H.264编码压缩技术

H.264也是MPEG-4标准的第十部分，是由ITU-T视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC动态图像专家组（MPEG）联合组成的联合视频组（Joint Video Team，JVT）提出的高压缩率视频编码标准。与以前的标准一样，H.264也是采用预测 编码加变换编码的混合编码模式，它集中了以往各个编码标准的优点，并吸收了标准制定过程中积累的经验，获得了比以往其他编码方式好得多的压缩性能。H.264标准最大的优势是具有很高的数据压缩比，在同等监控安装图像质量的前提条件下，H.264编码的压缩比是MPEG-4的1.5~2倍。本公司是是一家从事郑州监控设计、郑州监控安装、郑州监控维修的专业监控安装公司，同时承接郑州网络布线、郑州综合布线、郑州光纤熔接、无线网络覆盖、光纤熔接、防盗报警等弱电系统。H.264采用“网络有好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理，以满足不同速率、不同解析度以及不同网络传输、存储场合的需求。

H.264编码器结构

与其他的视频编码压缩标准类似，H.264也是采用帧内与帧间预测的混合编码方式，主要的功能模块包括预测、变换、量化及熵编码，但是多了一个环内滤波功能，用来去掉“马赛克”效应，提高监控安装图像质量。图中编码器包括两个视频通路，一个是从左到右的“编码通路”，另一个是从右到左的“重构解码”通路。

H.264编码的关键特性

网络适应性强：H.264提供了网络抽取层（Network Abstraction Layer），使得H.264的文件能容易地在不同网络环境中传输（例如互联网、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等）。

容错能力强：H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。帧间编码及SP帧引入：H.264充分利用相邻帧之间时域冗余进行运动补偿，与先前其他编码压缩方式类似，支持P帧、B帧，并引入新的SP帧，即流间传送帧，能在有类似内容但有不同码流的码流间进行快速切换，并支持快速播放及随机接入。

运动估计特点：H.264运动估计有多个特点，包括不同大小和形状的宏块分割、高精度的亚像素运动补偿、多帧预测等，以上特性可以保证利用更低的码流，实现更好的图像质量。去块滤波器：H.264定义了自适应去除效应的滤波器，这可以处理预测环路中的水平和垂直块边缘，大大减少了“方块效应”。

整数变换：H.264使用了基于4X4像素块的类似于DCT的变换，但使用的是以整数为基础的空间变换，整数DCT变换还具有减少运算量和复杂度、有利于向定点DSP移植的优点。

量化：H.264可选32种不同的量化步长，步长以12.5%的复合率递进。

熵编码：H.264视频编码处理的最后一步就是熵编码，在H.264中采用了两种不同的熵编码方法——通用可变长编码（UVLC）和基于文本的自适应二进制算术编码（CABAC）。

H.264在视频监控中的应用

H.264是目前最先进的视频编码技术，在同样的监控安装图像质量前提下，其码流是MPEG-4的一半还不到，可以大量节省存储空间及带宽占用，这点对于有大量视频传输及存储需求的网络视频监控系统是至关重要的。H.264的高效编码是以更加复杂的算法为代价的，H.264采用先进的帧间预测模式，包括复杂的运动估计、1/2和1/4像素预测；先进的帧内预测模式，包括多达13种帧内预测模式；H.264引进全新的环路滤波技术，对监控安装图像质量提高大有帮助。在H.264中，应用上述的新技术均需要大量的运算处理资源，对视频编解码处理平台（主要是CPU及多媒体芯片）也提出了更高的速度要求。

任何行业都需要标准，视频监控安装行业也一样。H.264算法是目前先进、主流、有前景的视频编码算法，但是未来需要各个视频监控安装厂家共同努力，克服目前没有标准、自成标准、多个标准的情况，做到标准编码，通用解码，这对于大型联网视频监控系统非常重要。

H.265技术说明

H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字监控安装图像传送；H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P（分辨率1280*720）普通高清音视频传送。

传输码率

H.263可以2~4Mbps的传输速度实现标准清晰度广播级数字电视（符合CCIR601、CCIR656标准要求的720*576）；而H.264由于算法优化，可以低于2Mbps的速度实现标清数字监控安装图像传送；H.265 High Profile 可实现低于1.5Mbps的传输带宽下，实现1080p全高清视频传输。除了在编解码效率上的提升外，在对网络的适应性方面H.265也有显著提升，可很好运行在Internet等复杂网络条件下。

性能提升

在运动预测方面，下一代算法将不再沿袭“宏块”的画面分割方法，而可能采用面向对象的方法，直接辨别监控安装画面中的运动主体。在变换方面，下一代算法可能不再沿袭基于傅立叶变换的算法族，有很多文章在讨论，其中提请大家注意所谓的“超完备变换”，主要特点是：其MxN的变换矩阵中，M大于N，甚至远大于N，变换后得到的向量虽然比较大，但其中的0元素很多，经过后面的熵编码压缩后，就能得到压缩率较高的信息流。

关于运算量，H.264的压缩效率比MPEG-2提高了1倍多，其代价是计算量提高了至少4倍，导致高清编码需要100GOPS的峰值计算能力。尽管如此，仍有可能使用2013年的主流IC工艺和普通设计技术，设计出达到上述能力的专用硬件电路，且使其批量生产成本维持在原有水平。5年（或许更久）以后，新的技术被接受为标准，其压缩效率应该比H.264至少提高1倍，估计对于计算量的需求仍然会增加4倍以上。随着半导体技术的快速进步，相信届时实现新技术的专用芯片的批量生产成本应该不会有显著提高。因此，500GOPS，或许是新一代技术对于计算能力的需求上限。

优势

H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似，主要也包含，帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换 (transform)、量化(quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块，但在HEVC编码架构中，整体被分为了三个基本单位，分别是：编码单位(coding unit,CU)、预测单位(predict unit,PU) 和转换单位(transform unit,TU )。

比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具来降低码率，以编码单位来说，H.264中每个宏块(macroblock/MB)大小都是固定的16x16像素，而H.265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64。

视频编解码技术应用

在网络视频监控系统中，视频编解码技术是前提，正是视频编解码技术的不断发展，促成网络视频监控技术逐步走向成熟应用。网络视频监控系统应用中，视频编码技术主要应用在编码器、DVR及IP摄像机上，视频编码可以基于硬件或软件，但其实质都是如本章介绍的各种视频编码算法的具体应用，而解码技术主要应用在硬件解码及PC客户端软件上，是视频编码过程的逆向过程。视频编码技术是一门复杂的信息科学，在实现过程中，需要大量的复杂的算法、变换过程及参数配置，而视频编码技术在网络视频监控系统应用中，通常还需要考虑成本、效果、效率等多种因素，对编码实用性及适用性要求较高。

视频编码技术在网络视频监控安装应用中主要是一个成本平衡问题。我们采用视频编码技术的出发点是利用芯片及算法，对数据进行压缩，然后进行传输和存储，而后在需要的时候，再进行解码显示。因此，在带宽成本和存储成本下降的同时是以视频编码芯片及算法成本的增加为代价的，我们或者可以说，目前是带宽成本及存储成本与芯片及算法成本相差悬殊，所以在极力进行算法的改进和芯片的升级。幻想将来有一天，带宽资源极大丰富，存储设备都是“白菜价”，那我们就可以不必再煞费苦心地研究算法及优化工作。

视频编码参数配置

在视频编码器或DVR中，通常，通过客户端界面，可以进行视频编码压缩参数的调整，以适用不同的环境需求，最好地发挥其效能。常见的参数配置包括编码压缩算法、GOP尺寸大小、GOP类型、码流大小、帧率、分辨率等，这些参数的调整主要与网络带宽、网络延迟及抖动情况、存储带宽、存储空间大小等因素有关，需要根据具体情况进行调整。

压缩算法：主要指MPEG-4、H.264等，同一个算法下还有不同的类型，如MPEG-4的基本算法及高级算法略有不同。

GOP尺寸：指在编码序列多少个帧里面出现一个I帧，通常可以在10~60之间进行设定，如GOP是IBBPBBPBBBBI，则GOP尺寸是12，通常认为GOP尺寸越长，监控安装图像压缩效率越高，也即在同码流、同编码格式的前提下图像监控安装质量越好。但这也不是绝对的，通常需要综合考虑多种因素。

GOP类型：指GOP中B、P帧的分布及数量，在GOP中B帧越多，编码延时越长，但是编码压缩率更高（B帧数据量更少）。

帧率：每秒钟帧的数量，如PAL制式下25帧/秒代表实时。帧率越高，码流越大。

分辨率：每帧监控安装图像像素数量，如4CIF（704X576）、CIF（352X288）等。相同帧率下，分辨率越高，需要的码流就越大，但监控安装图像信息越丰富。

视频编码传输

传输协议说明

实时传输协议RTP是在网络上处理多媒体数据流的一种网络协议，它能够在单播及多播的网络环境中实现流媒体数据的实时传输。RTP通常使用UDP来进行多媒体数据的传输，RTP协议的设计目的是提供实时数据传输中的时间戳信息以及各数据流的同步功能。RTP本身并不能为按序传输数据包踢狗可靠的保证，也不提供流量控制和拥塞控制，这些都由实时传输控制协议RTCP来负责完成。通常RTCP会采用与RTP相同的分发机制，向会话中的所有成员周期性地发送控制信息，应用程序通过接收这些数据，从中获取相关资料，从而对服务质量进行控制或者对网络状况进行诊断。

传输模型介绍

当发送端（编码器端）收到编码压缩的码流后，按照RTP数据传输协议的报文格式装入RTP报文的数据负载段，并配置RTP报文头部的时间戳、同步信息等参数，之后再封装上UDP报头和IP报头，然后IP数据包通过网络向接收端发送；接收端收到IP包后先分析RTP包头，判断版本、长度等信息，更新缓冲区的RTp信息（如收到的字节数、视频帧数、包数等信息），再按照RTP时间戳和包序列号等进行信源同步，整理RTP包顺序，重构视频帧，最后根据负载类型标识进行解码，将数据放入缓存供解码器解码输出。期间接收端周期性回送包含QoS反馈控制信息的RTCP包到数据发送端实现质量控制。