H.264標(biāo)準(zhǔn)在軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用摘　要　主要介紹H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),以及它在城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)通過將每個(gè)視頻幀分離成塊,剩余空間冗余,與其他現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比,在相同帶寬下提供更加良好的圖像質(zhì)量。使用H.264標(biāo)準(zhǔn),在同等圖像質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高2倍以上,因此該標(biāo)準(zhǔn)被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞　H.264標(biāo)準(zhǔn)　編碼壓縮　視頻監(jiān)控系統(tǒng)　城市軌道交通1 H.264編碼概況 2003年5月,國際電聯(lián)(ITU)和MPEG標(biāo)準(zhǔn)組織ISO共同發(fā)布了H.264/MPEG4AVC視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。在2004年,H.264作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),不僅應(yīng)用在不同的行業(yè)中,而且涉及各個(gè)國家、各個(gè)組織。到2004年底,業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的一些大公司(如Cisco、Apple、Envivio、Tandberg、Polycom等)陸續(xù)發(fā)布了支持H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的媒體服務(wù)平臺(tái)及解決方案,而其他半導(dǎo)體公司(如Broadcom,Conexant,LSIlogic,STM)也陸續(xù)發(fā)布了H.264專用解碼芯片的樣片和最新成果。 H.264/MPEG4AVC(H.264)是1995年自MPEG2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),其主要目標(biāo)是:與其他現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比,在相同帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。通過標(biāo)準(zhǔn),在同等圖像質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上,因此被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2H.264編碼的技術(shù)優(yōu)勢(shì) H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮系統(tǒng)由視頻編碼層(VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(NetworkAbstractionLayer,NAL)兩部分組成。VCL包括VCL編碼器與VCL解碼器,主要功能是視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼和解碼,包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換編碼、熵編碼等壓縮單元;NAL則用于為VCL提供一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的統(tǒng)一接口,負(fù)責(zé)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包后使其在網(wǎng)絡(luò)中傳送,采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式,包括單個(gè)字節(jié)的包頭信息、多個(gè)字節(jié)的視頻數(shù)據(jù)與組幀、邏輯信道信令、定時(shí)信息、序列結(jié)束信號(hào)等。包頭包含存儲(chǔ)標(biāo)志和類型標(biāo)志,其中存儲(chǔ)標(biāo)志用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)不屬于被參考的幀,類型標(biāo)志用于指示圖像數(shù)據(jù)的類型。VCL可以傳輸按當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)整的編碼參數(shù)。 H.264和H.261、H.263一樣,采用了DCT變換編碼加DPCM的差分編碼,即混合編碼結(jié)構(gòu)。同時(shí),H.264在混合編碼的框架下引入了新的編碼方式,提高了編碼效率,更貼近實(shí)際應(yīng)用。H.264沒有煩瑣的選項(xiàng),力求簡潔的“回歸基本”,它具有比H.263++更好的壓縮性能,又具有適應(yīng)多種信道的能力。H.264與以前的國際標(biāo)準(zhǔn)(如H.263和MPEG4)相比,最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:(1)將每個(gè)視頻幀分離成由像素組成的塊,因此視頻幀的編碼處理過程可以達(dá)到塊的級(jí)別。(2)采用空間冗余的方法,對(duì)視頻幀的一些原始?jí)K進(jìn)行空間預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼(可變長編碼)。(3)對(duì)連續(xù)幀的不同塊采用臨時(shí)存放的方法,這樣只需對(duì)連續(xù)幀中有改變的部分進(jìn)行編碼。該算法采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來完成,對(duì)某些特定的塊,對(duì)一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)進(jìn)行了編碼的幀執(zhí)行搜索,決定塊的運(yùn)動(dòng)向量,并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測(cè)主塊。(4)采用剩余空間冗余技術(shù),對(duì)視頻幀里的殘留塊進(jìn)行編碼。例如,對(duì)于源塊和相應(yīng)預(yù)測(cè)塊的不同,再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。 H.264的應(yīng)用目標(biāo)廣泛,可滿足各種不同速率、不同場(chǎng)合的視頻應(yīng)用,具有較好的抗誤碼和抗丟包的處理能力。3視頻編解碼在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 城市軌道交通視頻監(jiān)控一般分為兩級(jí)監(jiān)控:在地鐵站端要求監(jiān)視所有本站圖像,另外在監(jiān)控中心要求可以監(jiān)視下屬各地鐵站的情況。考慮到資金投入的問題,在中心端,一般不要求同時(shí)看到所有地鐵站的所有圖像,而是采取兩種方式監(jiān)視:一是同時(shí)監(jiān)視各地鐵站的某幾路圖像,二是要求可同時(shí)看到某一個(gè)地鐵站的所有圖像或大部分圖像。需要從各地鐵站向監(jiān)控中心傳輸視頻數(shù)據(jù)。 在各車站,各電視監(jiān)控?cái)z像機(jī)視頻信號(hào)通過同軸電纜將圖像上傳至本站控制室,控制信號(hào)通過雙絞線實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的控制。視頻圖像經(jīng)過視頻分配器、視頻控制矩陣,傳送至車站控制室的監(jiān)視器(本地監(jiān)控用)和地鐵通信統(tǒng)一傳輸平臺(tái),然后傳送至控制中心(控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控);在控制中心和各車站均需設(shè)置視頻編解碼設(shè)備;利用軌道交通通信的傳輸平臺(tái),視頻圖像經(jīng)過編解碼設(shè)備,將模擬視音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸。結(jié)合H.264的技術(shù)優(yōu)勢(shì),視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有以下幾個(gè)方面應(yīng)用。1)壓縮率和圖像質(zhì)量 城市軌道交通中的視頻監(jiān)控在傳輸系統(tǒng)中,為能和公務(wù)電話、調(diào)度電話、低速數(shù)據(jù)、IP數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)共同占用傳輸帶寬,在保證視頻圖像的質(zhì)量下,傳輸視頻所占用的帶寬需要盡可能少,要求視頻編解碼高效、壓縮率高。 H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖像(DVD質(zhì)量)。在同等的畫質(zhì)下,H.264比上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG2平均節(jié)約64%的傳輸碼流,比MPEG4ASP要平均節(jié)約39%的傳輸碼流。這是全球數(shù)百名優(yōu)秀專家6年多的工作成果,也是自MPEG2以來視頻編碼技術(shù)又一次真正革命性的突破。 對(duì)傳統(tǒng)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、變換編碼和熵編碼等算法的改進(jìn),使H.264的編碼效率和圖像質(zhì)量在以往標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。2)抗丟包和抗誤碼 視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求穩(wěn)定的圖像質(zhì)量,對(duì)丟包和誤碼嚴(yán)重的情況下需要具備一定的抗干擾能力。 H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生丟包等錯(cuò)誤的必要工具。參數(shù)集、片的使用、靈活的宏塊次序(FMO)、冗余片等關(guān)鍵技術(shù)的使用,可以大大提高系統(tǒng)的抗丟包和抗誤碼性能。3)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性 為適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合,H.264定義了視頻編碼層(VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(NAL)。其中,VCL功能是進(jìn)行視頻編解碼,包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè),變換編碼和熵編碼等功能;NAL用于采用適當(dāng)?shù)母袷綄?duì)VCL視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包,使H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸,適應(yīng)性強(qiáng)。4)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化 H.264是ITU、MPEG、DVD、DVB、3GPP等工業(yè)化組織共同推進(jìn)的下一代視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn),ITU在電信領(lǐng)域,MPEG和DVD組織在家用數(shù)字AV產(chǎn)品領(lǐng)域(如DVD、VCD),DVB組織在數(shù)字電視領(lǐng)域(DTV、HDTV),3GPP在下一代移動(dòng)通信領(lǐng)域都有著不可撼動(dòng)的地位,這些組織均得到國際工業(yè)界數(shù)百家大公司的支持。因此,在這些行業(yè)巨擘的推動(dòng)下,H.264技術(shù)的應(yīng)用將迅速進(jìn)入視頻服務(wù)、媒體制作發(fā)行、固定及移動(dòng)運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)開發(fā)、設(shè)備終端制造、芯片開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域。4結(jié)語 作為一種新的國際標(biāo)準(zhǔn),H.264標(biāo)志著在視頻編碼技術(shù)上的不斷進(jìn)步,它在編碼效率、圖像質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)親和性和抗誤碼方面都取得了成功;H.264大大降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬需要,同時(shí)其自適應(yīng)傳輸能力大大提高了系統(tǒng)抗抖動(dòng)性能,將顯著提高畫面質(zhì)量,更好地滿足軌道交通中視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需要的視頻服務(wù)。參考文獻(xiàn)[1]ITUTH.241.ExtendedvideoproceduresandcontrolsignalsforH.300seriesterminal[S].2003.[2]WiegandT,SullivanGJ,etal.OverviewoftheH.264/AVCvideocodingstandard[J].IEEETrans,CircuITS,SystVideoTechnol,2003,13(7).[3]JerryGD.多媒體數(shù)字壓縮原理與標(biāo)準(zhǔn)[M].李煜暉,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2000:228230[4]張麗.流媒體技術(shù)大全[M].北京:中國青年出版社,2001[5]BaldiM,OfekY.Endtoenddelayanalysisofvideoconferencingoverpacket-switchednetworks[J].IEEE/ACMTransactionsonNetworking(TON),2000,8(4):479492.[6]運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音通用編碼國際標(biāo)準(zhǔn)———MPEG2[S].鐘玉琢,等譯.北京:清華大學(xué)出版社,1997.