的H.263或者MPEG-4标准相比，其在保证相同图像质量的情况下，降低约50%的码率。
　　
　　更为先进的H.265编码技术是ITU-TVCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准。2012年6月25日，国际电信联盟（ITU）在其网站公布了工作计划项目，原定于2008年至2010年推出的《Highefficiencyvideocoding》（HEVC或称H.265）技术标准于2013年1月推出。在技术上，H.265将在现有的主流视频编码标准H.264上保留了一些较为成熟的技术和继承其现有的优势，同时对一些其他的技术进行改进，可能体现在提高压缩效率、提升错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延以及降低复杂度等方面。但H.265还没有进入商业化应用阶段。
　　
　　H.265的高明之处
　　
　　从编码框架上来说，H.265仍然沿用了H.264的混合编码框架，但是每个技术细节都有提升或改进。比较大的改进是：1)在图像分块以及运动补偿、变换方面，支持更大尺寸和种类；2)更多帧内/帧间预测、运动矢量预测和变换模式；3)增加环内采样自适应滤波SAO；4)提供TILE模式，更好地支持并行处理等。这些新技术的应用，不但有效地提高压缩性能，也为各种处理器平台的有效实现扩展了空间。
　　
　　1、更大的宏块和变换块。相对于H.264的4×4、8×8、16×16宏块类型，H.265引入了32×32、64×64甚至于128×128的宏块，目的在于减少高清数字视频的宏块个数，减少用于描述宏块内容的参数信息，同时整形变换块大小也相应扩大，用于减少H.264中变换相邻块问的相似系数。
　　
　　2、使用新的MV(运动矢量)预测方式。区别于H.264基于空间域的运动矢量预测方式，H.265扩充更加多的方向进行帧内预测，同时将预测块的集合由原来的空间域扩展到时间域及空时混合域，通过率失真准则计算后选择最佳的预测块。使用该方法，在基本模式下测试，在与H.264相同质量的情况下，得到平均为6.1%的压缩增益，复杂图像的压缩增益甚至能提高到20%。
　　
　　3、更多的考虑并行化设计。当前芯片架构已经从单核性能逐渐往多核并行方向发展，H.265引入了Entropyslice、WPP等并行运算思路，使用并行度更高的编码算法，更有利于H.265在GPU/DSP/FPGA/ASIC等并行化程度非常高的CPU中快速高效的实现产业化。
　　
　　4、新添加的Tile划分机制使得以往的slice、帧或GOP为单位的粗粒度数据并行机制更加适合于同构多核处理器上的并行实现。Dependentslice和WPP机制解决了以往H.264等编码技术中熵编码环节无法并行实现的问题，使得整个编解码过程中DCT、运动估计、运动补偿、熵编码等任务模块的划分更加均衡，显著提高并行加速比。
　　
　　5、更低的码流。反复的质量比较测试已经表明，在相同的图象质量下，相比于H.264，通过H.265编码的视频码流大小比H.264减少大约39-44%。由于质量控制的测定方法不同，这个数据也会有相应的变化。通过主观视觉测试得出的数据显示，在码率减少51-74%的情况下，H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好，其本质上说是比预期的信噪比(PSNR)要好。