超高清時(shí)代 編碼技術(shù)引領(lǐng)安防發(fā)展

　　安防監控一直走在追逐更高清的路上，從以前的CIF，到D1，再到720p、1080p，甚至4K，一直延續著(zhù)更高清的發(fā)展路程。一路走來(lái)，先進(jìn)編碼技術(shù)的出現也無(wú)不是對更高清產(chǎn)品的一種保障，而對于每一位安防工程師來(lái)說(shuō)，“降低視頻碼率”是一個(gè)一直存在的課題。

　　隨著(zhù)編碼技術(shù)的深度挖掘，人們開(kāi)始考慮，除了視頻壓縮標準的進(jìn)一步提升，是否可以根據安防監控場(chǎng)景的特點(diǎn)，進(jìn)行有針對性的編碼，從而更加高效的在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)降低碼率?

　　監控場(chǎng)景相對于其他的視頻，大致來(lái)說(shuō)存在以下特征：

　　1) 多數情況下，相機固定安裝，背景信息相對穩定，變化較少;

　　2) 相當一部分監控場(chǎng)景，運動(dòng)目標出現的次數也不多;

　　3) 從觀(guān)看角度來(lái)講，更多關(guān)注的是運動(dòng)目標;

　　4) 常常需要24小時(shí)日夜監控，噪聲等問(wèn)題影響相對較大。

　　針對以上特點(diǎn)，安防行業(yè)的編碼專(zhuān)家們提出了多種智能編碼實(shí)現方案，而就當下來(lái)看，感興趣區域編碼和Smart編碼就是典型代表。

　　感興趣區域編碼

　　在實(shí)際應用中，圖像的接收者往往只對圖像的某一部分感興趣。這部分區域被稱(chēng)為“感興趣區域(ROI，Regions of Interest)”，把感興趣以外的區域稱(chēng)為“背景區域(BG，Background)”。從主觀(guān)上來(lái)講，感興趣區域恢復質(zhì)量的好壞直接影響對恢復圖像的整體評價(jià)。因此可以對圖像中ROI采用低壓縮比的壓縮，甚至無(wú)損壓縮，以獲得比較高的圖像質(zhì)量;而對于BG圖像，則仍采用高壓縮比、質(zhì)量相對較差的有損壓縮，以節省空間。這樣既可以滿(mǎn)足人們對圖像的要求，又能降低傳輸時(shí)間，節省存儲空間，實(shí)現了真正的交互式壓縮。這就是感興趣區域編碼。

　　感興趣區域編碼技術(shù)，可對感興趣區域(如安防監控關(guān)注的車(chē)牌、人臉等)進(jìn)行無(wú)損壓縮或近無(wú)損壓縮，保證圖像質(zhì)量，而對背景區域進(jìn)行有損壓縮。而在帶寬有限的條件下，感興趣區域編碼可增強用戶(hù)設置或智能偵測獲取的感興趣區域圖像質(zhì)量，準確地保留視頻監控目標的關(guān)鍵信息，這樣在不提高碼流的情況下，獲得視頻監控的關(guān)鍵信息。

　　感興趣區域編碼可將碼流資源按需分配，將有限的資源集中在一塊或多塊感興趣區域，這種處理思想不僅能夠滿(mǎn)足人們在低比特率條件下對重要的圖像信息實(shí)現高質(zhì)量，甚至無(wú)損恢復的要求，還可以通過(guò)與圖像壓縮算法相結合來(lái)很好的解決通訊過(guò)程中的帶寬瓶頸、存儲空間等問(wèn)題。這些突出的優(yōu)點(diǎn)使得感興趣區域編碼處理方法成為了近年來(lái)圖像處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　但是從感興趣區域編碼的原理來(lái)看，該技術(shù)存在一定的局限性，技術(shù)更多的定位于一些固定的單一場(chǎng)景監控應用，而對于大場(chǎng)景多運動(dòng)目標等復雜監控場(chǎng)景而言，處理起來(lái)就沒(méi)有那么理想了。

　　Smart編碼

　　前面我們有提到監控場(chǎng)景特點(diǎn)，可以發(fā)現大部分的使用場(chǎng)景有著(zhù)固定的特征，比如通常情況下，背景是不變的;大部分時(shí)間畫(huà)面只有少量的運動(dòng)目標，甚至沒(méi)有;相對背景來(lái)說(shuō)，用戶(hù)更加關(guān)注運動(dòng)物體等。Smart編碼技術(shù)正是針對這個(gè)特點(diǎn)將視頻壓縮技術(shù)與智能分析技術(shù)相結合，通過(guò)建立背景模型和提取前景目標，對前景和背景采用不同的編碼方式，從而在保證主觀(guān)質(zhì)量的前提下，提高編碼壓縮性能，降低碼率。

　　視頻的應用通常包括采集、編碼、傳輸、解碼、顯示等環(huán)節;對于現有的視頻壓縮標準，包括H.264、H.265在內，都只對解碼進(jìn)行規范化，也就是說(shuō)只對碼流中每個(gè)比特的含義、以及每個(gè)比特如何解析使用進(jìn)行規定和說(shuō)明，而從圖像如何得到碼流比特的編碼過(guò)程沒(méi)有規定，由各廠(chǎng)家自行設計和實(shí)現，即所謂的編碼方法。如果用語(yǔ)言來(lái)類(lèi)比，語(yǔ)言中的詞語(yǔ)就是碼流的比特，語(yǔ)法規則就是碼流解析使用規則;在語(yǔ)言中，只規定每個(gè)詞語(yǔ)的含義以及詞語(yǔ)使用的語(yǔ)法規則，至于如何利用詞語(yǔ)和語(yǔ)法規則描述一件事情，是每個(gè)作者自身的創(chuàng )造。

　　壓縮標準沒(méi)有規定編碼，而由各廠(chǎng)家自行設計，只要產(chǎn)生的碼率符合解碼的規則即可。換句話(huà)說(shuō)，壓縮標準提供了一系列壓縮的工具，至于工具怎么用由廠(chǎng)家自行考慮。同樣的工具用的好，壓縮率就高;用的不好，壓縮率就低。舉個(gè)例子，H.264壓縮標準在剛剛頒布時(shí)，由于涉及能力、處理器性能局限，并沒(méi)有把H.264的工具用的很好，編碼性能與前一代壓縮標準的差距不大。隨著(zhù)各廠(chǎng)家持續不斷的改進(jìn)編碼方法，H.264的性能逐漸挖掘出來(lái)，1080p圖像的碼率也逐漸從6Mbps降低到4Mbps甚至2Mbps。這也是Smart編碼技術(shù)能夠基于視頻壓縮標準(比如H.264或者H.265等)提出進(jìn)一步提高壓縮率編碼方案的原因。

　　為了提高視頻壓縮率，Smart編碼采用了智能分析中的背景建模技術(shù)來(lái)指導編碼。背景建模技術(shù)將畫(huà)面中運動(dòng)的物體和靜止的背景分離開(kāi)，從而可以針對背景區域和運動(dòng)區域采用不同的編碼方法。具體來(lái)說(shuō)，Smart編碼在提高壓縮率方面采用的方法有：多幀參考、動(dòng)態(tài)I幀間隔、背景噪聲抑制。前兩種方法充分利用了監控場(chǎng)景背景不變、運動(dòng)區域少的特征;后一種方法則利用用戶(hù)關(guān)注運動(dòng)區域的偏好。

　　由此看來(lái)，Smart編碼技術(shù)是基于視頻壓縮標準(采用H.264或者H.265等標準)，對常規視頻壓縮技術(shù)的進(jìn)一步挖掘提升。

　　H.265+Smart編碼

　　以當前炙手可熱的H.265為例，結合H.265編碼和Smart編碼兩種技術(shù)，經(jīng)過(guò)大量測試表明，與普通的H.265編碼保持基本同等的主觀(guān)質(zhì)量，針對相機固定運動(dòng)目標較少的監控場(chǎng)景，“結合Smart編碼的H.265”平均碼率下降比例是70%左右;針對相機固定運動(dòng)目標部分時(shí)間較多的監控場(chǎng)景，“結合Smart編碼的H.265”平均碼率下降比例是50%左右;針對不斷大幅運動(dòng)的監控場(chǎng)景，“結合Smart編碼的H.265”平均碼率下降比例還可達30%左右。

　　與此同時(shí)，“結合Smart編碼的H.265”為了保證運動(dòng)目標的編碼質(zhì)量，瞬時(shí)峰值碼率會(huì )高于長(cháng)周期的平均碼率，且運動(dòng)目標所占圖像面積越大，瞬時(shí)峰值碼率會(huì )越高，但基本上不會(huì )高于同等主觀(guān)質(zhì)量下H.265編碼的瞬時(shí)峰值碼率。

　　在兼容性方面，“結合Smart編碼的H.265”仍然符合H.265標準，底層碼流可以被大部分支持H.265解碼的軟硬件所兼容。部分解碼設備及軟件可能需要在播放控制策略上稍作調整，以改善錄像文件拖動(dòng)時(shí)的體驗。

　　由此可見(jiàn)，Smart編碼技術(shù)是針對監控視頻的特點(diǎn)，在常規視頻編碼技術(shù)的基礎上優(yōu)化的一種編碼技術(shù)，可以較大幅度的降低視頻監控場(chǎng)景的碼率，節省系統成本。

　　再回首2015年的深圳安博會(huì )，客戶(hù)關(guān)注點(diǎn)除了圖像效果，更多的是如何降低碼率，目前主要有兩種做法：第一種是采用感興趣區域編碼技術(shù)降低碼率，第二種則是采用Smart編碼技術(shù)降低碼率。從參觀(guān)者的反饋來(lái)看，第二種Smart編碼技術(shù)似乎更受歡迎，因為采用Smart編碼技術(shù)的碼率得到顯著(zhù)降低。

　　目前市場(chǎng)上出現的“Smart265”是基于視頻編解碼應用的技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對監控場(chǎng)景的特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)，可在H.265編碼的基礎上進(jìn)一步提升壓縮率，有效節約網(wǎng)絡(luò )和存儲資源。在白天的繁忙場(chǎng)景下，Smart265的碼率相比H.265可降低30%以上;當夜晚畫(huà)面基本靜止時(shí)，Smart265的碼率相比H.265可降低70%以上(最低可達50-60kbps);不僅節約了帶寬資源，更有效節省了存儲空間。

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，編碼技術(shù)的進(jìn)步，不斷引領(lǐng)著(zhù)安防行業(yè)的發(fā)展，成為安防企業(yè)在新的經(jīng)濟常態(tài)下以技術(shù)取勝的關(guān)鍵之一。隨著(zhù)一系列國產(chǎn)編碼技術(shù)的出現，尤其Smart編碼技術(shù)的不斷深化與融合，成為了更高清視頻編碼的新選擇，實(shí)現了中國原創(chuàng )的編解碼技術(shù)的質(zhì)的飛躍。