H.264标准在轨道交通视频监控系统中的应用

　　

摘　要　主要介绍H.264编码标准的技术优势,以及它在城市轨道交通视频监控系统中的应用前景。H.264编码标准通过将每个视频帧分离成块,剩余空间冗余,与其他现有的视频编码标准相比,在相同带宽下提供更加良好的图像质量。使用H.264标准,在同等图像质量下的压缩效率比以前的标准提高2倍以上,因此该标准被普遍认为是最有影响力的行业标准。

关键词　H.264标准　编码压缩　视频监控系统　城市轨道交通

1 H.264编码概况
2003年5月,国际电联(ITU)和MPEG标准组织ISO共同发布了H.264/MPEG4AVC视频压缩标准。在2004年,H.264作为技术标准,不仅应用在不同的行业中,而且涉及各个国家、各个组织。到2004年底,业内领先的一些大公司(如Cisco、Apple、Envivio、Tandberg、Polycom等)陆续发布了支持H.264编码标准的媒体服务平台及解决方案,而其他半导体公司(如Broadcom,Conexant,LSIlogic,STM)也陆续发布了H.264专用解码芯片的样片和最新成果。
H.264/MPEG4AVC(H.264)是1995年自MPEG2视频压缩标准发布以后的最新、最有前途的视频压缩标准,其主要目标是:与其他现有的视频编码标准相比,在相同带宽下提供更加优秀的图像质量。通过标准,在同等图像质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上,因此被普遍认为是最有影响力的行业标准。
2H.264编码的技术优势
H.264标准压缩系统由视频编码层(VCL)和网络提取层(NetworkAbstractionLayer,NAL)两部分组成。VCL包括VCL编码器与VCL解码器,主要功能是视频数据压缩编码和解码,包括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元;NAL则用于为VCL提供一个与网络无关的统一接口,负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送,采用统一的数据格式,包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头包含存储标志和类型标志,其中存储标志用于指示当前数据不属于被参考的帧,类型标志用于指示图像数据的类型。VCL可以传输按当前的网络情况调整的编码参数。
H.264和H.261、H.263一样,采用了DCT变换编码加DPCM的差分编码,即混合编码结构。同时,H.264在混合编码的框架下引入了新的编码方式,提高了编码效率,更贴近实际应用。H.264没有烦琐的选项,力求简洁的“回归基本”,它具有比H.263++更好的压缩性能,又具有适应多种信道的能力。
H.264与以前的国际标准(如H.263和MPEG4)相比,最大的优势体现在以下四个方面:
(1)将每个视频帧分离成由像素组成的块,因此视频帧的编码处理过程可以达到块的级别。
(2)采用空间冗余的方法,对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和熵编码(可变长编码)。
(3)对连续帧的不同块采用临时存放的方法,这样只需对连续帧中有改变的部分进行编码。该算法采用运动预测和运动补偿来完成,对某些特定的块,对一个或多个已经进行了编码的帧执行搜索,决定块的运动向量,并由此在后面的编码和解码中预测主块。
(4)采用剩余空间冗余技术,对视频帧里的残留块进行编码。例如,对于源块和相应预测块的不同,再次采用转换、优化和熵编码。
H.264的应用目标广泛,可满足各种不同速率、不同场合的视频应用,具有较好的抗误码和抗丢包的处理能力。
3 视频编解码在视频监控系统中的应用
城市轨道交通视频监控一般分为两级监控:在地铁站端要求监视所有本站图像,另外在监控中心要求可以监视下属各地铁站的情况。考虑到资金投入的问题,在中心端,一般不要求同时看到所有地铁站的所有图像,而是采取两种方式监视:一是同时监视各地铁站的某几路图像,二是要求可同时看到某一个地铁站的所有图像或大部分图像。需要从各地铁站向监控中心传输视频数据。
在各车站,各电视监控摄像机视频信号通过同轴电缆将图像上传至本站控制室,控制信号通过双绞线实现对摄像机的控制。视频图像经过视频分配器、视频控制矩阵,传送至车站控制室的监视器(本地监控用)和地铁通信统一传输平台,然后传送至控制中心(控制中心远程监控);在控制中心和各车站均需设置视频编解码设备;利用轨道交通通信的传输平台,视频图像经过编解码设备,将模拟视音频信号转换为数字信号传输。
结合H.264的技术优势,视频编解码标准在视频监控系统中有以下几个方面应用。

1) 压缩率和图像质量
城市轨道交通中的视频监控在传输系统中,为能和公务电话、调度电话、低速数据、IP数据等业务共同占用传输带宽,在保证视频图像的质量下,传输视频所占用的带宽需要尽可能少,要求视频编解码高效、压缩率高。
H.264能提供连续、流畅的高质量图像(DVD质量)。在同等的画质下,H.264比上一代编码标准MPEG2平均节约64%的传输码流,比MPEG4ASP要平均节约39%的传输码流。这是全球数百名优秀专家6年多的工作成果,也是自MPEG2以来视频编码技术又一次真正革命性的突破。
对传统的帧内预测、帧间预测、变换编码和熵编码等算法的改进,使H.264的编码效率和图像质量在以往标准的基础上进一步提高。
2) 抗丢包和抗误码
视频监控系统要求稳定的图像质量,对丢包和误码严重的情况下需要具备一定的抗干扰能力。
H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生丢包等错误的必要工具。参数集、片的使用、灵活的宏块次序(FMO)、冗余片等关键技术的使用,可以大大提高系统的抗丢包和抗误码性能。
3)网络适应性
为适应各种网络环境和应用场合,H.264定义了视频编码层(VCL)和网络提取层(NAL)。其中,VCL功能是进行视频编解码,包括运动补偿预测,变换编码和熵编码等功能;NAL用于采用适当的格式对VCL视频数据进行封装打包,使H.264的文件能容易地在不同网络上传输,适应性强。
4) 市场标准化
H.264是ITU、MPEG、DVD、DVB、3GPP等工业化组织共同推进的下一代视频编码国际标准,ITU在电信领域,MPEG和DVD组织在家用数字AV产品领域(如DVD、VCD),DVB组织在数字电视领域(DTV、HDTV),3GPP在下一代移动通信领域都有着不可撼动的地位,这些组织均得到国际工业界数百家大公司的支持。因此,在这些行业巨擘的推动下,H.264技术的应用将迅速进入视频服务、媒体制作发行、固定及移动运营网络、平台开发、设备终端制造、芯片开发等多个领域。
4 结语
作为一种新的国际标准,H.264标志着在视频编码技术上的不断进步,它在编码效率、图像质量、网络亲和性和抗误码方面都取得了成功;H.264大大降低了网络带宽需要,同时其自适应传输能力大大提高了系统抗抖动性能,将显著提高画面质量,更好地满足轨道交通中视频监控系统所需要的视频服务。

参考文献
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