視頻監(jiān)控歷史上，曾先后有多種視頻壓縮標準。而H.264作為目前較為先進的壓縮標準，已受到不少廠家的追捧。本文就其的相關技術進行探討，以饗讀者。

視頻壓縮標準和演進歷史
    在視頻監(jiān)控歷史上，曾先后有多種視頻壓縮標準。如圖1所示，由國際電信聯(lián)盟ITU定義的專用于低比特率視頻電話的標準，包括H.261/2/3；由國際標準化組織ISO針對消費類應用的，對運動圖像壓縮定義了MPEG標準，包括MPEG1/2/4；由ITU與ISO根據(jù)目標應用合作（聯(lián)合視頻小組JVT）定義了H.264編解碼技術，有些標準至今仍并存著。圖1簡要說明了視頻編解碼標準的發(fā)展歷程。

    MPEG1和MPEG2是早期使用比較多的標準，現(xiàn)在已基本退出舞臺。目前主要在應用中的是M-JPEG，MPEG4及H.264三種，我們通過以下幾點對這些標準進行比較。由于MPEG1和MPEG2標準已淡出，在此就不做太多分析。

·實現(xiàn)成本：包括算法實現(xiàn)的復雜度和資源占有程度，技術獲取的難度和代價，以及其最終體現(xiàn)在產(chǎn)品中的成本高低；
·編碼性能：主要體現(xiàn)在同等主、客觀視覺質(zhì)量情況下，壓縮后所得到的碼流大小，這對于網(wǎng)絡傳輸和存儲都非常關鍵；
·網(wǎng)絡支持：對網(wǎng)絡支持的好壞主要取決于對網(wǎng)絡丟包和出錯的容錯能力與支持網(wǎng)絡的自適應能力；
·應用支持范圍：由于視頻監(jiān)控領域的應用需求千變?nèi)f化，一個平臺對不同需求的支持能力也非常重要；
·未來潛力：以發(fā)展的眼光來看，一個標準的潛力大小體現(xiàn)在未來被行業(yè)接受的廣泛程度，在相關應用上轉(zhuǎn)化的平滑程度，和對互聯(lián)互通的支持程度等方面。

    M-JPEG在實現(xiàn)成本上來說可能是最低。實際上現(xiàn)在有很多視頻前端采集芯片都已集成M-JPEG，可直接輸出M-JPEG的編碼碼流，這也是為什么M-JPEG在很多低端產(chǎn)品中仍有應用的主要原因。同時M-JPEG各幀編碼是相互獨立的，有利于視頻編輯等方面的應用，受網(wǎng)絡應用中的丟包問題影響較小，但因其遠大于其他標準的碼流嚴重影響了它提供高質(zhì)量網(wǎng)絡視頻的能力。在其他三個方面，M-JPEG和MPEG4、H.264相比處于明顯劣勢。隨著視頻監(jiān)控市場對視頻壓縮要求的整體提高和MPEG4、H.264實現(xiàn)成本的持續(xù)下降，M-JPEG的市場分額在未來可能會繼續(xù)降低。[nextpage]

    MPEG4的實現(xiàn)成本隨著方案的成熟這幾年來已經(jīng)下降很多，方案選擇余地也相應擴大，從DSP到ASIC均有提供。但在編碼性能上較H.264仍有較大差距。MPEG4在制定時對網(wǎng)絡環(huán)境的支持考慮略顯不足，而視頻監(jiān)控領域中網(wǎng)絡化時代的到來使得用戶對網(wǎng)絡支持方面的考慮越來越多，MPEG4的編碼效率在一定程度上制約了其對廣闊應用環(huán)境的支持能力。歸根結底，MPEG4從制定之初就決定了其作為過渡性標準的命運，標準委員會之所以要在短時間內(nèi)再重新制定H.264標準就是為了要代替它。

    H.264標準從實現(xiàn)成本上來看，目前應該是所有標準中最高的，這和它制定出來時間最晚也有一定的關系，當然其運算復雜度確實要遠高于其他標準。但隨著H.264在視頻監(jiān)控領域應用的越來越廣泛，可看到其實現(xiàn)成本也在不斷下降。從編碼性能上看，H.264要遠優(yōu)于MPEG4，平均節(jié)約39％的傳輸碼流，這可以極大地提高存儲設備的效率和網(wǎng)絡的利用率。卓越的編碼性能決定了H.264有能力支持更加廣泛和多變的應用環(huán)境，包括對網(wǎng)絡環(huán)境自適應的能力。從網(wǎng)絡支持的角度來看，無論是有線還是無線，網(wǎng)絡應用是H.264制定時所針對的一個重要方向之一，其碼流的語法定義和不同的編碼選項有利于H.264獲得不錯的容錯能力。從全球視頻應用市場來看，H.264在諸如電視、3G等領域都已成為主流標準，在視頻監(jiān)控領域也迅速成長為主流標準之一，其取代MEPG4的趨勢清晰可見。而隨著大規(guī)模視頻監(jiān)控網(wǎng)絡的建設和互聯(lián)互通要求的增強，在全球范圍內(nèi)H.264必將成為必須要支持的主流視頻標準。

    表1通過對每個視頻標準進行逐項特性打分的方法來給出一個比較直觀的比較結果（打分采用5分制方法，0分為最差，5分為最高）。

H.264標準應用分析
    在視頻監(jiān)控產(chǎn)品中，編碼器始終是方案的重點，一個合適的編碼器方案往往能夠決定一個產(chǎn)品的成敗。H.264編碼方案正在成為市場的主流，其以卓越的編碼性能和良好的網(wǎng)絡適應性得到了市場的廣泛認同。它不僅可以支持寬廣的應用環(huán)境，還可滿足不同分辨率、不同碼率以及不同傳輸和存儲環(huán)境的需求。采用何種實現(xiàn)方式才能既充分發(fā)揮H.264標準本身的優(yōu)點，又能充分滿足未來一段時間視頻監(jiān)控行業(yè)的要求呢？

    視頻監(jiān)控經(jīng)過十幾年的不斷進步，到目前已完成從模擬存貯到數(shù)字存貯的升級換代，PC式DVR和嵌入式DVR都得到了廣泛的應用，且隨著網(wǎng)絡的普及和帶寬的不斷改善，視頻監(jiān)控的數(shù)字化及網(wǎng)絡化正獲得越來越多的重視并很有可能在不久的將來成為視頻監(jiān)控的主流應用。另一方面，自9·11以來全球范圍對社會公共安全關注度的顯著提高，視頻監(jiān)控的規(guī)模已和上個世紀不可同日而語。僅以中國為例，得益于政府“3111”工程在全國范圍內(nèi)的廣泛開展，而視頻監(jiān)控規(guī)模與層次的不斷提高也促使其遠遠超越了初期的監(jiān)視、存儲和回放等基本功能，越來越多的視頻智能分析功能被加入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。為了滿足現(xiàn)代視頻監(jiān)控應用的要求，消費者期望可以通過網(wǎng)絡以更靈活的方式從更大的范圍中獲得含有更多信息量的視頻信息。[nextpage]

    新的視頻監(jiān)控要求對視頻編解碼技術提出了新的挑戰(zhàn)，其中視頻編碼模塊作為連接視頻前端和監(jiān)控系統(tǒng)間的極為重要的一環(huán)，如何創(chuàng)造性地將整個系統(tǒng)融合貫通，將對提升整個系統(tǒng)的有效性、功能性和產(chǎn)品性價比起到顯著的作用。我們認為參考視頻監(jiān)控行業(yè)的技術現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，對新一代的視頻編碼器會有如下要求：

·支持高分辨率：在未來幾年，D1（704×576）將成為必需滿足的需求，在某些應用中720P（1280×720）高清甚至也會成為必需。編碼器越能夠提供高的視頻質(zhì)量，越能夠為后端的智能分析提供好的支持；
·支持多通道：編碼器必須能夠靈活切換支持多個編碼通道，比如4個D1或16個CIF，并且最好能夠是單芯片方案；
·高編碼效率：編碼器最好能夠在1Mbps帶寬下提供較好的全實時D1編碼，H.264標準基本成為必選；
·高性價比：作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要模塊，編碼器的性能價格比在任何時候都是一個重要的因素；
·高穩(wěn)定性：在視頻監(jiān)控行業(yè)，產(chǎn)品高穩(wěn)定性始終都是不過分的基本要求；
·可編程性：只有具有良好的可編程性，視頻編碼器才能夠及時根據(jù)應用需求的改變以極小的代價迅速做出相應的調(diào)整；
·靈活性：未來對編碼器的評估將會越來越著眼于系統(tǒng)層面，編碼器能否靈活支持不同應用的系統(tǒng)架構會成為選擇系統(tǒng)產(chǎn)品平臺時的一個重要考量。比如在系統(tǒng)架構上需要做多大的改變才能使一個方案從支持一路視頻升級為支持四路視頻。

實現(xiàn)H.264編解碼方案平臺
    目前業(yè)界主要提供有三類實現(xiàn)方案平臺。

基于DSP方案
    目前的視頻監(jiān)控行業(yè)，基于DSP的H.264編碼器解決方案占有絕對優(yōu)勢的市場份額，這是由DSP方案開發(fā)周期相對較短的特性決定的。在ASIC或FPGA方案仍處于研發(fā)階段時，DSP方案已捷足先登，并較好地解決了視頻監(jiān)控行業(yè)中H.264編碼器方案從無到有的過程，為H.264在監(jiān)控應用中走向成熟立下了汗馬功勞。但是由于DSP運算能力本身的制約，考慮到H.264標準實現(xiàn)的高復雜度，要達到未來對編碼器高性價比的要求，DSP方案會非常困難。同時，雖然DSP方案具有非常好的可編程性能，但由于其硬件接口和架構均已固定，很難滿足產(chǎn)品架構靈活性的要求，也相對增加了靈活提供對多通道編碼支持的實現(xiàn)難度。

基于ASIC方案
    在目前階段基于ASIC的H.264編碼成熟方案在監(jiān)控領域的應用還相對較少，這和芯片設計研發(fā)周期較長，成本較高的特點緊密相關。ASIC方案的最大優(yōu)勢就是一旦量產(chǎn)后，成本和其他方案相比將非常低廉，同時由于是硬件編碼實現(xiàn)，通常可以較容易滿足行業(yè)對高編碼性能的要求。同時一款成熟的ASIC芯片和DSP實現(xiàn)方案相比通常具有更高的穩(wěn)定性。但其最大的缺陷是一旦定型后，所有的設計、實現(xiàn)方法、接口等均較難變更，基本上不可能滿足客戶在可編程性，架構靈活性等方面的需求，而其低成本的優(yōu)勢必須要在較高出貨量的基礎上才可能得到充分的體現(xiàn)。監(jiān)控市場相對多變的客戶需求則使得建立在ASIC平臺上的產(chǎn)品方案在未來有著更大的產(chǎn)品不確定性和市場風險。[nextpage]

基于FPGA方案
    FPGA作為一個可編程的硬件邏輯實現(xiàn)平臺很好地融合了DSP架構的可編程可升級性和ASIC架構的由硬件實現(xiàn)方式而帶來的高編碼性能。FGPA方案的靈活性不僅僅體現(xiàn)在具有和DSP平臺一樣的可編程性和可升級性，而且還體現(xiàn)在可以提供更高的系統(tǒng)架構上的靈活性。以Xilinx Spartan 3 系列芯片為例，首先提供了不同規(guī)格能力的芯片選擇，其次對于同一規(guī)格的芯片又提供了不同的封裝，以提供不同的管腳數(shù)目的選擇，同時，每一款FPGA芯片其管腳都可以根據(jù)用戶的要求重新定義功能，提供非常靈活的接口控制。通過和系統(tǒng)設計的有效配合，基于FPGA的方案有可能大幅降低產(chǎn)品的BOM成本。FPGA這種架構上的靈活性非常有利于采用同一個H.264編碼內(nèi)核靈活支持不同應用、不同規(guī)格的產(chǎn)品方向。同時架構上的靈活性使得設計者可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，開發(fā)出個性化風格的產(chǎn)品，這是基于DSP或ASIC的方案難以做到的。

    FPGA方案與前兩種方案相比，其結合DSP方案和ASIC方案的部分優(yōu)勢，彌補一些固有不足。如FGPA方案的可編程可升級性能大大降低了系統(tǒng)集成商在選用ASIC芯片方案時可能會遇到的一些后期風險，同時FPGA接近ASIC的強運算能力則有效彌補了DSP方案在編碼性能上的瓶頸。另一方面，F(xiàn)PGA類似于ASIC的實現(xiàn)方式也使得FPGA平臺有可能提供比DSP方案更高的產(chǎn)品穩(wěn)定性。

    FPGA方案從產(chǎn)品角度來考量的話，最主要的難度是如何既考慮到產(chǎn)品的成本需要，又考慮其性能需求，為市場提供高性價比的編碼解決方案。也就是說，開發(fā)者必須選擇一個低成本FPGA平臺，比如Xilinx的Spartan 3/3A系列，同時在其上完成滿足要求的高性能編碼。這是一個開發(fā)難度頗高的工作，在全球范圍內(nèi)也沒有幾家公司具有這樣的研發(fā)實力，這也是為什么目前市場上基于FPGA平臺的H.264編碼解決方案屈指可數(shù)的原因，但從FPGA的各種特性以及視頻監(jiān)控市場的需求特點來考慮，一旦其產(chǎn)品成本在市場上具有較好競爭力的話，F(xiàn)PGA方案應該是在上述三種方案中最符合未來編碼器需求和最適合系統(tǒng)廠商產(chǎn)品開發(fā)的方案。而隨著FPGA芯片提供商在消費電子領域內(nèi)的不斷努力，F(xiàn)PGA方案的產(chǎn)品成本正變得越來越具有競爭力。以DVMicro在Xilinx Spartan 3A DSP 3400 芯片上所開發(fā)的多路D1編碼方案為例，其每通道產(chǎn)品成本已低于目前的DSP方案，同時卻提供了比DSP方案明顯改善的視頻編碼性能。

    目前市場上針對以上三種產(chǎn)品平臺的都已有成熟的編碼器方案，其中基于DSP的主要是TI的DM642和DAVINCI媒體處理器，以及NXP的PNX15xx和PNX17xx?；贏SIC方案的相對較少，主要用的比較多的是海思的HI3510?；贔PGA的目前主要是XILINX SPARTAN 3A DSP 3400采用DVMICRO 硬件 IP 核提供的編碼器方案。

結語
    由于目前國內(nèi)有些廠家并不是采用真正的H.264編解碼標準，因此也遇到很多問題。如某些公司的硬件H.264編解碼技術采用符合國際標準組織的H.264 標準（baseline profile），其輸出是完全符合國際標準H.264 標準碼流，用戶在解碼端可以自由選擇任何H.264標準解碼設備，并和編碼設備形成一個開放系統(tǒng)。反之，如果編碼設備輸出的是自定義的，不符合H.264標準的碼流，用戶在解碼端就失去了自由選擇的權力，只能被迫綁定編碼設備商提供的解碼設備，這就形成一個封閉系統(tǒng)。[nextpage]

    相信符合H.264標準的開放系統(tǒng)會對用戶產(chǎn)生巨大的影響和豐厚的利益。舉例來說，有些監(jiān)控設備雖然對外宣傳是H.264技術（請注意，是H.264技術，但輸出并不完全符合H.264標準的碼流），但他們的碼流不能被標準的H.264解碼器解碼回放。

    H.264是先進的視頻處理技術，業(yè)內(nèi)人士公認，在同樣的視頻回放質(zhì)量條件下，H.264比MPEG4約節(jié)省近40%的傳輸帶寬或硬盤存儲空間，這無疑為遠程監(jiān)控的推廣應用起到很重要的作用。但H.264的編碼效率是以其遠較MPEG4復雜的運算量為代價的，其采用最先進的禎間預測模式，包括復雜的運動估計、1/2和1/4像素預測；遠較MPEG4先進的禎內(nèi)預測模式，包括多達13種禎內(nèi)預測模式；H.264引進全新的環(huán)路濾波（in-loop filtering）技術，對視頻回放質(zhì)量的大幅提高貢獻巨大。

    應用上述的新技術均需要大量的運算處理，對視頻編解碼處理平臺也提出了新的要求。對軟件形式的視頻編解碼器，如用DSP等通用處理器實現(xiàn)的編解碼器，因處理能力的限制，只能舍棄很多H.264的最先進技術（如禎內(nèi)，間編碼預測模式，環(huán)路濾波等），這樣的結果是其編碼效果回復到MPEG4的水平。更嚴重的是這樣的編碼器輸出的碼流不符合H.264標準，所有通用解碼器均不能與其配套組成開放的系統(tǒng)。選用非標準的編碼器，用戶只能限制選用與其配套的非標準解碼器，從而變成了一個封閉的系統(tǒng)。