H.264在3G移动视频监控系统中的应用
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摘要:H.264标准是ITU-T和ISO/IEC的联合视频组(JVT)制定的新一代视频编码国际标准,在H.263等视频标准的基础上,采用多种新技术,提高了压缩性能、编码效率、网络适应能力及视频传输的可靠性等。文章针对3G信道固有的带宽有限,误码率高等特点,从压缩效率和网络适应性两个方面分析和讨论H.264在3G中的应用。
关键词:H.264;视频编码;视频监控;网络适应性;3G
中图分类号:TP29文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 07-0000-02
Application of H.264 in 3G Remote Video Monitoring System
Gu Jiye 1, Liu Zhenxiang 2, Jin Baohua 3
(1,3.Computer Science and Engineering College of Guizhou University,Guiyang550025,China;2.Guizhou Radio&TV University,Guiyang 550004,China)
Abstract:H.264 is a new generation of video coding international standard which developed by JVT(Joint Video Team).On some standard basis,such as H.263,H.264 take some new technologys,it provide significantly better compression performance,coding efficiency,network suitability and reliability of transmission.Because of the inherent characteristic in 3G signal path,this paper analysis the application of H.264 in the 3G from two aspests of compression efficiency and network suitability.
Keyword:H.264;Video code;Video monitoring;Network suitability;3G
一、引言
视频监控系统随着计算机处理能力的提高及视频技术的发展,已成为现代安全防范系统中的重要组成部分。新一代移动视频监控系统充分利用了计算机的高速数据处理能力对视频进行采集和处理,以无线网络为载体进行传输,并利用显示器的高分辨率实现图像的显示。随着无线通讯技术的发展,第三代移动通信系统以其多媒体化和智能化等特点,支持高速率的多媒体业务。基于3G无线网络的传输方案也逐渐成为监控传输组网的主要方案[5],这为实时监控视频信号的传输提供了很好平台。而对于3G无线信道的固有特性,为了在尽可能低的存储空间下获得较好的图像质量以及在有限的带宽下快速地传输图像,新一代视频编码标准H.264在保证同样的图象质量前提下,将压缩比提高了一倍,解决了视频压缩效率和实时传输之间的矛盾。
二、H.264视频编码标准及原理介绍
H.264是由ITU-T和ISO/IEC的联合视频组制定的新一代视频编码标准,其正式名称为H.264/MPEG-4 part 10 AVC。较之以往监控系统中采用的H.263等技术,H.264引入了多种新技术,在编码效率、网络适应性及差错恢复能力等方面得到很大改善。其整个编码过程是将视频帧的宏块与预测值P相减的残差块进行变换、量化、重排序、熵编码,形成压缩码流,以供传输和存储。
(一)H.264视频编码标准的特点
H.264标准是目前最先进的视频编码技术,在保证同等图像质量条件下,H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG-4的1.5～2倍。因此,H.264被普遍认为是最有影响力的标准。其主要特点包括[1]:
1.运动估计和变换编码基于多种尺寸的块,运动矢量的预测具有多种模式;
2.具有很好的网络适应能力,在视频会议等实时通信领域中得到广泛应用;
3.采用了DCT整数变换,量化和后滤波也都用整数来实现,即降低了计算复杂度;
4.采用后滤波处理去除块效应,同时提高运动补偿的效率;
5.可以有两种熵编码器:统一的变长编码器和基于内容的自适应二进制算术编码
(二)H.264的基本编码结构
与早期的视频编码标准相同,H.264标准没有明确定义一对完整的编解码器,而是定义了编码码流的语法和对码流进行解码的方法,采用了与以往标准类似的运动估计/补偿+分块DCT变换的混合编码框架。在以往视频标准的基础上,H.264加入了一些新的特性,使之与与H.263等标准相比具有较大的优势,主要体现在以下四个方面:
1.将每个视频帧分离成由像素组成的块,使得视频帧的编码处理过程可以达到块的级别
2.采用空间冗余的方法,对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和熵编码
3.对连续帧的不同块采取临时存放的方法,这就只需要对连续帧中改变的部分进行编码
4.采用剩余空间冗余技术,对视频帧里的残留块进行编码
三、3G系统及信道特性
较之2G(GSM)系统,3G系统应用了高度复杂的无线链路技术,使得3G系统的无线空中接口技术得到提高,但由于无线信道固有的特性,使得在3G环境下的视频传输面临着许多问题,如:带宽波动、信道资源有限且误码率高、移动终端设备简单等。
四、H.264在3G网络中的应用
针对3G通信系统特有的信道资源有限、误码率高等特点,以下从H.264视频流编码的压缩效率和网络适应性两个方面分析和讨论在H.264编码技术在3G网络中的应用。
(一)适用于3G的H.264编码技术
1.帧内预测编码。帧内编码是用来缩减图像的空间冗余的。为了提高H.264帧内编码的效率,在给定帧中充分利用相邻宏块的空间相关性,因为相邻的宏块通常含有相似的属性。
2.帧间预测编码。帧间预测编码是指P片和B片中的运动预测补偿。由于采用了多种独特的技术,使压缩效率明显提高。
3.整数变换。H.264使用了基于4×4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,有效地避免了反变换的失配问题。
4.量化。H.264中可选32种不同的量化步长,且是以12.5%的复合率递进的,而不是一个固定常数。
(二)H.264视频流在3G中的传输适应性[3]
在系统层面上,H.264提出了一个新的概念,在视频编码层(VCL)和网络提取层(NAL)之间进行概念性分割,前者是视频内容的核心压缩内容之表述,后者是通过特定类型网络进行递送的表述,这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。在作为3G标志的多媒体应用中,大多以分组交换的方式来进行,NAL单元往往以RTP包的形式按照RTP/UDP/IP协议进行封装和传输。无线通信中可以通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道中的比特率变化。但在某些特定的情况下,编码器无法实现对各种变化的比特率进行响应。所以,与MPEG-4中采用的精细分级编码FGS不同,H.264采用了流切换的SP帧来代替分级编码,并利用数据分割的方法来应对信道码率的变化,从而实现在不同码率的视频流之间进行自适应地切换,这就增强了H.264视频流对3G网络的适应性。
五、结束语
作为新一代的视频压缩标准,H.264是面向Internet和无线网络的视频编码和传输的技术,它不仅增强了网络的适应能力,而且提高了压缩编码效率,从而实现了在相同的码率条件下获得更高的视频传输质量。本文结合3G无线网络的固有特性,系统地分析了H.264视频压缩技术的原理以及它在3G视频监控系统中的应用优势。虽然H.264相对于相传统的视频压缩标准而言有着诸多的优点,但却增加了视频编码的计算复杂度。因此,在保证高效率编码的同时,尽可能地降低计算复杂度将成为今后研究的重点。
参考文献:
[1]肖明明.IP网视频容错技术的研究[D].广州:中山大学,2003
[2]毕厚杰.新一代视频编码压缩标准H.264/AVC[M].北京:人民邮电出版社,2005
[3]骆峰,何晖.H.264编码技术在3G移动通讯中的应用[J].景德镇高专学报,2008,6
[4]Joint Video Team (JVT) of ISO/ IEC MPEG and ITU-TVCEG,H.264 JM-9.3 Sof tware.
作者简介:
顾继业(1986-),男,硕士研究生,研究方向通信网络与信息安全技术;
刘真祥(1955-),男,教授,硕士生导师;
金葆华(1984-),男,硕士研究生,研究方向信息安全与密码学;
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