【安防知識(shí)網(wǎng)導(dǎo)讀】淺談數(shù)字視頻的編解碼技術(shù)(上)

　　視頻編碼器(視頻服務(wù)器)

　　在以往的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控前端是模擬攝像機(jī)，圖像傳輸需通過(guò)同軸電纜，在數(shù)字視頻監(jiān)控中，監(jiān)控前端輸出的視頻信號(hào)直接是經(jīng)過(guò)壓縮算法計(jì)算后的適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字視頻流，可經(jīng)過(guò)有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸?？梢哉f(shuō)，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)就是將模擬攝像機(jī)和數(shù)字編碼器結(jié)合的產(chǎn)物，其內(nèi)部除了傳統(tǒng)的模擬圖像采集部件外還集成了內(nèi)置數(shù)字視頻壓縮算法的處理芯片以及用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南嚓P(guān)模塊，數(shù)字監(jiān)控前端將不再輸出模擬視頻信號(hào)，而只有一個(gè)網(wǎng)口用于傳輸數(shù)字視頻。這種監(jiān)控前端被叫做純數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，那么如果原來(lái)已經(jīng)存在模擬攝像機(jī)，怎么把系統(tǒng)改造為數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)呢?這時(shí)就必須采用數(shù)字視頻編碼器，簡(jiǎn)單地說(shuō)，一個(gè)模擬攝像機(jī)加一個(gè)數(shù)字視頻編碼器就等于一個(gè)純數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，如圖7。

　　編碼器的核心部分就是壓縮算法芯片，此芯片內(nèi)將根據(jù)上述各種既定算法對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)字視頻流進(jìn)行壓縮計(jì)算，然后輸出到網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳送到網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于開發(fā)實(shí)力不強(qiáng)的廠家來(lái)說(shuō)，他們通常采購(gòu)已經(jīng)內(nèi)置了固定算法的處理芯片(ASIC)來(lái)生產(chǎn)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，這種芯片在市場(chǎng)上可以購(gòu)買得到，內(nèi)置的算法是現(xiàn)成的，廠家不需要做二次開發(fā)直接使用即可，但這種方式的弊端是算法相對(duì)固定，且被固化在芯片中，廠家即使發(fā)現(xiàn)算法不合理，也不能對(duì)其進(jìn)行改善，這些算法通常是較為通用的壓縮算法，芯片的制造商認(rèn)為其內(nèi)置的壓縮算法可以滿足市場(chǎng)上一般的應(yīng)用。對(duì)于具有較強(qiáng)開發(fā)實(shí)力的廠家來(lái)說(shuō)，他們的做法通常是購(gòu)買通用的高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)，而根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際或者根據(jù)長(zhǎng)期的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)把自己認(rèn)為較好的壓縮算法寫入這些空白芯片。這樣做的好處是顯而易見的，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)廠商可以根據(jù)市場(chǎng)的要求或者自己對(duì)技術(shù)的理解開發(fā)自己的視頻壓縮算法，但是這對(duì)廠家的開發(fā)實(shí)力提出了較高的要求。值得說(shuō)明的是，即使對(duì)于同一種壓縮算法，如果要完全按照算法的標(biāo)準(zhǔn)定義去做開發(fā)，難度是巨大的，且算法本身的復(fù)雜程度也超出預(yù)料，將會(huì)造成較大的延時(shí)，同時(shí)對(duì)設(shè)備性能要求極高。正因如此，各個(gè)廠家也會(huì)根據(jù)實(shí)際需要選擇此標(biāo)準(zhǔn)算法下部分算法集做開發(fā)以降低開發(fā)難度和算法的復(fù)雜程度。

　　由于上述現(xiàn)狀的存在，導(dǎo)致了目前數(shù)字監(jiān)控領(lǐng)域的一個(gè)極大的不便，就是編解碼算法嚴(yán)重不統(tǒng)一，各家的算法千差萬(wàn)別，導(dǎo)致不同廠家的編解碼器不能混用。眾所周知，純數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的核心是一套數(shù)字監(jiān)控管理軟件，如果要在PC上觀看視頻，軟件必須取得監(jiān)控前端的視頻SDK開發(fā)包才行，所以目前數(shù)字系統(tǒng)的管理軟件多由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)制造廠商自己提供。這里會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，這些廠商長(zhǎng)擅長(zhǎng)于硬件制造，其提供的管理軟件往往在功能上較為簡(jiǎn)單，無(wú)法完全滿足用戶的要求。而市場(chǎng)上也有專門做數(shù)字視頻監(jiān)控管理軟件的廠家，他們善于軟件開發(fā)且往往具有多年的軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，他們的軟件功能完善，能較好地滿足用戶的要求，但是他們往往不生產(chǎn)監(jiān)控前端。于是，每一次數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施中，要么就是用戶對(duì)管理軟件不滿意，要么就是專業(yè)軟件廠商用硬件設(shè)備的SDK開發(fā)包做二次開發(fā)，如果前端使用的設(shè)備不同，那么軟件廠家就要獲得各家的硬件開發(fā)包才行，這點(diǎn)在技術(shù)上沒有難度，但是卻增加了開發(fā)的成本和周期。前端設(shè)備壓縮算法的不統(tǒng)一也是數(shù)字系統(tǒng)沒有達(dá)到原來(lái)傳統(tǒng)模擬監(jiān)控所達(dá)到的開放性的原因之一，在模擬系統(tǒng)中，增加一個(gè)前端點(diǎn)，無(wú)論是哪家的模擬攝像機(jī)都可以順利接入，但是在數(shù)字系統(tǒng)中，如果新接入的不同廠家數(shù)字前端無(wú)法直接在PC或者解碼器上解碼輸出，無(wú)形中，這將限制業(yè)主選擇不同的設(shè)備，不利于增強(qiáng)系統(tǒng)可延續(xù)性，也不便于未來(lái)的系統(tǒng)擴(kuò)容和維護(hù)。

　　現(xiàn)階段數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的瓶頸在此，這是技術(shù)轉(zhuǎn)型期必然出現(xiàn)的問(wèn)題，隨著技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)的規(guī)范，數(shù)字編解碼算法必然趨于統(tǒng)一。[nextpage]

　　軟解碼和硬解碼

　　解碼是編碼的逆過(guò)程。模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成的數(shù)字視頻經(jīng)過(guò)特定算法壓縮后將生成壓縮數(shù)字視頻，這樣的視頻不經(jīng)過(guò)解碼計(jì)算是無(wú)法還原成可見視頻的。這里就牽扯到如何解碼的問(wèn)題。從原理上說(shuō)，解碼的過(guò)程是編碼的逆過(guò)程，解碼設(shè)備把壓縮過(guò)的視頻經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的解碼算法以及數(shù)模轉(zhuǎn)換后還原為原始視頻，在PC上或者經(jīng)過(guò)解碼器輸出。具體來(lái)說(shuō)，如果圖像要在PC機(jī)上瀏覽，那么數(shù)字監(jiān)控軟件里一定有解碼算法，解碼的工作將交給計(jì)算機(jī)的CPU完成。由于CPU還要完成別的工作，解碼的工作只是占用計(jì)算機(jī)CPU的部分資源，換言之，這種類型的解碼是一種特殊的應(yīng)用程序，和大多數(shù)運(yùn)行于PC機(jī)操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序一樣，都由計(jì)算機(jī)的CPU完成。如果一臺(tái)客戶端要同時(shí)瀏覽多路視頻，我們就能明顯感覺到延時(shí)性增加，同時(shí)CPU的占有率直線上升，每解一路視頻都要耗費(fèi)PC機(jī)CPU的資源，所以對(duì)于那些要同時(shí)瀏覽多路高分辨率的數(shù)字系統(tǒng)客戶端來(lái)說(shuō)，PC的配置性能要求會(huì)較高。這種方式就是軟解碼。而硬解碼則有所不同，和編碼設(shè)備一樣，廠商通常采購(gòu)相應(yīng)的DSP芯片，把相關(guān)解碼算法寫入這些芯片，這些固化了解碼算法的芯片只用來(lái)進(jìn)行視頻的解碼而不做別的用途，廠家可以利用這些芯片做成特定的硬件設(shè)備，也可以做成板卡插入PC機(jī)箱內(nèi)，但是這種做法不再占用PC的CPU資源，完全由本身的解碼芯片完成視頻解碼。

　　由于這些芯片在處理能力和結(jié)構(gòu)合理性上遠(yuǎn)不能和PC機(jī)的CPU芯片相比，所以，這種硬解碼設(shè)備的發(fā)熱量將會(huì)很大，同時(shí)穩(wěn)定性不如PC的CPU芯片，但是好在設(shè)備專用且成本較低。所有硬件形式的視頻解碼器或者解碼卡都采用硬解碼的方式。

　　其實(shí)視頻的編碼壓縮也有硬壓縮和軟壓縮之分，道理和解碼類似。當(dāng)然，解碼設(shè)備的算法必須和編碼器匹配才能保證視頻的重現(xiàn)。

　　數(shù)字視頻的延時(shí)性

　　數(shù)字視頻存在延時(shí)性，在目前的條件下，這種延時(shí)性可以明顯地感覺到。從上述內(nèi)容中可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字視頻的延時(shí)產(chǎn)生于如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：PCM模數(shù)轉(zhuǎn)換、壓縮編碼、傳輸、解碼和顯示。

　　在這幾個(gè)環(huán)節(jié)中，模數(shù)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的延時(shí)幾乎無(wú)法察覺，最明顯的例子就是數(shù)字視頻光端機(jī)。眾所周知，數(shù)字視頻光端機(jī)同樣存在PCM數(shù)字化的環(huán)節(jié)，但是經(jīng)過(guò)數(shù)字視頻光端機(jī)傳輸?shù)囊曨l完全感覺不到延時(shí)，這是因?yàn)椋瑪?shù)字視頻光端機(jī)的數(shù)字化過(guò)程中只有PCM模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)而不包括編解碼過(guò)程，所以，模擬視頻的模數(shù)變換產(chǎn)生的延時(shí)可以忽略不計(jì)。順便說(shuō)一句，單路數(shù)字光端機(jī)通常用150M的光模塊，這是因?yàn)椋瑔温芬曨l數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量大概是120M左右，這個(gè)規(guī)格的光模塊剛好滿足要求。對(duì)于大路數(shù)的光端機(jī)，光模塊通常會(huì)采用2.5G的了。同樣，顯示的延時(shí)也是可以忽略不計(jì)的。

　　在方案設(shè)計(jì)時(shí)，就會(huì)充分保證網(wǎng)絡(luò)帶寬，所以傳輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的延時(shí)也可忽略。

　　如此說(shuō)來(lái)，視頻產(chǎn)生延時(shí)的環(huán)節(jié)主要是編解碼的過(guò)程，且這期間延時(shí)的長(zhǎng)短和算法的復(fù)雜程度有關(guān)。算法越復(fù)雜，延時(shí)性越長(zhǎng)，如果設(shè)備的性能不高，將會(huì)加大視頻的延時(shí)。目前主流的H.264壓縮算法可以在保證視頻質(zhì)量?jī)?yōu)秀的情況下盡量減少帶寬，但是如前所述，這樣的優(yōu)點(diǎn)是以算法的復(fù)雜程度為代價(jià)的，要想盡量縮短延時(shí)，必須提高編解碼設(shè)備的性能。

　　事實(shí)上，真正的視頻編解碼技術(shù)遠(yuǎn)比以上描述的復(fù)雜，以上只是簡(jiǎn)要敘述了與數(shù)字視頻編解碼技術(shù)相關(guān)的一些概念，希望能對(duì)讀者更好地理解數(shù)字視頻編解碼技術(shù)提供一些幫助。