【安防知識(shí)網(wǎng)】視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)和演進(jìn)歷史

　　在視頻監(jiān)控歷史上，曾先后有多種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU定義的專(zhuān)用于低比特率視頻電話的標(biāo)準(zhǔn)，包括H.261/2/3;由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO針對(duì)消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像壓縮定義了MPEG標(biāo)準(zhǔn)，包括MPEG1/2/4;由ITU與ISO根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用合作(聯(lián)合視頻小組JVT)定義了H.264編解碼技術(shù)，有些標(biāo)準(zhǔn)至今仍并存著。圖1簡(jiǎn)要說(shuō)明了視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程。

　　MPEG1和MPEG2是早期使用比較多的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已基本退出舞臺(tái)。目前主要在應(yīng)用中的是M-JPEG，MPEG4及H.264三種，我們通過(guò)以下幾點(diǎn)對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。由于MPEG1和MPEG2標(biāo)準(zhǔn)已淡出，在此就不做太多分析。

　　·實(shí)現(xiàn)成本：包括算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和資源占有程度，技術(shù)獲取的難度和代價(jià)，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(jué)質(zhì)量情況下，壓縮后所得到的碼流大小，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲(chǔ)都非常關(guān)鍵;

　　·網(wǎng)絡(luò)支持：對(duì)網(wǎng)絡(luò)支持的好壞主要取決于對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包和出錯(cuò)的容錯(cuò)能力與支持網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力;

　　·應(yīng)用支持范圍：由于視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用需求千變?nèi)f化，一個(gè)平臺(tái)對(duì)不同需求的支持能力也非常重要;

　　·未來(lái)潛力：以發(fā)展的眼光來(lái)看，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的潛力大小體現(xiàn)在未來(lái)被行業(yè)接受的廣泛程度，在相關(guān)應(yīng)用上轉(zhuǎn)化的平滑程度，和對(duì)互聯(lián)互通的支持程度等方面。

　　M-JPEG在實(shí)現(xiàn)成本上來(lái)說(shuō)可能是最低。實(shí)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(yīng)用的主要原因。同時(shí)M-JPEG各幀編碼是相互獨(dú)立的，有利于視頻編輯等方面的應(yīng)用，受網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的丟包問(wèn)題影響較小，但因其遠(yuǎn)大于其他標(biāo)準(zhǔn)的碼流嚴(yán)重影響了它提供高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)視頻的能力。在其他三個(gè)方面，M-JPEG和MPEG4、H.264相比處于明顯劣勢(shì)。隨著視頻監(jiān)控市場(chǎng)對(duì)視頻壓縮要求的整體提高和MPEG4、H.264實(shí)現(xiàn)成本的持續(xù)下降，M-JPEG的市場(chǎng)分額在未來(lái)可能會(huì)繼續(xù)降低。

　　MPEG4的實(shí)現(xiàn)成本隨著方案的成熟這幾年來(lái)已經(jīng)下降很多，方案選擇余地也相應(yīng)擴(kuò)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(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支持考慮略顯不足，而視頻監(jiān)控領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來(lái)使得用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)支持方面的考慮越來(lái)越多，MPEG4的編碼效率在一定程度上制約了其對(duì)廣闊應(yīng)用環(huán)境的支持能力。歸根結(jié)底，MPEG4從制定之初就決定了其作為過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn)的命運(yùn)，標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)之所以要在短時(shí)間內(nèi)再重新制定H.264標(biāo)準(zhǔn)就是為了要代替它。

　　H.264標(biāo)準(zhǔn)從實(shí)現(xiàn)成本上來(lái)看，目前應(yīng)該是所有標(biāo)準(zhǔn)中最高的，這和它制定出來(lái)時(shí)間最晚也有一定的關(guān)系，當(dāng)然其運(yùn)算復(fù)雜度確實(shí)要遠(yuǎn)高于其他標(biāo)準(zhǔn)。但隨著H.264在視頻監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，可看到其實(shí)現(xiàn)成本也在不斷下降。從編碼性能上看，H.264要遠(yuǎn)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(chǔ)設(shè)備的效率和網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用環(huán)境，包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自適應(yīng)的能力。從網(wǎng)絡(luò)支持的角度來(lái)看，無(wú)論是有線還是無(wú)線，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是H.264制定時(shí)所針對(duì)的一個(gè)重要方向之一，其碼流的語(yǔ)法定義和不同的編碼選項(xiàng)有利于H.264獲得不錯(cuò)的容錯(cuò)能力。從全球視頻應(yīng)用市場(chǎng)來(lái)看，H.264在諸如電視、3G等領(lǐng)域都已成為主流標(biāo)準(zhǔn)，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域也迅速成長(zhǎng)為主流標(biāo)準(zhǔn)之一，其取代MEPG4的趨勢(shì)清晰可見(jiàn)。而隨著大規(guī)模視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和互聯(lián)互通要求的增強(qiáng)，在全球范圍內(nèi)H.264必將成為必須要支持的主流視頻標(biāo)準(zhǔn)。

　　表1通過(guò)對(duì)每個(gè)視頻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐項(xiàng)特性打分的方法來(lái)給出一個(gè)比較直觀的比較結(jié)果(打分采用5分制方法，0分為最差，5分為最高)。

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　　在視頻監(jiān)控產(chǎn)品中，編碼器始終是方案的重點(diǎn)，一個(gè)合適的編碼器方案往往能夠決定一個(gè)產(chǎn)品的成敗。H.264編碼方案正在成為市場(chǎng)的主流，其以卓越的編碼性能和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)同。它不僅可以支持寬廣的應(yīng)用環(huán)境，還可滿(mǎn)足不同分辨率、不同碼率以及不同傳輸和存儲(chǔ)環(huán)境的需求。采用何種實(shí)現(xiàn)方式才能既充分發(fā)揮H.264標(biāo)準(zhǔn)本身的優(yōu)點(diǎn)，又能充分滿(mǎn)足未來(lái)一段時(shí)間視頻監(jiān)控行業(yè)的要求呢?

　　視頻監(jiān)控經(jīng)過(guò)十幾年的不斷進(jìn)步，到目前已完成從模擬存貯到數(shù)字存貯的升級(jí)換代，PC式DVR和嵌入式DVR都得到了廣泛的應(yīng)用，且隨著網(wǎng)絡(luò)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(luò)化正獲得越來(lái)越多的重視并很有可能在不久的將來(lái)成為視頻監(jiān)控的主流應(yīng)用。另一方面，自9·11以來(lái)全球范圍對(duì)社會(huì)公共安全關(guān)注度的顯著提高，視頻監(jiān)控的規(guī)模已和上個(gè)世紀(jì)不可同日而語(yǔ)。僅以中國(guó)為例，得益于政府“3111”工程在全國(guó)范圍內(nèi)的廣泛開(kāi)展，而視頻監(jiān)控規(guī)模與層次的不斷提高也促使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了初期的監(jiān)視、存儲(chǔ)和回放等基本功能，越來(lái)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(mǎn)足現(xiàn)代視頻監(jiān)控應(yīng)用的要求，消費(fèi)者期望可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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。

　　新的視頻監(jiān)控要求對(duì)視頻編解碼技術(shù)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(gè)系統(tǒng)融合貫通，將對(duì)提升整個(gè)系統(tǒng)的有效性、功能性和產(chǎn)品性?xún)r(jià)比起到顯著的作用。我們認(rèn)為參考視頻監(jiān)控行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)新一代的視頻編碼器會(huì)有如下要求：

　　·支持高分辨率：在未來(lái)幾年，D1(704×576)將成為必需滿(mǎn)足的需求，在某些應(yīng)用中720P(1280×720)高清甚至也會(huì)成為必需。編碼器越能夠提供高的視頻質(zhì)量，越能夠?yàn)楹蠖说闹悄芊治鎏峁┖玫闹С?

　　·支持多通道：編碼器必須能夠靈活切換支持多個(gè)編碼通道，比如4個(gè)D1或16個(gè)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(shí)時(shí)D1編碼，H.264標(biāo)準(zhǔn)基本成為必選;

　　·高性?xún)r(jià)比：作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)重要模塊，編碼器的性能價(jià)格比在任何時(shí)候都是一個(gè)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(guò)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(shí)根據(jù)應(yīng)用需求的改變以極小的代價(jià)迅速做出相應(yīng)的調(diào)整;

　　·靈活性：未來(lái)對(duì)編碼器的評(píng)估將會(huì)越來(lái)越著眼于系統(tǒng)層面，編碼器能否靈活支持不同應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)成為選擇系統(tǒng)產(chǎn)品平臺(tái)時(shí)的一個(gè)重要考量。比如在系統(tǒng)架構(gòu)上需要做多大的改變才能使一個(gè)方案從支持一路視頻升級(jí)為支持四路視頻。

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　　目前業(yè)界主要提供有三類(lèi)實(shí)現(xiàn)方案平臺(tái)。

　　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(duì)優(yōu)勢(shì)的市場(chǎng)份額，這是由DSP方案開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短的特性決定的。在ASIC或FPGA方案仍處于研發(fā)階段時(shí)，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(wú)到有的過(guò)程，為H.264在監(jiān)控應(yīng)用中走向成熟立下了汗馬功勞。但是由于DSP運(yùn)算能力本身的制約，考慮到H.264標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的高復(fù)雜度，要達(dá)到未來(lái)對(duì)編碼器高性?xún)r(jià)比的要求，DSP方案會(huì)非常困難。同時(shí)，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(gòu)均已固定，很難滿(mǎn)足產(chǎn)品架構(gòu)靈活性的要求，也相對(duì)增加了靈活提供對(duì)多通道編碼支持的實(shí)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(lǐng)域的應(yīng)用還相對(duì)較少，這和芯片設(shè)計(jì)研發(fā)周期較長(zhǎng)，成本較高的特點(diǎn)緊密相關(guān)。ASIC方案的最大優(yōu)勢(shì)就是一旦量產(chǎn)后，成本和其他方案相比將非常低廉，同時(shí)由于是硬件編碼實(shí)現(xiàn)，通?？梢暂^容易滿(mǎn)足行業(yè)對(duì)高編碼性能的要求。同時(shí)一款成熟的ASIC芯片和DSP實(shí)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(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法、接口等均較難變更，基本上不可能滿(mǎn)足客戶(hù)在可編程性，架構(gòu)靈活性等方面的需求，而其低成本的優(yōu)勢(shì)必須要在較高出貨量的基礎(chǔ)上才可能得到充分的體現(xiàn)。監(jiān)控市場(chǎng)相對(duì)多變的客戶(hù)需求則使得建立在ASIC平臺(tái)上的產(chǎn)品方案在未來(lái)有著更大的產(chǎn)品不確定性和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

　　基于FPGA方案

　　FPGA作為一個(gè)可編程的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)平臺(tái)很好地融合了DSP架構(gòu)的可編程可升級(jí)性和ASIC架構(gòu)的由硬件實(shí)現(xiàn)方式而帶來(lái)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(tái)一樣的可編程性和可升級(jí)性，而且還體現(xiàn)在可以提供更高的系統(tǒng)架構(gòu)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(duì)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(shí)，每一款FPGA芯片其管腳都可以根據(jù)用戶(hù)的要求重新定義功能，提供非常靈活的接口控制。通過(guò)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gòu)上的靈活性非常有利于采用同一個(gè)H.264編碼內(nèi)核靈活支持不同應(yīng)用、不同規(guī)格的產(chǎn)品方向。同時(shí)架構(gòu)上的靈活性使得設(shè)計(jì)者可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，開(kāi)發(fā)出個(gè)性化風(fēng)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(jié)合DSP方案和ASIC方案的部分優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)一些固有不足。如FGPA方案的可編程可升級(jí)性能大大降低了系統(tǒng)集成商在選用ASIC芯片方案時(shí)可能會(huì)遇到的一些后期風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)FPGA接近ASIC的強(qiáng)運(yùn)算能力則有效彌補(bǔ)了DSP方案在編碼性能上的瓶頸。另一方面，F(xiàn)PGA類(lèi)似于ASIC的實(shí)現(xiàn)方式也使得FPGA平臺(tái)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(lái)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(chǎng)提供高性?xún)r(jià)比的編碼解決方案。也就是說(shuō)，開(kāi)發(fā)者必須選擇一個(gè)低成本FPGA平臺(tái)，比如Xilinx的Spartan 3/3A系列，同時(shí)在其上完成滿(mǎn)足要求的高性能編碼。這是一個(gè)開(kāi)發(fā)難度頗高的工作，在全球范圍內(nèi)也沒(méi)有幾家公司具有這樣的研發(fā)實(shí)力，這也是為什么目前市場(chǎng)上基于FPGA平臺(tái)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(chǎng)的需求特點(diǎn)來(lái)考慮，一旦其產(chǎn)品成本在市場(chǎng)上具有較好競(jìng)爭(zhēng)力的話，F(xiàn)PGA方案應(yīng)該是在上述三種方案中最符合未來(lái)編碼器需求和最適合系統(tǒng)廠商產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方案。而隨著FPGA芯片提供商在消費(fèi)電子領(lǐng)域內(nèi)的不斷努力，F(xiàn)PGA方案的產(chǎn)品成本正變得越來(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)力。以DVMicro在Xilinx Spartan 3A DSP 3400 芯片上所開(kāi)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(shí)卻提供了比DSP方案明顯改善的視頻編碼性能。

　　目前市場(chǎng)上針對(duì)以上三種產(chǎn)品平臺(tái)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(duì)較少，主要用的比較多的是海思的HI3510。基于FPGA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。

[nextpage]　　結(jié)語(yǔ)

　　由于目前國(guó)內(nèi)有些廠家并不是采用真正的H.264編解碼標(biāo)準(zhǔn)，因此也遇到很多問(wèn)題。如某些公司的硬件H.264編解碼技術(shù)采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的H.264 標(biāo)準(zhǔn)(baseline profile)，其輸出是完全符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.264 標(biāo)準(zhǔn)碼流，用戶(hù)在解碼端可以自由選擇任何H.264標(biāo)準(zhǔn)解碼設(shè)備，并和編碼設(shè)備形成一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。反之，如果編碼設(shè)備輸出的是自定義的，不符合H.264標(biāo)準(zhǔn)的碼流，用戶(hù)在解碼端就失去了自由選擇的權(quán)力，只能被迫綁定編碼設(shè)備商提供的解碼設(shè)備，這就形成一個(gè)封閉系統(tǒng)。

　　相信符合H.264標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放系統(tǒng)會(huì)對(duì)用戶(hù)產(chǎn)生巨大的影響和豐厚的利益。舉例來(lái)說(shuō)，有些監(jiān)控設(shè)備雖然對(duì)外宣傳是H.264技術(shù)(請(qǐng)注意，是H.264技術(shù)，但輸出并不完全符合H.264標(biāo)準(zhǔn)的碼流)，但他們的碼流不能被標(biāo)準(zhǔn)的H.264解碼器解碼回放。

　　H.264是先進(jìn)的視頻處理技術(shù)，業(yè)內(nèi)人士公認(rèn)，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(pán)存儲(chǔ)空間，這無(wú)疑為遠(yuǎn)程監(jiān)控的推廣應(yīng)用起到很重要的作用。但H.264的編碼效率是以其遠(yuǎn)較MPEG4復(fù)雜的運(yùn)算量為代價(jià)的，其采用最先進(jìn)的禎間預(yù)測(cè)模式，包括復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、1/2和1/4像素預(yù)測(cè);遠(yuǎn)較MPEG4先進(jìn)的禎內(nèi)預(yù)測(cè)模式，包括多達(dá)13種禎內(nèi)預(yù)測(cè)模式;H.264引進(jìn)全新的環(huán)路濾波(in-loop filtering)技術(shù)，對(duì)視頻回放質(zhì)量的大幅提高貢獻(xiàn)巨大。

　　應(yīng)用上述的新技術(shù)均需要大量的運(yùn)算處理，對(duì)視頻編解碼處理平臺(tái)也提出了新的要求。對(duì)軟件形式的視頻編解碼器，如用DSP等通用處理器實(shí)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(jìn)技術(shù)(如禎內(nèi)，間編碼預(yù)測(cè)模式，環(huán)路濾波等)，這樣的結(jié)果是其編碼效果回復(fù)到MPEG4的水平。更嚴(yán)重的是這樣的編碼器輸出的碼流不符合H.264標(biāo)準(zhǔn)，所有通用解碼器均不能與其配套組成開(kāi)放的系統(tǒng)。選用非標(biāo)準(zhǔn)的編碼器，用戶(hù)只能限制選用與其配套的非標(biāo)準(zhǔn)解碼器，從而變成了一個(gè)封閉的系統(tǒng)。