視頻監控行業(yè)編解碼技術(shù)的發(fā)展

　　一、 編解碼技術(shù)發(fā)展現狀分析

　　目前國內主流視頻監控設備廠(chǎng)商如大華、?？?、宇視、天地偉業(yè)等，從前端球機、槍機，到后端的NVR/ESS/EVS存儲、矩陣等設備，普遍使用的是MPEG-4與H.264編解碼技術(shù)，因為MPEG-4/H.264編碼技術(shù)比較成熟，相應的編解碼芯片廠(chǎng)商也較多，因此使用最為廣泛，不同廠(chǎng)家設備之間的兼容性也好。但隨著(zhù)500W/800W/1200W等高清攝像機推廣應用，網(wǎng)絡(luò )傳輸帶寬與錄像存儲空間卻承受?chē)谰目简?，?yōu)化算法，提高壓縮效率，減少時(shí)延的需求使H.265編碼技術(shù)標準應勢而生，它將在未來(lái)逐步的被廣泛使用。

　　同時(shí)，由于H.264/H.265是ITU-T國際電聯(lián)組織制定提出的一系列視頻編碼標準，是一個(gè)全世界公開(kāi)的協(xié)議標準，為提高視頻數據安全保密性，保障視頻信息質(zhì)量，由我國公安部第一研究所牽頭組織，在現有視頻編碼標準技術(shù)的基礎上，通過(guò)創(chuàng )新的技術(shù)改進(jìn)和加密，形成了一套我國自有的安全防范監控數字視音頻編解碼技術(shù)標準，簡(jiǎn)稱(chēng)SVAC標準，它在政府類(lèi)監控項目采購中率先推廣應用。

　　因此來(lái)說(shuō)，在目前的視頻監控行業(yè)領(lǐng)域，基本保持著(zhù)MPEG-4/H.264為主，H.265/SVAC為輔的局面。

　　二、 主要編解碼技術(shù)的應用現狀

　　前文我們提過(guò)，在視頻監控設備領(lǐng)域，目前主要采用的編解碼標準為MPEG-4/H.264技術(shù)，當然，隨著(zhù)H.265芯片技術(shù)的不斷成熟，憑借其更強的優(yōu)越性能，將會(huì )逐步取代H.264并成為行業(yè)的主流應用技術(shù)。大安防系列化產(chǎn)品也就從前端、存儲到解碼會(huì )發(fā)生全面性的變化。下面我們將對目前主要的幾種編解碼技術(shù)的發(fā)展和應用做具體介紹。

　　MPEG-4編碼技術(shù)

　　MPEG：Moving Pictures Experts Group動(dòng)態(tài)圖象專(zhuān)家組，是一個(gè)致力于運動(dòng)圖像及其伴音的壓縮編碼標準化工作的組織，MPEG-4是在MPEG-1、MPEG-2基礎上發(fā)展而來(lái)，其中MPEG-1主要用于VCD的應用，MPEG-2主要用于廣播電視和DVD等;MPEG4于2000年初正式成為國際標準。它是一個(gè)適用于低傳輸速率應用的方案。與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4更加注重多媒體系統的交互性和靈活性，表現的更為具體一點(diǎn)，那就是采用MPEG-1與MPEG-2標準壓縮的視頻文件體積很大，難以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)傳輸。MPEG-4標準則是基于對象和內容的編碼方式，和傳統的圖像幀編碼方式不同，它只處理圖像幀與幀之間的差異元素，拋棄相同圖像元素，因此大大減少了合成多媒體文件的體積，從而以較小的文件體積同樣可得到高清晰的還原圖像。換句話(huà)說(shuō)，相同的原始圖像，MPEG-4編碼標準具有更高的壓縮比。

　　視頻監控的早期產(chǎn)品，如模擬攝像機、CVR/DVR、采用的就是MPEG-4編碼技術(shù)。

　　H.264編碼技術(shù)

　　H.264是ITU-T國際電聯(lián)與ISO國際標準化組織聯(lián)合制定的視頻編解碼技術(shù)標準，它同時(shí)也是MPEG-4標準的第十部分。H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。一個(gè)原始文件是102G大小的視頻，經(jīng)過(guò)H.264編碼后變成了1個(gè)G，壓縮比竟達到了102:1!H.264的低碼率技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用，在用戶(hù)獲得高質(zhì)量流暢圖像的同時(shí)，大大節省了下載時(shí)間和數據流量，也大大減少了圖像存儲空間。

　　H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎之上建立起來(lái)的，其編解碼流程主要包括5個(gè)部分：幀間和幀內預測(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化(Quantization)和反量化、環(huán)路濾波(Loop Filter)、熵編碼(Entropy Coding)。

　　H.264編碼標準在視頻監控領(lǐng)域，是當下最流行使用的一種編解碼技術(shù)。目前大大小小的視頻監控設備廠(chǎng)家，都具備該標準的應用能力。

　　在過(guò)去幾年的發(fā)展中，高性能的DSP芯片對H.264標準的應用發(fā)揮了重要的貢獻。DSP芯片，全稱(chēng)是數字信號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器，它有處理能力強、開(kāi)發(fā)周期短、用戶(hù)開(kāi)發(fā)自由度大等特點(diǎn)，被越來(lái)越多地應用于視頻壓縮領(lǐng)域。美國TI公司有很豐富的經(jīng)驗，是業(yè)界的領(lǐng)導者，產(chǎn)品系列有C20x，24×5x，54x，62x，64x定點(diǎn)DSP和C3x，4x，67xx等浮點(diǎn)DSP;同時(shí)intel公司也不斷推出netra、baytrail系列解碼芯片，海思最新的3536芯片，給后端的解碼顯示提供了有力的硬件支持。

　　由于H.264的高壓縮性能，目前市場(chǎng)上主流的視頻監控設備基本采用的是H.264標準。

　　H.265編碼技術(shù)

　　視頻監控前端采集設備如網(wǎng)絡(luò )攝像機的清晰度從100萬(wàn)、200萬(wàn)到300萬(wàn)、500萬(wàn)，魚(yú)眼相機已經(jīng)達到了800萬(wàn)、1200萬(wàn)像素，這意味著(zhù)超高清時(shí)候一步步的向我們走來(lái)。在近一年的時(shí)間里，眾多的顯示屏設備廠(chǎng)商已經(jīng)在極力的宣傳4K超高清產(chǎn)品，如海信、三星、創(chuàng )維等。而在視頻監控行業(yè)，眾多業(yè)務(wù)知名安防廠(chǎng)商都已經(jīng)推出了自己的4K產(chǎn)品，800萬(wàn)攝像機，4K采集、4K解碼、4K電視墻產(chǎn)品，并能形成一整套的4K綜合解決方案。

　　超高清的體驗，帶來(lái)的卻是傳輸和存儲的強大挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，1路1080P@25fps的圖像，裸數據傳輸的帶寬大概需要1.4G，采用H.264編碼后，可以得到6M或8M的碼流;如果前端換成800萬(wàn)的網(wǎng)絡(luò )攝像機，采用同樣的壓縮標準，那么碼流大小至少20M以上，因此，需要一種更高壓縮性能的圖像壓縮標準來(lái)節省用戶(hù)的投資，同時(shí)獲得高清晰的圖像顯示。

　　H.265技術(shù)是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著(zhù)現有的視頻編碼標準H.264，保留原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復雜度之間的關(guān)系，達到最優(yōu)化設置。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現標清數字圖像傳送;H265則可以實(shí)現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。

　　H.265旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò )視頻，僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。H.265標準也同時(shí)支持4K(4096×2160)和8K(8192×4320)超高清視頻?？梢哉f(shuō)，H.265標準讓網(wǎng)絡(luò )視頻跟上了顯示屏"高分辨率化"的腳步。

　　在今年的深圳安博會(huì )上，H.265技術(shù)的應用已經(jīng)悄然興起，從前端攝像機、到后端存儲，從編碼器到解碼器、視頻綜合平臺等設備，都已經(jīng)打上了H.265的標記。各個(gè)參展廠(chǎng)家也在積極宣傳推廣自己的H.265技術(shù)產(chǎn)品，預計在未來(lái)的2年內，H.265又將成為視頻監控設備的主流編解碼技術(shù)。

　　SVAC編碼技術(shù)

　　SVAC全稱(chēng)Surveillance Video and Audio Coding《安全防范監控數字視音頻編解碼技術(shù)標準》，是由中星微電子和公安部第一研究所共同建立的一套編碼技術(shù)標準。SVAC是第一個(gè)旨在解決安全防范監控行業(yè)獨特要求的技術(shù)標準，對確立中國公安和犯罪預防體系來(lái)說(shuō)特別重要。

　　自從“安全門(mén)”事件之后，信息安全的管理越來(lái)越得到重視。SVAC編碼技術(shù)標準具有中國自主知識產(chǎn)權，是一項非國際性的標準，主要用于安防視頻監控的應用。其目的在于加強安防視頻監控系統在公安監控與報警平臺的安全應用。目前支持SVAC技術(shù)標準的只有中星微等少數廠(chǎng)家，芯片技術(shù)部是非常成熟，價(jià)格相對較高，國內安防知名廠(chǎng)商如大華、?？?、天地偉業(yè)等還是以H.264、MPEG-4標準為主流，同時(shí)也有少量設備支持SVAC標準，但都以軟件編解碼的方式實(shí)現。

　　SVAC編碼技術(shù)在原有H.264/MPEG-4標準的技術(shù)上，也進(jìn)行了技術(shù)上的創(chuàng )新，如支持高精度視頻數據，在高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景提供更多圖像細節，減少編解碼環(huán)節的圖像信息損失;支持感興趣區域(ROI)變質(zhì)量編碼，在網(wǎng)絡(luò )帶寬存儲空間有限的情況下，提供更符合監控需要的高質(zhì)量視頻編碼;支持監控專(zhuān)用信息(絕對時(shí)間、智能分析結果、報警信息)，便于視音頻內容的有效管理和綜合利用;支持加密和認證，保證監控數據的保密性、真實(shí)性和完整性等。該標準因為開(kāi)放性小，兼容性也將是個(gè)問(wèn)題，與目前市場(chǎng)上的多種視頻系列化設備不能實(shí)現很好的融合對接，這將大大限制了市場(chǎng)使用的局限性。

　　但從目前的市場(chǎng)來(lái)看，從廣東省先行試點(diǎn)強制實(shí)行開(kāi)始，基本上廠(chǎng)家的設備都要求支持SVAC標準，已經(jīng)開(kāi)始使用大量的SVAC前端，這一趨勢正在網(wǎng)周邊的廣西、湖南等省份擴展，相信在未來(lái)的幾年內，具有中國自主專(zhuān)利技術(shù)的SVAC標準將在國內得到普遍支持和應用，目前成熟的SVAC技術(shù)還停留在1.0初步階段，許多功能還需要進(jìn)一步優(yōu)化，我們期待SVAC2.0版本的發(fā)布。

　　三 、 H.265與Smart265、SVAC2.0優(yōu)劣勢對比分析

　　H.265標準圍繞著(zhù)現有的視頻編碼標準H.264，保留原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復雜度之間的關(guān)系，達到最優(yōu)化設置。其高效的壓縮性能，在逐步發(fā)展的超高清時(shí)代，它將替代H.264成為編碼技術(shù)的主流，支持的廠(chǎng)家與設備會(huì )越來(lái)越多，得到普遍應用。目前支持H.265編解碼的芯片選擇性并不是太多，因此一些比較有實(shí)力的視頻監控設備廠(chǎng)家都會(huì )加入自己的一些智能算法，以獲得更好的性能或應用。

　　從編碼效率上來(lái)說(shuō)，SVAC優(yōu)于H.264，但和H.265相比就略遜一籌。SVAC2.0編碼技術(shù)是在原有的SVAC1.0的基礎上加入智能分析等智能功能，進(jìn)一步縮短編解碼速率，豐富更多的應用。SVAC2.0標準的推行，在國家信息安全政策的強制要求下，市場(chǎng)的潛力非常大，越來(lái)也多的廠(chǎng)家和研究機構都會(huì )參與SVAC技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，未來(lái)SVAC2.0或SVAC3.0將越來(lái)越成熟，與H.265的全面抗衡指日可待。

　　四、 影響編解碼技術(shù)發(fā)展的要素

　　視頻編碼技術(shù)是對前端攝像機采集過(guò)來(lái)的數字視頻進(jìn)行壓縮，在保證圖像質(zhì)量的情況下，采用高效的圖像壓縮方式，以節省傳輸帶寬和視頻存儲空間。而在未來(lái)的視頻監控領(lǐng)域，將結合圖像實(shí)現更多的智能化應用，如當今比較火熱的智能交通、智慧小區、智慧法庭、智慧校園、甚至云視頻、安防互聯(lián)網(wǎng)+等業(yè)務(wù)。編解碼技術(shù)的發(fā)展不僅需要滿(mǎn)足越來(lái)越高的用戶(hù)體驗需求，同時(shí)也需要按照安防市場(chǎng)的發(fā)展與行業(yè)應用方案來(lái)推進(jìn)。

　　首先，壓縮性能是編碼技術(shù)的重點(diǎn)，前端設備越來(lái)越高清，通過(guò)算法優(yōu)化、幀間預測、場(chǎng)景預測壓縮數據的大小，從而提高壓縮效率。以同等或較小的視頻帶寬就能獲得更高清晰的畫(huà)面。在快速發(fā)展的移動(dòng)智能客戶(hù)端，低帶寬也可享受1080P的高清畫(huà)面。

　　其次，智能算法與智能分析不僅優(yōu)化碼流質(zhì)量，同時(shí)智能化的監控設備具備圖像檢測預警、三維空間計算、區域防范、智能識別等功能，這就要求視頻編碼流中加入更多的分析對象，計算方法更加復雜，對硬件的要求也更高。

　　再者，安防視頻監控系統與廣電視頻應用還是有很大區別，它需具備更多的行業(yè)特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )的飛速發(fā)展再一次證明了信息安全保密性能的要求。SVAC標準之所以得到推廣應用，除政府政策之外，更重要的是它在信息安全加密性能方面的技術(shù)創(chuàng )新。而開(kāi)放性的H.264標準使得各個(gè)廠(chǎng)家之間的監控設備實(shí)現了更好的互聯(lián)互通。

　　最后，編解碼技術(shù)的發(fā)展也需要考慮到編解碼芯片的發(fā)展成熟度，目前H.264編碼成為行業(yè)的主流，是因為有因特爾、高通、意法半導體、海思等諸多廠(chǎng)商可提供系列化的編解碼芯片。而支持H.265標準的芯片目前屈指可數，價(jià)格也高;支持SVAC標準的就基本上只有中星微一家。因此，編解碼技術(shù)的發(fā)展更需要得到芯片產(chǎn)業(yè)鏈的支持，否則就只能作為理論了。