新一代数字录像压缩技术的开发与实现

近几年来，数字视频监控相关产品的技术和产业化发展一直是国内安防行业的一个热点。经过国内整个行业的不断努力，目前数字监控的技术水平已达到了国际先进水平，并且产品已经开始进入国际市场，直接参与国际竞争。

未来数字视频监控的主流技术可以概括为三点：第一是需要有最优化的压缩算法支持高质量数字视频的应用，用户对图像质量的要求是没有止境的，现在CIF格式产品的大量应用并不能说明市场能够满意这种图像质量；第二是需要有网络化的应用体系，这样才能够构建起大规模的网络数字视频系统，提供安全方便的服务；第三是需要对不同用户和行业提供个性化的产品和服务，这样才能够进一步满足市场不断发展的需要。

主要技术趋势

H.264压缩算法

H.264是ITU－T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像编码专家组）的联合视频组（JVT：joint video team）开发的一个新的数字视频编码标准，该标准既是ITU－T的H.264，又是ISO/IEC国际标准14496－10（MEPG-4 第10部分）。1998年1月份开始草案征集，1999年9月，完成第一个草案，2001年5月制定了其测试模式TML－8，2002年6月的 JVT第5次会议通过了H.264的FCD版。2003年3月正式发布。 因此可见H.264并不比MPEG－4先进，它们其实是一回事。以前大量使用的MPEG－4 是采用了标准的MPEG－4 第10部分以前的版本，压缩性能有明显差异。

H.264标准采用了很多新技术来提高压缩比降低码流，如高精度、多模式预测技术。H.264 标准针对网络传输的需要设计了视频编码层VCL和网络提取层NAL结构，网络抽象层提供“网络友好”的界面，从而使视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。H.264 标准针对网络传输的需要设计了差错消除的工具，便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，从而保证了视频传输的有效性。

在JPEG和MPEG－1/2的时代，压缩芯片以ASIC芯片为主，从MPEG－4开始压缩芯片已经过渡到DSP时代，使用ASIC芯片的产品越来越少。这是由于芯片处理能力逐步提高，可以适应算法的不断优化，ASIC技术产品化周期长，已经无法适应目前算法进步的步伐。

由于DSP体系结构的限制，面对复杂的H.264算法，实现低成本的实时压缩已经非常困难。在算法和芯片技术成熟以后，未来的主流压缩平台应该是ASIC的天下，当然ASIC和DSP技术相结合的芯片，同样具有诱惑力，能够适合未来算法发展的需要。

图像滤波

目前最严重的问题之一是摄像头干扰问题，中低档的摄像头干扰比较明显。特别在低照度的环境中，干扰对图像质量有非常大的影响。这些噪点随着产品型号和工作环境的不同而不同。由于视频压缩算法是通过前后帧图像的差异实现压缩，因此这种随机噪点对压缩的影响非常大，有的时候甚至造成码流成倍上升，将压缩算法的优点全部掩盖。

噪点的处理使得中低档摄像头能够同样达到理想的压缩效果，特别是对于光线不好的环境非常有意义。主要可以采用两种滤波方式：时间轴上的滤波与空间轴上的滤波。时间轴滤波采用运动自适应方式来去除伪颜色噪声同时还原运动物体。空间轴滤波用来去除泊松噪声同时强化物体边缘。除此之外，还可以使用柱状均衡器，它通过平滑亮度信号的突变来改善对比度。在帧间编码的技术中主要采用了针对摄像头主要环境特征，即在静止图像和图像变化不大的情况下压缩处理，这样保证了在正常情况下图像都可以以高质量的水平保存。另一方面，通过实时滤波技术的应用，使得在压缩之前就排除了信号中的干扰，压缩还原的图像有很大的提高，同时也降低了码流。

网络传输技术

从目前的应用情况来看，面向实用的系统面临两大难题，即视频服务质量和网络信息安全问题。即使在宽带网络上由于没有有效的QoS机制，很难保障高质量的视频连续传输。网络信息安全是另一个限制数字视频应用发展的因素，目前的广域网络上没有一个有效的安全保障机制，这样就大大限制了网络视频应用的领域。

由于网络的带宽不固定，同时有一定的误码率，需要采用动态参数调整技术，自动探测网络传输的状况，实时调整压缩的参数，保证能够自动适应网络的变化完成图像的传输，保证传输的质量。同时解码器能够正确处理误码，保证长期稳定地工作。网络数据安全是一个制约应用的重要因素，视频数据加密的技术对实时网络视频具有重要的意义，保障了网络传输的安全。

从产业化角度来考虑，由于IP地址资源的限制和目前网络的体系结构，很大程度上约束了大容量系统的建设和应用。网络协议IPv6是未来发展的重要方向，IPv6支持网络地址自动配置和动态域名服务、安全认证、数据安全、服务质量保证；支持DHCP/PPPoE等多种网络协议，支持组播功能。可以看出，IPv6真正解决了目前IPv4中存在的诸多问题及不足之处，是未来构建数字视频网络最理想的平台。目前国家已经建立了多个IPv6的实验网络，大家很快就可以体验到IPv6带来的新机遇。

关键技术

下面以汉邦新一代的数字录像解决方案T系列为例，来分析一下该类产品在开发上的一些新思路。

视频处理和压缩算法

视频图像处理涉及到两个方面：第一是视频的预处理，包括了视频的数字化、前期处理等等。T系列卡图像采集和预处理采用了目前最新的技术，图像的采集质量有了很大提高，与前一代产品相比，图像质量有了明显提升，色彩还原更加真实，视频预览和回放水平分辨率提高了10%以上，D1卡回放分辨率达到了420线。首先该方案采用了改进后的滤波器，对模拟视频进行了处理，增强了对各种视频源的适应性，提高了图像的分辨率，改善了图像色彩还原真实度；其次还采用了De-interlace和数字滤波器，极大地消除了图像中的噪点干扰。

第二是压缩算法方面，视频压缩算法在前一代的基础上进行了进一步的优化，图像还原质量有了明显的提高，图像颜色更加逼真，而码流平均下降了10%。H.264算法是非常复杂的，在目前的DSP基础上通过算法的进一步优化，可以实现更复杂的算法模块。

提高硬件稳定性

该系列卡功耗低，长时间工作不受温度影响，稳定可靠。CIF卡与前一代的产品相比，功耗有了很大降低，无需散热片。单路功耗CIF 小于1W，Half D1小于1.5W，Full D1小于2W。功耗的降低直接关系到产品的稳定性，产品通过提高系统集成度、采用最新视频处理技术的手段达到了功耗的大幅降低。

高性能解码回放

支持快放、慢放、单帧播放及单帧捕获，以及局部放大功能，P4 2.0可以同时解码16路(不丢帧)。这方面的改进在于新产品的算法在PC平台的进一步优化，这样使得算法效率有了很大的提高。

网络传输

码流调节范围宽，特别适合广域网上传输，支持视音频流网络实时传送，局域网传输延时不超过0.5秒,客户端可实现16路同时播放。支持双码流功能，可以在保障本地高质量保存的前提下提高在广域网上的同时传输路数。

实现方案

该方案设计采用了高性能的DSP技术，选用H.264算法，用全硬件方式实现对视频进行实时压缩和传输功能。产品采用两级滤波模式，保证了视频压缩质量。

高性能的视频处理芯片及嵌入式操作系统保证了系统的可靠性和低成本的要求。CIF设计上采用一片DSP处理4/8路视频的方法，保证了整体方案的低成本，产品结构得到了大大的简化。
音视频信号经过解码器转换为数字信号，视频信号经过滤波器处理，然后通过复合器合成输入到DSP中。在DSP中将复合后的信号分离成四路视频信号，经过二次滤波，然后与声音一起进行压缩处理。压缩好的数据可以通过PCI总线直接传送出去。

此外，该方案还提供完整的SDK开发包，本地SDK、播放SDK、网传SDK为标准通用架构，提供微软插件(支持Media Player 和 IE)，支持Windows 2000和Windows XP。同时，开发包支持不同种类板卡的混合使用，最多可以支持到单机64路。