AVS在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)、視頻編碼以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，視頻編碼技術(shù)作為遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，受到了大家的關(guān)注。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中主要采用的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.261與MPEG-1，在應(yīng)用中具有適應(yīng)性和用戶交互性差的局限性。近些年產(chǎn)生的MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)提供了更高的數(shù)據(jù)壓縮比，尤其是H.264以其高質(zhì)量、低碼流、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)越來越廣泛地被應(yīng)用在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。

由于以上標(biāo)準(zhǔn)在專利池收費(fèi)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度方面存在一定的問題，制約了它們的發(fā)展。能否建立一種我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且性能相同或優(yōu)于其他標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，成為我們面臨的重要問題。在這種情況下，AVS（音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)入了我們的視線。

1 AVS視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)

(1)AVS主要技術(shù)改進(jìn)

AVS采用了許多先進(jìn)的技術(shù)來保證其性能，是一項(xiàng)較有優(yōu)勢(shì)的新標(biāo)準(zhǔn)。2003年底完成的AVS標(biāo)準(zhǔn)第2部分(AVS1-P2以下稱為AVS視頻標(biāo)準(zhǔn))主要面向高清晰度、高質(zhì)量數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲(chǔ)媒體和其它相關(guān)應(yīng)用。它具有4大特點(diǎn)：性能高，編碼效率比MPEG-2高2倍以上,與H.264的編碼效率相當(dāng)；算法復(fù)雜度比H.264低；軟硬件實(shí)現(xiàn)成本都低于H.264；專利授權(quán)模式簡(jiǎn)單，費(fèi)用明顯低于同類標(biāo)準(zhǔn)。

AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)采用了與H.264類似的技術(shù)框架（如圖1），包括變換、量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、環(huán)路濾波等技術(shù)模塊。

圖1

實(shí)現(xiàn)AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)的主要先進(jìn)技術(shù)如下。

平均信息量編碼

首先，AVS采用了k（k=0,1,2,3）階Exp-Golomb（指數(shù)哥倫布）編碼，CBP（宏塊編碼模板）、宏塊模式和運(yùn)動(dòng)矢量等采用0階指數(shù)哥倫布碼編碼，量化系數(shù)使用全部四種指數(shù)哥倫布碼,并采用2D-VLC對(duì)其進(jìn)行編碼。由于對(duì)Exp-Golomp編碼表進(jìn)行了調(diào)整，AVS解碼器并不需要存儲(chǔ)這些編碼表。而語(yǔ)法元素可以利用帶有可選擇查找表的簡(jiǎn)單分析進(jìn)行解碼。AVS定義的19個(gè)映射表盡管只占用了不到2Kbyte的空間，卻能很好地適應(yīng)不同的分配，并具有很高的編碼能力。

?轉(zhuǎn)換和量化

與H.264和MPEG-2不同的是，AVS采用8×8整數(shù)轉(zhuǎn)換。為了減少解量化和逆轉(zhuǎn)換中的取整誤差，AVS還專門設(shè)置了一種特殊程序，并且各種操作均可在16位內(nèi)完成。

幀內(nèi)預(yù)測(cè)

AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)采用了幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，改進(jìn)了幀內(nèi)編碼的宏塊性能。與H.264相比，AVS定義了5種用于8×8亮度塊的模式和4種用于8×8色度塊的模式。

基準(zhǔn)畫面

以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（如MPEG-2）中，雙向預(yù)測(cè)編碼畫面(B畫面)通常以前一個(gè)畫面和/或后一個(gè)畫面為基準(zhǔn)。雖然預(yù)測(cè)編碼畫面(P畫面)只用前一個(gè)畫面來預(yù)測(cè)當(dāng)前畫面，但在解碼器內(nèi)實(shí)際的基準(zhǔn)緩沖空間相當(dāng)于該畫面的兩倍大。而AVS完全采用基準(zhǔn)緩沖器進(jìn)行P緩沖器編碼，P畫面可用前面的兩個(gè)相鄰的I/P畫面作基準(zhǔn)，因此在提升編碼效率的同時(shí)，占用的基準(zhǔn)緩沖器空間仍與MPEG-2相同。

B畫面對(duì)稱模式

AVS以對(duì)稱模式取代了現(xiàn)有編碼標(biāo)準(zhǔn)的插值模式，只有前向活動(dòng)矢量進(jìn)行編碼，逆向活動(dòng)矢量則通過前向和逆向間的相互關(guān)系得出。因此，至多有一種方向的活動(dòng)矢量需要在AVS的B宏塊中進(jìn)行編碼。

加權(quán)預(yù)測(cè)

AVS的加權(quán)預(yù)測(cè)功能可以在很大程度上改善編碼效率，尤其是在場(chǎng)景轉(zhuǎn)換和照明變化時(shí)。加權(quán)預(yù)測(cè)采用了一種簡(jiǎn)單的線性模式，因此參數(shù)能在預(yù)測(cè)的圖像頭內(nèi)進(jìn)行編碼。但每個(gè)宏塊均可以自由選擇是否采用加權(quán)預(yù)測(cè)。

去塊濾波器

基于塊的視頻編碼經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生塊贗像，在低位率情況下這種現(xiàn)象會(huì)變得更明顯。為解決這一問題，AVS定義了一種適應(yīng)性環(huán)路去塊濾波器，用以改進(jìn)解碼視頻質(zhì)量。除了畫面邊界或片邊界外，過濾功能還能用于亮度和色度塊的邊界。過濾的強(qiáng)度則取決于宏塊的類型、量化階、活動(dòng)矢量和塊間的區(qū)別。

隔行編碼

在輸入隔行序列時(shí)，一個(gè)畫面既可以用一幀也可以用兩場(chǎng)(頂場(chǎng)和底場(chǎng))進(jìn)行編碼。只有幀和場(chǎng)間的畫面層適配可以用于當(dāng)前的版本。在采用兩場(chǎng)編碼時(shí)，前一場(chǎng)由之前的解碼場(chǎng)預(yù)測(cè)，而后一場(chǎng)則通過前一場(chǎng)和之前的解碼場(chǎng)共同預(yù)測(cè)。兩個(gè)場(chǎng)分享一個(gè)圖像頭，但是它們應(yīng)屬于不同的片。

(2)AVS與H.264的比較

視頻信息通常為海量信息，需要占用大量的存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬，視頻標(biāo)準(zhǔn)研究的關(guān)鍵在于保證圖像視覺效果不失真的情況下優(yōu)化算法、消除視頻數(shù)據(jù)重的冗余，最大范圍地壓縮視頻數(shù)據(jù)。

與目前性能最好的H.264標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，在圖像質(zhì)量相近的情況下，AVS解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的30%，AVS編碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的70%。復(fù)雜度越低，占用系統(tǒng)資源越少，系統(tǒng)效率則相應(yīng)提高。具體技術(shù)模塊復(fù)雜度分析如表1所示。

2 AVS在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

(1)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一般可以將視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為前端設(shè)備、通信設(shè)備和后端設(shè)備三大部分。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

前端設(shè)備主要包括視頻服務(wù)器和其他相關(guān)設(shè)備。云臺(tái)控制器可以控制攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)聚焦，具有視頻切換、接收?qǐng)?bào)警、接收測(cè)量溫度等功能。視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)將視頻數(shù)字化，并通過視頻編碼對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，并可以通過接收到的前端控制信號(hào)調(diào)整云臺(tái)控制器。

后端設(shè)備主要包括視頻監(jiān)控服務(wù)器和監(jiān)控主機(jī)。視頻監(jiān)控服務(wù)器接收前端視頻服務(wù)器發(fā)送過來的壓縮視頻與其他報(bào)警、溫度等信息，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的監(jiān)控主機(jī)中。監(jiān)控主機(jī)根據(jù)得到的監(jiān)控信息，發(fā)送控制指令。

(2)AVS在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

前端的視頻服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)字化以及視頻編碼壓縮功能，我們可以采用AVS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻信息進(jìn)行編碼，在后端設(shè)備中進(jìn)行解碼。這樣做的優(yōu)點(diǎn)如下。

壓縮率和圖像質(zhì)量

在視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)中，為了能和其他數(shù)據(jù)共同占用傳輸帶寬，在保證視頻圖像質(zhì)量的情況下，傳輸視頻所占用的帶寬需要盡可能少，要求視頻編解碼高效且壓縮率高。

AVS標(biāo)準(zhǔn)能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量，并且在同等畫質(zhì)下，AVS與H.264壓縮率相近，比上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2平均節(jié)省64%的碼流，比MPEG-4要平均節(jié)約39％的傳輸碼流，并且通過對(duì)傳統(tǒng)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、變換編碼和熵編碼等算法的改進(jìn)，使AVS的編碼效率和圖像質(zhì)量在以往標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。

網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性

在視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同，能夠利用的傳輸帶寬也不同，那么AVS視頻如何適應(yīng)不同帶寬的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸呢？

AVS規(guī)定了不同的檔次和級(jí)別，檔次和級(jí)別對(duì)比特流進(jìn)行了各種限制，同時(shí)也就規(guī)定了某一特定比特流編、解碼所需要的編、解碼能力。檔次是規(guī)定的語(yǔ)法、語(yǔ)義及算法的子集，符合某個(gè)檔次規(guī)定的編、解碼器必須完全支持該檔次定義的子集；級(jí)別是在某一檔次下對(duì)語(yǔ)法元素和語(yǔ)法元素參數(shù)值的限定集合，在給定檔次時(shí)，不同級(jí)別往往意味著編、解碼器能力和存儲(chǔ)器容量的不同。我們可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力以及應(yīng)用質(zhì)量要求的不同，采取不同的檔次和級(jí)別。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的靈敏度和魯棒性

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的靈敏度和魯棒性是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，是圖像跟蹤和實(shí)時(shí)報(bào)警的基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法中一般使用單一的準(zhǔn)則（信號(hào)能量門限控制）來判定運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。現(xiàn)在我們可以利用AVS的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)對(duì)視頻監(jiān)控中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。如：AVS標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)具有1/4像素精度，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的計(jì)算更精細(xì)，更好地刻畫了圖像中的運(yùn)動(dòng)信息；AVS標(biāo)準(zhǔn)采用加權(quán)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，可以去除圖像局部光線明暗變化、局部或整體畫面的輕微抖動(dòng)帶來的相似性和關(guān)聯(lián)性。

自主標(biāo)準(zhǔn)化

AVS是我國(guó)自主制定的適合廣泛數(shù)字視頻使用的音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是基于自主技術(shù)和部分開放技術(shù)構(gòu)建的開放標(biāo)準(zhǔn)，妥善解決了專利許可問題，同時(shí)兼顧了性能與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間的矛盾。中國(guó)日漸強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)化實(shí)力和市場(chǎng)也為其發(fā)展提供了良好的土壤。

3結(jié)語(yǔ)

AVS作為我國(guó)自主制定的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)其他信源標(biāo)準(zhǔn)有其明顯的優(yōu)越性，特別是編碼效率高、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)較低、專利費(fèi)用低等特點(diǎn)將有力地促進(jìn)視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。