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视频监控高清图像编码的四种算法及分析

来源:一卡通世界      2010/6/1 15:34:17
     高清视频编码最常用的编码格式是MPEG2-TS、MPEG4、H.264和VC-1这四种算法。

    MPEG2由MPEG(Moving Picture Experts Group)运动图像专家组制定,这是国际标准化组织(ISO)于1988年成立的专责制定有关运动压缩编码标准的工作组,制定的标准是国际通用标准。DVD即是MPEG2编码,随着技术的改进,它在高清视频方面也得到了应用。MPEG2最大的缺点就是文件体积过大,不过它也有一个优点,那就是相对于另外两种编码,它对于系统资源的消耗是最小的。但是随着硬件技术的发展,H.264和VC-1的解码必然会成为DVD那样,任何主流的配置都能流畅播放。

    MPEG4主要用于低带宽应用和交互式图形应用(游戏等合成内容)、交互式多媒体(WWW等内容分发和访问技术)应用,MPEG专家组成立了MPEG4工作组,以促进上述三个领域的集成。1999年初,定义标准框架的MPEG4(第一版)成为国际标准(ISO/IEC14496-1),提供多种算法和工具的第二版已于1999年底成为国际标准(ISO/IEC14496-2)。

    H.264也许是最有前途的一个了,相对于MPEG2、MPEG4而言,其压缩效率是三种编码中最高的。H.264标准由国际电信联盟电信标准化部(ITU-T)和国际标准化组织/国际电工委员会(ISO/IEC)共同研究发布,因此H.264有两个名称,一个是沿用ITU-T组织的H.26x名称,叫“H.264”,另一个则是AVC(高级视频编码)。H.264格式的最大特点是在保证画面质量的情况下,它可以把文件大小控制在MPEG2格式的二分之一甚至三分之一。所以其更高的压缩比、更好的IP和无线网络信道的适应性,在数字视频通信和存储领域得到越来越广泛的应用。但是需要注意的是,H.264获得优越性能的代价是计算复杂度增加,因此H.264的硬件要求是最高的。

    微软公司在2003年9月提出了VC-1编码格式(开发代号Corona),目前已经得到了Movie eam、Modeo等不少公司的采纳,同时也包含在HDDVD和蓝光中,包括华纳和环球等影业公司也有采用这种格式的意向。VC-1基于微软windows Media Video9(WMV9)格式,而WMV9格式现在已经成为VC-1标准的实际执行部分。VC-1是最后被认可的高清编码格式,因为有微软的后台,所以这种编码格式不能小窥,相对于MPEG2,VC-1的压缩比更高;但相对于H.264而言,编码解码的计算则要稍小一些。
    AVS是基于我国自主创新技术和国际公开技术所构建的标准,主要面向高清晰度和高质量数字电视广播、网络电视、数字存储媒体和其他相关应用,具有性能高(与H.264相当)、复杂度低(算法复杂度比H.264明显低)、我国掌握主要知识产权、专利授权模式简单且费用低等特点。基于此,可以认为AVS标准是能够支撑国家数字音视频产业发展的重要标准,也是安防监控行业应该采纳的重要标准。

    JPEG2000是一种图像编码格式,而并不是视频编码格式,设计之初是用于取代JPEG,而视频序列的每一帧画面也相当于是一幅图像,与其前辈JPEG相比,JPEG2000放弃了以离散余弦变换DCT为主的区块编码方式,而改为采用以小波变换为主的多解析编码方式,压缩率比JPEG高约30%左右,同时JPEG2000支持有损和无损压缩。

    JPEG2000有几个重要特性,支持“渐进传输”及“感兴趣区域编码”。在清晰度方面,它可以先解码一副画面的四分之一尺寸,然后再二分之一,最后解码出整幅画面;在图像质量方面,它可以先传输图像的轮廓,然后逐步传输数据,不断提高图像质量,让图像由朦胧到清晰显示;“感兴趣区域”是指用户可以任意指定图像上感兴趣区域的压缩质量,还可以选择指定的部份先解压缩,便于突出重点。但JPEG2000计算量太大,压缩率不高,目前很难在嵌入式实时系统中实现,对存储传输也提出了较高的要求,目前仅有一些高清专用系统采用了这个算法。

    在编码芯片上,一般有DSP、ASIC等可供选择。DSP方案,如达芬奇数字媒体处理器TMS320DM6467,是基于DSP的SOC(片上系统),集成了300MHz的ARM内核和600MHz的DSP内核,并采用高清视频协处理器,在执行H.264HP(1080p30fps、1080i60fps、720p60fps)的同步多格式高清编码、解码与转码方面,表现出色。还有一款高清入门级的TI芯片DM355,它内置了编解码算法实现,能够以720p格式与每秒30帧的速度提供高清MPEG4SP编解码能力,是快速开发入门级高清编码产品的不错选择。ASIC方案,如海思3511的处理器,一款基于ARM9处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器,具有高集成、可编程、支持H.264和MJPEG(MotionJPEG是一种视频压缩格式,其中每一帧图像都分别使用JPEG编码)等多协议的优点,可广泛应用于实时视频通信、数字图像监控、网络摄像机等领域。
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