H.264標準在軌道交通視頻監控系統中的應用摘 要 主要介紹H.264編碼標準的技術優勢,以及它在城市軌道交通視頻監控系統中的應用前景。H.264編碼標準通過將每個視頻幀分離成塊,剩余空間冗余,與其他現有的視頻編碼標準相比,在相同帶寬下提供更加良好的圖像質量。使用H.264標準,在同等圖像質量下的壓縮效率比以前的標準提高2倍以上,因此該標準被普遍認為是最有影響力的行業標準。關鍵詞 H.264標準 編碼壓縮 視頻監控系統 城市軌道交通1 H.264編碼概況 2003年5月,國際電聯(ITU)和MPEG標準組織ISO共同發布了H.264/MPEG4AVC視頻壓縮標準。在2004年,H.264作為技術標準,不僅應用在不同的行業中,而且涉及各個國家、各個組織。到2004年底,業內領先的一些大公司(如Cisco、Apple、Envivio、Tandberg、Polycom等)陸續發布了支持H.264編碼標準的媒體服務平臺及解決方案,而其他半導體公司(如Broadcom,Conexant,LSIlogic,STM)也陸續發布了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視頻壓縮標準發布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標準,其主要目標是:與其他現有的視頻編碼標準相比,在相同帶寬下提供更加優秀的圖像質量。通過標準,在同等圖像質量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上,因此被普遍認為是最有影響力的行業標準。2H.264編碼的技術優勢 H.264標準壓縮系統由視頻編碼層(VCL)和網絡提取層(NetworkAbstractionLayer,NAL)兩部分組成。VCL包括VCL編碼器與VCL解碼器,主要功能是視頻數據壓縮編碼和解碼,包括運動補償、變換編碼、熵編碼等壓縮單元;NAL則用于為VCL提供一個與網絡無關的統一接口,負責對視頻數據進行封裝打包后使其在網絡中傳送,采用統一的數據格式,包括單個字節的包頭信息、多個字節的視頻數據與組幀、邏輯信道信令、定時信息、序列結束信號等。包頭包含存儲標志和類型標志,其中存儲標志用于指示當前數據不屬于被參考的幀,類型標志用于指示圖像數據的類型。VCL可以傳輸按當前的網絡情況調整的編碼參數。 H.264和H.261、H.263一樣,采用了DCT變換編碼加DPCM的差分編碼,即混合編碼結構。同時,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,更貼近實際應用。H.264沒有煩瑣的選項,力求簡潔的“回歸基本”,它具有比H.263++更好的壓縮性能,又具有適應多種信道的能力。H.264與以前的國際標準(如H.263和MPEG4)相比,最大的優勢體現在以下四個方面:(1)將每個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到塊的級別。(2)采用空間冗余的方法,對視頻幀的一些原始塊進行空間預測、轉換、優化和熵編碼(可變長編碼)。(3)對連續幀的不同塊采用臨時存放的方法,這樣只需對連續幀中有改變的部分進行編碼。該算法采用運動預測和運動補償來完成,對某些特定的塊,對一個或多個已經進行了編碼的幀執行搜索,決定塊的運動向量,并由此在后面的編碼和解碼中預測主塊。(4)采用剩余空間冗余技術,對視頻幀里的殘留塊進行編碼。例如,對于源塊和相應預測塊的不同,再次采用轉換、優化和熵編碼。 H.264的應用目標廣泛,可滿足各種不同速率、不同場合的視頻應用,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控系統中的應用 城市軌道交通視頻監控一般分為兩級監控:在地鐵站端要求監視所有本站圖像,另外在監控中心要求可以監視下屬各地鐵站的情況。考慮到資金投入的問題,在中心端,一般不要求同時看到所有地鐵站的所有圖像,而是采取兩種方式監視:一是同時監視各地鐵站的某幾路圖像,二是要求可同時看到某一個地鐵站的所有圖像或大部分圖像。需要從各地鐵站向監控中心傳輸視頻數據。 在各車站,各電視監控攝像機視頻信號通過同軸電纜將圖像上傳至本站控制室,控制信號通過雙絞線實現對攝像機的控制。視頻圖像經過視頻分配器、視頻控制矩陣,傳送至車站控制室的監視器(本地監控用)和地鐵通信統一傳輸平臺,然后傳送至控制中心(控制中心遠程監控);在控制中心和各車站均需設置視頻編解碼設備;利用軌道交通通信的傳輸平臺,視頻圖像經過編解碼設備,將模擬視音頻信號轉換為數字信號傳輸。結合H.264的技術優勢,視頻編解碼標準在視頻監控系統中有以下幾個方面應用。1)壓縮率和圖像質量 城市軌道交通中的視頻監控在傳輸系統中,為能和公務電話、調度電話、低速數據、IP數據等業務共同占用傳輸帶寬,在保證視頻圖像的質量下,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、流暢的高質量圖像(DVD質量)。在同等的畫質下,H.264比上一代編碼標準MPEG2平均節約64%的傳輸碼流,比MPEG4ASP要平均節約39%的傳輸碼流。這是全球數百名優秀專家6年多的工作成果,也是自MPEG2以來視頻編碼技術又一次真正革命性的突破。 對傳統的幀內預測、幀間預測、變換編碼和熵編碼等算法的改進,使H.264的編碼效率和圖像質量在以往標準的基礎上進一步提高。2)抗丟包和抗誤碼 視頻監控系統要求穩定的圖像質量,對丟包和誤碼嚴重的情況下需要具備一定的抗干擾能力。 H.264提供了解決在不穩定網絡環境下容易發生丟包等錯誤的必要工具。參數集、片的使用、靈活的宏塊次序(FMO)、冗余片等關鍵技術的使用,可以大大提高系統的抗丟包和抗誤碼性能。3)網絡適應性 為適應各種網絡環境和應用場合,H.264定義了視頻編碼層(VCL)和網絡提取層(NAL)。其中,VCL功能是進行視頻編解碼,包括運動補償預測,變換編碼和熵編碼等功能;NAL用于采用適當的格式對VCL視頻數據進行封裝打包,使H.264的文件能容易地在不同網絡上傳輸,適應性強。4)市場標準化 H.264是ITU、MPEG、DVD、DVB、3GPP等工業化組織共同推進的下一代視頻編碼國際標準,ITU在電信領域,MPEG和DVD組織在家用數字AV產品領域(如DVD、VCD),DVB組織在數字電視領域(DTV、HDTV),3GPP在下一代移動通信領域都有著不可撼動的地位,這些組織均得到國際工業界數百家大公司的支持。因此,在這些行業巨擘的推動下,H.264技術的應用將迅速進入視頻服務、媒體制作發行、固定及移動運營網絡、平臺開發、設備終端制造、芯片開發等多個領域。4結語 作為一種新的國際標準,H.264標志著在視頻編碼技術上的不斷進步,它在編碼效率、圖像質量、網絡親和性和抗誤碼方面都取得了成功;H.264大大降低了網絡帶寬需要,同時其自適應傳輸能力大大提高了系統抗抖動性能,將顯著提高畫面質量,更好地滿足軌道交通中視頻監控系統所需要的視頻服務。參考文獻[1]ITUTH.241.ExtendedvideoproceduresandcontrolsignalsforH.300seriesterminal[S].2003.[2]WiegandT,SullivanGJ,etal.OverviewoftheH.264/AVCvideocodingstandard[J].IEEETrans,CircuITS,SystVideoTechnol,2003,13(7).[3]JerryGD.多媒體數字壓縮原理與標準[M].李煜暉,等譯.北京:電子工業出版社,2000:228230[4]張麗.流媒體技術大全[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]運動圖像及其伴音通用編碼國際標準———MPEG2[S].鐘玉琢,等譯.北京:清華大學出版社,1997.
