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视频编码新技术在高清监控行业中的应用

时间:2012-10-10

监控行业已步入高清时代

近年来,高清监控系统的建设应用已经成为一种趋势,视频监控已经由“看得见”的标清视频安保系统,转而向“看得清”的高清视频监控系统发展。2011年作为监控领域高清产品的爆发年,越来越多的厂商加入到这个领域,推出了一系列的高清视频监控产品,前端镜头厂商、芯片厂商基于高清视频的方案也是层出不穷。市场方面,在交通、卡口等领域,高清方案已经逐渐普及,传统监控领域高清所占市场份额也在逐步增大,据国际权威电子行业研究机构IMS RESEARCH发布的报告表明,未来五年内,高清监控产品所占市场份额将会超越传统的标清监控产品。

  高清监控带来的问题

高清网络摄像机使图像清晰度有了质的飞跃,但是也给高清监控系统带来了一系列现实的问题。高清监控要解决的三大核心问题是:带宽问题、显示问题、存储问题。

带宽问题:由于目前网络带宽有限,高清视频带来的高码率成为其最大的推广瓶颈。如何用尽可能低的码率传输尽可能高质量的视频是高清监控需要解决的首要问题。同时由于网络的异构性,不同的网络具有不同的信道特性,不同的用户享受到的网络带宽也不相同,甚至同一用户的带宽也可能是随时变化的。随着监控领域的发展,各种用户终端都有连接监控视频的需要,如局域网监控网络带宽较为理想,用户希望浏览高质量的视频;而手机监控领域由于带宽有限,用户更看重的是低码率下的视频流畅性。如何适应这些不同的带宽环境也是高清监控设备需要解决的问题。

显示问题:相对于标清视频,高清视频的信息量大为丰富,相应的对解码显示性能要求也大大提高,如目前主流的PC机可以轻松实现8路D1标清视频的解码显示,但若前端是1080P高清视频,只能勉强解码显示1路。对于大型视频监控平台,若全部使用高清视频,服务器解码压力会很大。

存储问题:图像分辨率的提升,必然会消耗更大的存储空间。以1920×1080@30帧视频为例,利用H264的编码算法,为保证清晰度,码流需保持在6Mbps以上,约为标清视频的4-8倍。在标清视频条件下,一台16路DVR内置8快2T硬盘即可满足长时间视频存储需求,而在高清监控中,这一时间将被大大缩短,即会带来存储成本的增加。

视频编码技术在高清监控系统中的应用

视频编码技术的发展为解决上述高清监控问题带来了新的方法。通过对编码方式的改进,可以极大地提升高清视频的应用性,使之能适应更多的监控场景。

业界某企业一直致力于高清视频监控设备的研发与推广,在视频压缩核心算法方面取得了多项技术突破,目前已在产品中应用的有感兴趣区域压缩编码技术、可伸缩编码技术和“智能前端”动态编码自适应技术。

感兴趣区域压缩编码技术(ROI):视频压缩比和视频质量是一对矛盾体,压缩比越高,视频损失越多,相应的视频质量也就越差。但人们在观看监控视频时,通常只对某一个特定区域感兴趣(通常为视频中央区域),这一区域内的图像要尽可能清晰,其他部分图像可以相对模糊一些。基于上述要求,图像感兴趣区域压缩编码技术应运而生,即在图像中对感兴趣区域进行无损压缩或近无损压缩,而对背景区域进行有损压缩。这样既可使得重构图像有较高的视频质量,又可得到较高的压缩比,很好地解决了压缩比和图像质量之间的矛盾。

视频编码新技术在高清监控行业中的应用

从左至右分别为图一、图二、图三

如上图所示,图片1为原始图像; 图片2由未经过ROI处理的普通视频编码算法压缩生成,明显看到,由于视频压缩带来的损失,整个画面已经变得模糊;对监控更感兴趣的面部图像进行了ROI处理,编码得到图片3。可以看到背景区域的清晰度和图片2相似,但由于对面部进行了ROI处理,保存了更多的细节,视觉上相比图片2更为清晰。在高清设备中,使用高压缩比的方式进行压缩,而对监控感兴趣的中央区域采用ROI技术进行处理,就可以得到较低码率、高视觉清晰度的视频。

可伸缩视频编码技术:是通过将单一码流分为若干层实现的。如果视频编码器经过一次性压缩后产生的码流能被解码端以不同的码率、帧率、空间分辨率和视频质量解码,则称该编解码系统具有“可伸缩性”。从这个定义可以看出,可伸缩编码只需对视频节目源编码一次,即可通过传输、提取和解码相应部分的压缩码流,重构出各种分辨率、码率或者质量级别的视频。这种编码方式与目前使用的联播编码方式相比,满足各种不同需要的能力更强,编码效率也大大提高。

编码器提供的单一码流具有可伸缩特性,能够自动适应用户网络的网络状态和终端设备。网络带宽较好的环境下可传输高分辨率、高质量的视频,而如手机监控这样的低带宽环境下,只传输低分辨率低码流的视频。

可伸缩视频编码的基本思想描述如下:编码器将视频序列编码成一个基本层和多个增强层,如图5所示。基本层具有最低视频质量,增强层可以改善基本层质量。高清监控设备可以根据带宽及终端需求选择发送数据量。

例如空间可伸缩编码应用中,手机视频的分辨率较小,这时就没有必要传输较多的增强层(对应于较高空间分辨率),而只需传输适合手机分辨率的基本层即可。接收端根据接收到的数据,解码出相应质量的视频。

接收到的增强层越多,解码的视频质量越好。通常假设基本层数据低于最小传输带宽,所以解码端总是可以解码出最低质量的视频。通过使用采用了可伸缩视频编码技术的高清视频编码器,可以自适应各种网络带宽条件下的视频监控需求,带宽问题不再是困扰;同时解码端也可以根据自身解码能力选择只解基本层视频还是解码更多的增强型视频,很好地缓解了显示高清视频时解码显示能力不足的问题。

“智能前端”动态编码自适应技术:通过“感兴趣区域编码技术”和“可伸缩视频编码技术”的应用,高清监控视频中网络带宽和解码显示能力的压力大为减轻,但占用存储空间大的问题并没有得到本质解决。智能视频分析技术的发展带来了解决这一问题的新途径。

监控行业中大部分视频是冗余的,用户更关注的是发生异常事件时的特定视频,“智能前端”高清网络摄像机,和智能分析算法相结合,可实现越界、拌线、区域停留等十余种行为分析。正常状态下“无关紧要”的视频流采用标清格式录像,而一旦有异常状态发生,自动切换至高清录像,既保证了监控视频的细节,又不会对存储造成过大的压力,同时,还提高了有效视频的检索效率。经过验证,可以节省30%-50%的存储空间。

  结语

视频编码技术的进步给高清监控带来了新的发展,有效地缓解了高清视频监控在网络带宽、解码显示能力、存储资源上遇到的瓶颈,成为了监控行业全面高清化最有力的助推力量。一些安防厂商以技术领先型企业为定位,坚持高清化、智能化的发展方向,发挥其在视频编码方面的核心技术优势,不断开拓创新,服务社会,服务用户,力助安防行业高清化的全面发展。