1 引言
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控架構(gòu)主要有三種方式：模擬監(jiān)控、數(shù)字監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。模擬監(jiān)控多采用模擬攝像機+監(jiān)控矩陣的方式。數(shù)字監(jiān)控多采用模擬攝像機+DVR的方式。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控則多采用網(wǎng)絡(luò)攝像機（或者模擬攝像機+視頻編碼終端）+平臺/NVR的結(jié)構(gòu)。隨著圖像壓縮存儲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展，能夠滿足大多數(shù)市場需求的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模式（網(wǎng)絡(luò)攝像機+平臺/NVR）已成為市場主流。
2 視頻監(jiān)控需要高清實現(xiàn)
對于視頻監(jiān)控而言，圖像清晰度是一個至關(guān)重要的指標(biāo)。只有圖像清晰度上去了，才能使用戶體驗更好，智能應(yīng)用等業(yè)務(wù)準(zhǔn)確性也會更高。而今，高清這個概念已經(jīng)在市場的角逐中廣為使用。而根據(jù)美國電影電視工程師協(xié)會以及我們國家廣電的標(biāo)準(zhǔn)，真正的高清是指720p和1080i/p，其中720P（1280×720）分辨率是高清和標(biāo)清的一個分界線，當(dāng)前市場上的主流應(yīng)用CIF（352*288）和D1（720×576）分辨率還是屬于標(biāo)清的應(yīng)用。近年來，視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展（以H.264為代表）和網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升為高清在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的普及提供了契機。
高清的實現(xiàn)，必然要求視頻監(jiān)控解決方案的各環(huán)節(jié)：視頻采集、視頻編碼壓縮、視頻傳輸、視頻存儲、視頻數(shù)字信號的控制與交換、視頻瀏覽、錄像文件的回放等都支持高清。并且這些環(huán)節(jié)幾乎都對視頻編解碼有所要求。視頻的采集，考慮到高清的數(shù)據(jù)量，很多時候會選擇將采集下來的圖像進行一定程度的近似無損壓縮（JPEG或M-JPEG多被采用）；視頻的傳輸和視頻序列的數(shù)據(jù)量有著直接的關(guān)系，分辨率越大、清晰度越高，意味著在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候碼流也會增大，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，因而視頻壓縮效率越高越能夠提高傳輸?shù)腝oS；數(shù)據(jù)流量的增大也增加了視頻存儲的壓力，視頻的編碼壓縮率直接影響到視頻的存儲容量；視頻的瀏覽和視頻編解碼的質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)，清晰度越高，可以容忍的瑕疵也會越少；錄像文件的回放和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、視頻編解碼的質(zhì)量掛鉤�？梢�，高清在視頻監(jiān)控中普及的關(guān)鍵在于視頻編解碼的質(zhì)量、壓縮率以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。其中，對編解碼最核心的需求是：在盡可能的降低碼率的同時，獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。
3 H.264的優(yōu)勢
2003年，由IEO／IEC和ITU—T兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手推出的視頻標(biāo)準(zhǔn)H.264更好的滿足了這一要求。H.264也稱為MPEG4-Part10，相較于以前的視頻編解碼，可以達到更低的碼率，更好的圖像質(zhì)量，更好的IP和無線信道適應(yīng)性。同時我們也要注意到的是，H.264性能得到大幅提升的同時，計算復(fù)雜度也大大增加。下面主要介紹下H.264較諸其他視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢：
（1）支持更小的塊（最小可到4×4）和更細的運動矢量（Y分量為1/4像素）。宏塊被切分成更多尺寸更小的小塊，這樣可以使細小的運動可以更容易的被區(qū)分出來，使得運動矢量的精度得以提高，提高了編碼質(zhì)量與效率，節(jié)省了碼流。
（2）幀內(nèi)預(yù)測。不適合運用運動估計的地方，就采用幀內(nèi)估計用來消除空間冗余。幀內(nèi)預(yù)測并不是H.264所獨有的，但是相對其它編碼標(biāo)準(zhǔn)中的幀內(nèi)變換是在變換域中進行，H.264的幀內(nèi)預(yù)測是在空間域中進行的。首先根據(jù)其周圍的宏塊內(nèi)部估計通過在一個預(yù)定義的集合上的不同方向的鄰近塊推測相鄰像素來預(yù)測當(dāng)前塊。然后預(yù)測塊和真實塊之間的不同點被編碼。這種方法對于經(jīng)常存在空間冗余的平坦背景特別有用，可以節(jié)省碼流和提高編碼質(zhì)量。
（3）整數(shù)DCT 4×4變換與量化。MPEG-2，MPEG-4，H.263使用浮點DCT8X8變換。H.264使用更小的4×4塊，可以減少塊效應(yīng)和明顯的人工痕跡。整數(shù)系數(shù)消除了在MPEG-2，MPEG-4，H.263中進行浮點系數(shù)運算時導(dǎo)致的精度損失。在量化上，量化步長的變化不象以前視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)中的每次遞增一個常量，而是將量化步長的變化幅度控制在12.5%左右，即可以改善編碼質(zhì)量，又提高對碼率的控制能力（見圖1）。
圖1 整數(shù)DCT 4×4變換與量化
（4）熵編碼。H.264提供了兩種可選方式的熵編碼模式：全局VLC（即UVLC，Universal VLC）和基于語法的上下文自適應(yīng)二值算術(shù)編碼CABAC（Context Adaptive Binary Arithmetic Coding）。UVLC使用一個相同的碼表進行編碼，而解碼器很容易識別碼字的前綴，UVLC在發(fā)生比特錯誤時能快速獲得重同步。UVLC計算復(fù)雜度較低，主要針對對編碼時間要求很嚴(yán)格的應(yīng)用，缺點就是效率低，壓縮率不高；CABAC其編碼性能比UVLC有提升，但復(fù)雜度較高。
（5）多參考幀的運動補償和加權(quán)預(yù)測。使用多幀運動補償可以提高編碼質(zhì)量和效率，且有利于恢復(fù)丟包。加權(quán)預(yù)測可用于修正P幀或B幀內(nèi)中的運動補償預(yù)測像素的方法，可以提高編碼質(zhì)量。
（6）環(huán)內(nèi)濾波。視頻編解碼器中加入濾波器的方法有兩種：環(huán)外濾波器和環(huán)內(nèi)濾波器。環(huán)外濾波器只處理編碼環(huán)路外的顯示緩沖器中的數(shù)據(jù)，所以它不是標(biāo)準(zhǔn)化過程中的規(guī)范內(nèi)容，在標(biāo)準(zhǔn)中只是可選項。相反，環(huán)路濾波器處理編碼環(huán)路中的數(shù)據(jù)。在編解碼器中，被濾波的圖像幀作為后續(xù)編解碼幀運動補償?shù)膮⒖紟�；在解碼器中，濾波后的圖像輸出顯示。這要求所有與本標(biāo)準(zhǔn)一致的解碼器采用同一個濾波器以與編碼器同步。當(dāng)然如果有必要，解碼器也還可以在使用環(huán)路濾波器的同時使用后置濾波器。由于考慮了塊數(shù)據(jù)的邊界等信息，環(huán)內(nèi)濾波器的效果要好于環(huán)外濾波器。H.264采用了環(huán)內(nèi)濾波器，通過對宏塊邊緣的平滑濾波, 減輕視頻編碼中的塊效應(yīng)，既減弱“塊效應(yīng)”的影響又避免濾掉圖像的客觀特征，同時在相同主觀質(zhì)量下使比特率減少 5%～10%。
2005年增加的H.264 High Profile，由于其更高的編碼壓縮率和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，被很多應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注，其中包括高清視頻會議、高清視頻監(jiān)控、無線監(jiān)控等。
H.264 High Profile是目前H.264各種Profile中編碼最高效的Profile。在H.264 Main Profile的基礎(chǔ)上增加了8x8幀內(nèi)預(yù)測、自定義量化矩陣、無損視頻編碼、支持輸入圖像為YUV400格式。與其他標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同失真率條件下H.264 High Profile的編碼效率提高了50%左右。其中，對提升編碼壓縮率的主要有CABAC編碼、多參考幀、8x8幀內(nèi)預(yù)測、8x8DCT變換。
4 H.264的改進
H.264為了更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的多樣性，增強魯棒性，做了以下的改進：
在概念上可以分為兩層：視頻編碼層（VCL，Video Coding Layer）和網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL，Network Abstraction Layer）。VCL和NAL分層編碼設(shè)計的目標(biāo)就是使H.264標(biāo)準(zhǔn)對各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有更廣泛的適應(yīng)性，并在一定的網(wǎng)絡(luò)特性條件下實現(xiàn)最優(yōu)壓縮性能，從而使其有更廣泛的應(yīng)用空間。VCL和NAL在功能上是分工協(xié)作的關(guān)系，VCL負責(zé)基于塊的運動補償混合編碼。而NAL專門負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的適配，包括為視頻編碼信息提供文件頭信息，以適當(dāng)?shù)姆绞綄σ曨l數(shù)據(jù)進行打包和傳送。即以NAL包為單位的方式來做為VCL編解碼的基本單元，這樣網(wǎng)絡(luò)層拿到NAL包之后只需附加該傳輸協(xié)議的頭信息就可以傳送出去�？梢詫AL當(dāng)成是一個專做數(shù)據(jù)封裝的模塊，用來將VCL壓縮過的H.264碼流封裝成適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包頭記載數(shù)據(jù)包的類型，每種類型分別對應(yīng)到VCL中不同的編解碼工具
在H.264標(biāo)準(zhǔn)中引入NAL層，其碼流結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性更強，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在這種分層結(jié)構(gòu)中，高編碼效率和網(wǎng)絡(luò)友好性的任務(wù)分別由VCL和NAL來完成。利用這種特性，我們還可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的封裝和對數(shù)據(jù)進行更好的優(yōu)先控制。
NAL層的另一個重要功能是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生惡化時，導(dǎo)致NAL包丟失或者接受次序錯亂時，接收方可以根據(jù)預(yù)設(shè)的方案，進行相應(yīng)的糾錯處理。H.264規(guī)范中一共規(guī)定了12種NAL單元的類型，來定義不同的NAL內(nèi)容，這樣當(dāng)發(fā)生錯誤時，調(diào)度層就可以根據(jù)不同的NAL類型做不同的處理操作。這一功能在可靠性較低的網(wǎng)絡(luò)中，特別有用。
考慮到H.264 High Profile較諸其他編解碼協(xié)議在圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)壓縮性能和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性的壓倒性的優(yōu)勢，可以預(yù)見，采用H.264 High Profile的產(chǎn)品會有更大的競爭力，在不遠的將來，H.264 High Profile必然成為視頻監(jiān)控、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的事實標(biāo)準(zhǔn)。這也對視頻監(jiān)控行業(yè)提出了新的要求，去深入理解并引入H.264 High Profile。
