硕士论文-基于移动通信技术的视频监控系统研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文 基于移动通信技术的视频监控系统研究 姓名 邵亮 申请学位级别 硕士 专业 电子与通信工程 指导教师 朱琦 20081201 南京邮电大学t 程硕十研究生学位论文摘要 摘要 I n t e r n e t 和移动通信是目前信息技术的两大热点技术 移动互联网正是这两大热点 技术的结合 而可移动的个人多媒体业务则被认为是未来信息交流的主要特征 基于移动 设备的安全监控就属于可移动的个人多媒体业务的一个重要的应用方向 随着人们安全意 识的提高 视频安全监控的应用越来越广泛 但是传统的安全监控系统已无法满足各种新 的需求 像传统的监控系统需要大量的网络线路 客户端要求比较高 使用不方便等等 然而近年来 随着移动通信技术的不断发展 网络接入速度的飞速提升 移动终端的越趋 智能化 以及数字压缩技术的日益优化 移动终端己从简单的通信 联络工具 发展为一 个多媒体智能平台 与此同时 传统的彩信 图铃下载等增值业务已无法满足用户的需求 移动流媒体的出现将改变这种状况 它能为用户提供包括移动视频点播 移动视频聊天 移动视频监控等服务 于是人们开始需求利用掌上电脑 P D A 或智能手机 S m a r lP h o n e 进行监控 它最大的优越性就在于它的实时性和方便性 例如用户出差在外也能够看到办 公室或家中的情况 并能在发生紧急情况进行报警和通知用户 移动流媒体是移动通信和 流媒体传输的结合 它通过移动网络在移动终端上采用流媒体技术进行数据传输 然而 移动终端的多样性 无线网络的波动性以及移动终端的处理能力有限这些因素制约了移动 流媒体的发展 需要研究相应的技术来解决这些问题 本文首先介绍移动视频监控系统的发展状况 并对其中所涉及到的主要技术进行较为 深入的研究 主要包括目前比较流行的几种视频压缩编码协议以及在G P R S 网络实现视频 监控所涉及的移动传输技术和协议的改进 其次 基于山东网通宽视界平台 研究了移动 视频监控系统的整体架构 为了提供更好的服务与移动通信网络 我们采用了动态多码率 技术 无线码流自适应技术和Q O S 控制技术 最终 在网通宽视界平台上结合G P R S 和 无线分组网络进行测试 给出了实验数据和分析 实验表明 基于网络状况的码流率自适 应控制能较好地解决无线网络情况下的视频传输问题 获得较好的图像质量 关键词 移动流媒体 动态多码率 Q O S 视频监控 南京邮电大学T 程硕士研究生学位论文 摘要 A b s t r a c t I n t e r n e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o na t ec u r r e n th o tt o p i ci nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya r e a M o b i l eI n t e r n e tt e c h n o l o g yi st h ec o m b i n a t i o no ft h ea b o v et w ot e c h n i q u e s w h i c hh a st h e f e a t u r eo ft h em o b i l ep e r s o n a lm u l t i m e d i as e r v i c e A n dt h es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h e r e m o v a b l ep e r s o n a ld e v i c e si sa i li m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf o rt h em o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e W i t h t h ei m p r o v e m e n to ft h es a f e t ya w a r e n e s s t h eu s eo ft h es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ev i d e o i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d B u tt h et r a d i t i o n a ls e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sn o t e n o u g ht os a t i s f ya l lk i n d so fn e wd e m a n d s s u c ha st h el a r g en u m b e ro fn e t w o r kw i r e sa n dh i g h l e v e lc l i e n t s H o w e v e r w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ed a t ar a t eo f t h en e t w o r kr i s e ss h a p e l y A n dt h em o b i l ed e v i c ew i t hd i g i t a lc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yi sc h a n g e d f r o mas i m p l ec o m m u n i c a t i o nd e v i c et oam u l t i m e d i ai n t e l l i g e n tp l a t f o r m A tt h es a m et i m e t h e v a l u e a d d e ds e r v i c e s s u c ha sm u l t i m e d i am e s s a g ea n dS Oo n c a nn o tf u l f i l lt h ed e m a n d so f c u s t o m e r so fa l lk i n d s T 1 1 ea d v e n to fm o b i l es t r e a m i n gm e d i aw i l lc h a n g et h ea b o v ec o n d i t i o n w h i c hC a np r o v i d eu s e r s 析t l lm a n ys e r v i c e ss u c ha sv i d e oo nd e m a n d V O D m o b i l ev i d e oc h a t a n dm o b i l ev i d e om o n i t o r i n ga n dS OO i l S op e o p l eb e g i nt ou s eP D Aa n dS m a r tP h o n et om o n i t o r w h i c hh a st h ef e a t u r eo ft h er e a l t i m ea n dc o n v e n i e n c e F o re x a m p l e w h e nt h eu s e ri so u t h e C a ns t i l lm o n i t o rh i so f f i c ea n dh o m e a n dh eC a na l s og i v ea na l a r ma tt h ee m e r g e n c y M o b i l e s t r e a m i n gm e d i a i st h ec o m b i n a t i o no ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o na n ds t r e a m i n gm e d i a t e c h n o l o g y w h i c ht r a n s m i t sd a t au s i n gs t r e a m i n gm e d i at e c h n i q u ei nt h em o b i l et e r m i n a l s t h r o u g ht h ew i r e l e s sn e t w o r k s H o w e v e r i ti sar e s t r i c tf o rt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l es t r e a m i n g m e d i at h a tt h em o b i l et e r m i n a li sd i v e r s e t h ew i r e l e s sn e t w o r ki sf l u c t u a n ta n dt h ep r o c e s s i n g c a p a b i l i t yo fm o b i l et e r m i n a l si sl i m i t S ow eh a v et od e v e l o ps o m eat e c h n o l o g yt or e s o l v et h e s e p r o b l e m s I nt h i sp a p e rw ef i r s t l yi n t r o d u c et h ec u r r e n td e v e l o p m e n tf o rm o b i l ev i d e om o n i t o r i n g s y s t e ma n dd e l v ei n t os o m ek e yt e c h n o l o g i e si nt h i sr e s e a r c ht o p i c i n c l u d i n gc u r r e n tm a i nv i d e o c o m p r e s s i o nc o d i n gp r o t o c o l s t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ea n dp r o t o c o li m p r o v e m e n t f o rt h e i m p l e m e n t so fv i d e om o n i t o r i n gi nt h eG P R Sw i r e l e s sn e t w o r k s T h e nb a s e do nt h e K u a nS h i J i e p l a t f o r mo fS D C N C w es t u d i e dt h ew h o l ef r a m e w o r ko ft h em o b i l ev i d e om o n i t o r i n g s y s t e m W ep r o p o s ea l li m p r o v e ds c h e m eu s i n gt h ed y n a m i cm u l t ir a t et e c h n o l o g y a d a p t i v e w i r e l e s sa n dQ o S i no r d e rt od ob e t t e rj o b sf o rw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k s F i n a l l y w ew i l lg i v e y o us o m ea n a l y s i sr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai nt h ea b o v ep l a t f o r m T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s w h i c ha r eb a s e do na d a p t i v ec o d er a t ec o n t r o ls c h e m ei nt h ed i f f e r e n tn e t w o r ks t a t u s s h o wt h a tt h ei m a g eq u a l i t yc a nb ei m p r o v e dd u et ot h er e s o l u t i o no ft h ev i d e ot r a n s m i s s i o n p r o b l e m i nt h ew i r e l e s sn e t w o r k s K e y w o r d s M o b i l es t r ea m i n gm e d i a D y n a m i cm u l t ir a t et e c h n o l o g y Q o s V i d e om o n i t o r i n g 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也 不包含为获得南京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 弘日期 丝堕丛 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保 留本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印 或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和i 纸质论文的内容 相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊 登 授权南京邮电大学研究生部办理 研究生签名 弘导师等名 南京邮电大学T 程硕 J 研究生学位论文第一章移动视频监控技术概述 第一章移动视频监控技术概述 1 1 移动视频监控系统概述 视频监控以其直观 方便 信息内容详实被广泛应用于生产和安全等领域 从最初阶 段的模拟闭路电视 数字网络监控到今天的嵌入式网络监控 视频监控技术的发展与信号 处理技术 电子技术 通信技术的发展息息相关 近年来 随着通信技术的发展 利用无 线方式传递视频信号的移动视频监控系统成为研究的热点 与传统固定网有线方式相比 采用无线方式可以对地理位置变化或处于运动中的监控点实现实时监控 其组网更加灵 活 可以满足不能架设线路的监控点 如移动中的车辆 轮船 的监控需求 这是其他监 控方式所无法替代的 移动视频监控可以用于金融 交通 公安 国防等具有移动监控需 求的行业 具有广泛的应用前景 移动视频监控业务改变了原有视频监控的实现方式 扩 展了视频监控市场的应用领域 移动视频监控系统与传统监控系统相比较 其主要特点在 于移动性 即 通过无线方式实现对地理位置可移动监控点的视频监控 目前无线方式主 要分为卫星 W L A N 无线局域网 与W W A N 无线广域网 其中 卫星可用于跨越 国界甚至洲际间的远程监控 其链路具有相对高的带宽 但山于监控系统的数据通信需借 坳运行在地球轨道中的卫星 链路延迟高 另外 卫星通信方式费用高昂 设备复杂 一 般清况很少采用 W L A N 主要实现小范围的移动监控 如在一个建筑物内部 W L A N 中 数据传输速率可以高达1 0 M b t s 以上 并月延迟仅有几个毫秒 在移动监控系统的监 控点分布广泛 活动区域大时 W L A N 显然不适用 相比之下 采用W w A N 方式 可 以使用G S M G P R S C D M A 作为通信平台 其优点在于 信号覆盖范围广 建设费用 低 运行成本低 灵活性高 采用W W A N 方式实现视频监控成为当今移动视频监控系 统研究的热点 1 2 移动视频监控系统发展现状 2 0 0 2 年 G P R S 网络服务在全国大部分地区实现 为基于W W A N 的移动视频监控 系统提供了可实际应用的传输平台 2 0 0 2 年7 月 西门子公司发布第一块工业化G P R S 模 块 随后各大通信设备制造厂商如W A V C O M M O T O R A L A 等均推出了各自的G P R S 模 块 G P R S 的应用进入实用化 国内对移动视频监控的应用研究也从同一时期开始 而且 到目前己纷纷推出各自的产品 截上到2 0 0 4 年底这些产品基本处在同一水平 即 均沿 1 南京邮电大学工程硕十研究生学位论文第一章移动视频监控技术概述 用了传统网络监控系统中的设计方式与思路 与传统网络监控方式的主要区别在于移动视 频监控终端实现中采用了基于G P R S C D M A I X 的无线M O D E M 由于无线传输与有线 传输存在很大差异 纵观国内各种移动视频监控系统的监控终端产品 我们可以发现主要 存在以下问题 l 网络资源利用不高 目前 国内各种移动视频监控终端产品的数据传输协议均沿用了传统的有线网传输协 议 这些协议在信道稳定的有线网络被证明是有效的 由于无线传输采用的信道具有误码 率高 延迟大 延迟抖动大等特胜 有线网络传输协议对此缺少相应的处理机制 单纯沿 用传统有线网传输协议将造成视频传输质量不高和带宽有效利用率低带来的无线网络资 源浪费 2 无线链路自适应性差 移动视频监控系统中 监控点地理位置的变化将会带来无线链路传输胜能的变化 如 从高速小区进入低速小区 短暂进入网络覆盖盲区等 这些将造成链路分组传输能力急剧 下降甚至出现短暂的传输中断 系统对无线链路自适应性差必将造成系统整体性能的下 降 3 价格昂贵 由于缺乏对核心技术的研究 造成部分硬件设计能力远大于实际应用需要 不仅造成 资源的浪费 而且使得移动视频监控系统价格十分昂贵 综上所述 在移动视频传输中加 强对无线链路的自适应性 进而提高网络资源利用率 提高移动视频监控终端的性价比成 为当今移动视频监控系统设计中急待解决的关键问题 1 3 课题研究目的及意义 随着我国移动通信系统的快速发展 当前移动网络的承载业务重心正由传统语音业务 逐步转向数据业务 在中国己经建成了G P R S C D M A l X 两个覆盖范围遍及全国大部分 地区的2 5 G 移动通信系统 这两个无线网络均是典型W W A N 网络 与传统移动通信系 统 G S M 相比较 2 5 G 通信系统属于2 G 系统到3 G 的发展过渡阶段 它采用分组交 换方式代替传统电路交换方式 可提供更高的数据传输带宽 同时 随着国内人1 3 的增长 和经济的发展 我国己逐步进入汽车文化时代 由汽车引发的安全问题已不容忽视 这为 基于W W A N 的移动视频监控应用提供了更广阔的前景 目前 国内虽然出现了众多的移动视频监控系统 但在移动视频通信上只是采用现有 南京邮电大学工程硕十研究生学位论文第一章移动视频j 控技术概述 通信技术 缺乏对G P R S 实际应用的深入研究 同时 由于各生产厂商缺少核心技术 行业整体水平不高 产品价格昂贵 使得移动视频监控应用范围受到很大限制 延缓了本 行业的发展 同时 由于无线网络传输协议与链路适应性问题不仅存在于当前2 5 G 移动通信系统 即将建设的3 G 系统也同样存在此问题 且3 G 的建设是个逐步发展过程 3 G 与2 5 G 在 一个较长时期内将同时存在 因此对该问题的解决对于现在乃至将来都有实际的应用价 值 基于W W A N 的移动视频监控系统实现的关键问题是视频传输 由于当前的移动通信 系统总体处于2 5 G 可提供的数据传输速率及服务质量十分有限 成为视频传输的瓶颈 因此 提高带宽利用率是解决目前移动视频监控系统视频传输质量的主要途径和方法 本课题主要针对视频编码技术 移动视频监控系统的传输协议与对无线网络链路的适 应进行研究 通过研究 提高无线网络资源的利用率 进而改善移动视频监控系统自身整 体性能 同时 本课题还针对传输协议存在问题以及针对移动传输网络实际应用中存在 Q O S 控制进行研究 使得我们能够深入了解移动视频监控系统中的核心技术 从而设计出 性价比高的移动监控系统 对促进移动视频监控应用领域的扩展及整个行业的进步都具有 重要意义 1 4 本文的安排 本论文的主要工作是研究如何在山东网通宽视界平台上实现移动视频监控 为全业务 运营做好准备 本文的主要任务是提出科学的 切实可行的移动视频监控系统实施方案 解决当前移动视频监控系统存在的问题 具体内容安排如下 第一章简单介绍了移动视频监控技术 第二章介绍了视频压缩原理及技术 第三章介绍了对移动视频监控系统传输设计方案 第四章着重介绍了山东网通宽视界组网的方案 第五章着重介绍了动态多码率及自适应控制技术 南京邮电大学T 程硕士研究生学位论文第二章核心技术研究 第二章核心技术研究 2 1 视频压缩技术概述 自1 9 4 5 年C E S h a n n o n 提出信源编码理论以来 人们对图像压缩编码技术进行了广泛 的研究 经过近六十年的研究和发展 出现了大量的视频压缩技术和方法 包括预测编码 矢量编码 变换编码 俏编码 基于对象的形状编码以及小波变换编码 分形编码等 根据 视频压缩方法所采用的信源模型 这些压缩技术可以分为两大类 基于内容的编码方法和基 于波形的编码方法 基于内容的编码先将视频帧分成对应于不同物体的区域 然后分别对其进行编码 具体 说来 即对不同物体的形状 运动和纹理进行编码 在最简单情况下 利用二维轮廓描述物 体的形状 利用运动矢量描述其运动状态 而纹理则用颜色的波形进行描述 当已知视频序 列中的物体种类时 可采用基于知识或基于模型的编码 当已知物体的可能类型和行为 如 人脸的高兴 生气 悲伤等表情 时 可采用语义编码 在这种情况下 只需要对描述物体 行为的少量参数进行编码即可 而且 由于物体本身可能的行为数目非常小 因而可获得非 常高的编码效率 基于波形的编码采用了把预测编码和变换编码组合起来的基于块的混合编码方法 为 了减少编码的复杂性 使视频编码操作易于执行 采用混合编码方法时 首先把一幅图像分 成固定大小的块 例如块8 x 8 即每块8 行 每行8 个象索 块1 6 x 1 6 每块1 6 行 每行1 6 个 象素 等等 然后对块进行压缩编码处理 基于内容的编码方法侧重于消除视频序列的视觉冗余 结构冗余和知识冗余 可获得 很高的压缩比 但是 由于技术的高复杂性而往往难于实际应用 基于波形的编码方法基于 象素 在消除视觉冗余的同时还侧重于消除视频序列的时间冗余 空间冗余以及统计冗余 虽然压缩比受到一定的限制 但方法简单 易于实际应用 因此 目前基于块的混合波形编 码方法得到了更为广泛的应用 下面讨论其基本原理 2 2 视频压缩原理 原始数字视频中包含大量的冗余信息 这些冗余信息主要可分为三类 1 视觉冗余 人眼视觉系统 H V S H u m a n V i s u a lS y s t c m 对亮度和色度的不同心 理反映导致 4 南京邮电大学工程硕七研究生学位论文第二章核心技术研究 2 时域和空域冗余 视频序列在时间和空间上具有很强的连续性和相关性导致 3 统计 熵 冗余 平均编码长度和信源嫡之间的偏差导致 此外 对于某些特殊类型的视频 可能还存在结构冗余和知识冗余等其他形式的数据 冗余 视频压缩编码的主要目的是尽可能消除这些冗余 主要方法包括 1 空间采样 人眼视觉系统由于其频率响应随着空闻频率的增长而降低 因此对色差信号的敏感性 不强 利用这一特点 可以在原始数据格式 亮度Y 色度C b 色度C r 4 4 4 的 基础上对C b 和C r 在水平方向进行2 1 降采样或者在水平和垂直方向分别进行2 1 降采样 分别得到采样格式为4 2 2 和4 1 1 通常记为4 2 0 的数据 从而 使数据量分别降低3 3 和5 0 达到压缩数据量的目的 2 时间预侧和空间预侧预测编码是数据压缩最有效的手段之一 视频中一帧图像内的数据相关性使得对于某个数据块可以利用其相邻块的数据信息进 行预测 仅保留原始象素与预测象素之差 从而减小或消除空间冗余 视频中相邻图像帧之 间的时间相关性使得数据块可以利用其相邻图像帧进行预测 仅保留原始象素与预测象素之 差 消除或减小空间相关性 3 变换和量化 消除视频图像空间相关性更有效的手段是采用频域变换 其主要思想是通过正交变换 进行多维坐标系的旋转 把散布在各个原坐标轴上的数据点集中到新坐标系的少数坐标轴 上 常用的变换方法有K L 变换 D F T 变换 D C T 变换 H a d a m a r d 变换和小波变换等 其中K L 变换是最优变换 但由于变换矩阵依赖于图像数据 从而反变换矩阵不唯一 不 利于实现 因此通常采用D C T 变换和较为简单的H a d a m a r d 变换 研究表明 在相邻象 素间的相关系数逼近1 时 D C T 变换的性能接近K L 变换 考虑到硬件实现的简单性 在 最新的视频标准中还采用了基于D C T 变换的整数变换 虽然变换本身并没有数据压缩的效 果 但实现了在变换域内数据的最大不相关 在变换之后 低频信息集中在坐标原点附近 利用人眼视觉系统对高频信号不敏感的 特点 通过量化的方法使得高频信号为零 减少数据量 量化过程利用人眼视觉系统对不同 亮度区域的敏感性不同对数据的取值范围进行限制 在保证输出图像质量的前提下 实现对 数据的压缩 4 熵编码 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文第二章核心技术研究 主要是利用信息熵理论 实现变长编码 即对出现概率大的符号用较短的码字表示 对出现概率小的符号用相对长的码字表示 主要的消编码方法包括H u f f m a n 编码 算术编 码以及指数哥伦布 E x P o l o m b 编码 其中H u 仟m a n 编码是最优的 但在实际应用中需 要对信源概率分布进行统计 不利于实现 算术编码通过将数据映射为 1 和1 之间的一个 位置进行编码 指数哥伦布码采用对称码的形式实现 较为简单 在实际视频编码中 通常将上述消除冗余方法相结合 实现基于块的混合编码 以期 达到最佳编码效果 2 3 数字视频压缩标准 上世纪8 0 年代以来 视频编码技术的发展大大推动了多媒体技术和应用的发展 为使 各种应用系统实现兼容 能够互联互通 各企业联盟 标准组织和专门化标准委员会就新技 术的规范化制定了一系列的标准 其中国际标准化组织 国际电工委员会 I S O I E C 下的 运动图像专家组 M P E G 专门负责制定多媒体领域的相关标准 M P E G X 主要应用 于存储 广播电视 因特网以及无线网络流媒体等 国际电信联盟 I T U 则成立了视频编 码专家组 V C E G 制定面向实时视频通信领域的视频编码标准 H 2 6 L 如视频电话 电视会议等 此外 这两个国际标准组织还成立了联合视频专家组 J v T 共同制定了目 前得到广泛应用的M P E G 2 H 2 6 2 视频标准 并在2 0 0 3 年联合推出了最新一代数字视 频压缩标准H 2 6 4 A V C 2 0 0 2 年中国开始制定自己的数字音视频编解码标准A V S A u d i o a n dV i d e oS t a n d a r d 1 H 2 6 1 标准 H 2 6 1 标准是I T U TV C E G 制定的第一个主流视频压缩标准 主要针对双工视频会议 应用 是为支持带宽为4 0 K b P s 一2 M b P s 的I S D N 网络而设计的 该标准基于块的运动补 偿与D C T 变换相结合的棍合视频编码方法 是此后I T U T I S O 等制定的一系列视频编 码标准的基础 H 2 6 1 标准的主要技术特征包括 支持C I F 3 5 2 2 8 8 和Q C I F 1 7 6 1 4 4 两种分辨率 采样格式为4 2 0 考虑到实时双向视频应用 仅允许采用I 帧与P 帧 而不允许B 帧 采用1 6 1 6 宏块运动补偿 将帧图像划分为1 6 1 6 象素的宏块 将一个宏块划 分为4 个8 8 的亮度块和两个8 8 的色度块 使用整象素前向运动补偿 减少 时间冗余 运动矢量的范围限制在 1 6 个象素点内 南京邮电大学T 程硕十研究生学位论文第二章核心技术研究 采用8X SD c r 变换和线性分级量化 用步长为8 的均匀量化器量化帧内模式的D C 系数 用步长为2 至6 2 的近似均匀量化器量化帧内模式的A C 系数和帧间模式的 D C T 系数 采用变长编码 采用环路滤波对运动补偿预测信号进行低通滤波 以降低图像的块效应 2M P E G 1 标准 M P E G 一1 标准是l S O I E CM P E G 专家组在1 9 9 1 制定的第一个数据压缩标准 其目标 是将数字视频信号及伴音在一个可以接受的质量下压缩到位速率约为1 5 M b P s 的数据流 M P E G 一1 标准广泛应用于C D R O M I S D N 和局域网等 M P E G 1 包括系统 视频 音频 和一致性测试等部分 M P E G 1 在技术上与H 2 6 1 相比有如下区别 采用1 2 象素双向运动补偿 运动矢量的范围扩大到场4 个象素点内 采用了I 帧 P 帧和B 帧三种帧类型 提出了完善的B 帧理论 提出了图像组 G r o u po fP i c t u r e G O P 结构 实现了视频快进 快退和慢放功能 以及随机存储功能 一定义了一个特殊的编码参数子集 称为约束参数集 C o n s t r a i n e dP a r a m e t e rS e t C P S 可以用来限制解码器复杂度 缓冲区大小以及存储带宽 一不支持环路滤波和隔行扫描 3 M P E G 2 H 2 6 2 标准 M P E G 2 H 2 6 2 标准由I S O I E CM P E G 专家组和I T U TV C E G 专家组联合制定 被两个组织分别命名为M P E G 一2 和H 2 6 2 M P E G 一2 专门针对数字电视而开发 是迄今 为止最成功的视频压缩标准 应用范围除了作为存储媒体中的D V D 还可为有线电视网 电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频 与M P E G 1 类似 M P E G 2 包含了系统 视频 音频等共9 个部分 其视频部分做了如下改进 I I 运动补偿采用1 6 1 6 及1 6 8 可变宏块大小 允许D C T 系数有其他的扫描方式 如垂直交替扫描 定义了档次 P r o f i l e 和级别 L e v e l 对各种不同语法子集进行了规范 支持分层编码 视频编码数据流分为基本层和增强层 分别编码 一 支持隔行扫描 同时支持4 2 2 以及4 4 4 采样格式 4H 2 6 3 标准 南京邮电大学T 程硕士研究生学位论文第二章核心技术研究 H 2 6 3 标准是I T U T 关于比特率低于6 4 k b p s 的窄带通道 例如公共模拟电话网 的视频编码建议 H 2 6 3 基干H 2 6 1 的编码框架 为适应极低码率传输的要求 逐步引 入了复杂性和编码效率都较高的算法 其发展分三个阶段 H 2 6 3 H 2 6 3 和H 2 6 3 与H 2 6 1 相比 H 2 6 3 在编码技术上做了如下改进 采用了双向预测 当前帧不仅可以利用前面一帧进行预测 同时可以利用后面一帧 进行预测 运动补偿精度由整象素提高到1 2 象素 1 2 象素通过双线性内插计算得到 并且采 用非限制运动矢量 允许运动矢量指向图像外界 一采用3 D 变长编码 提高对D C 系数的编码效率 支持更多的图像格式 除了支持C I F Q C I F 之外 还支持S u b Q C I F 格式 5M P E G 4 标准 在M P E G 1 M P E G 2 之后 M P E G 4 专家组在19 9 9 年正式发布了一个适用于低传 输速率应用的视频编码方案 M P E G 4 标准 M P E G 4 不再是M P E G 2 的简单升级 与 先f j 的标准相比 M P E G 4 的设计目标还有更广的适应性和可扩展性 M P E G4 试图达到 两个目标 即低比特率下的多媒体通信和跨工业多媒体通信的综合 M P E G 4 的主要突破在于引入了 A V 对象 A u d i oV i s u a lO b j e c t s 的概念 编码是 基于对象的 即M P E G 4 中的场景都是由许多 A V 对象 按照一定的坐标和层次组织起 来的 存储 传输时也围绕着A V 对象进行 这使其具有了已往标准所没有的交互性和灵 活性 更适合于交互式的音视频服务以及远程监控 基于对象的M P E G 叫4 编码特点主要表现在 可以对不同的对象分配不同的码率 重要的 用户感兴趣的对象可以分配较多的比 特数 次要的 用户不感兴趣的对象可以分配较少的比特数 这样在传输带宽较小 的情况下可以保证最优的图像质量 视频对象可以包含多层来实现分级编码 视频从基本层开始 再加上一定数量的增 强层 可以根据需要和传输情况来伸缩性地进行编码 对于某些特定应用不使用视频对象 原因是产生视频对象的难度和相关开销很大 而用传统的方法也足以达到效果 无限制的运动矢量 支持对象部分超出帧边界的预测 增加了容错功能 以支持丢包情况下的恢复 包括片断重同步 数据分割 可逆变 长码 新预测等 南京邮电大学1 程硕十研究生学位论文第二章核心技术研究 在M P E G 4 之后 M P E G 组织推出了M P E G 一7 版本 但M P E G 7 严格说来只是 一个多媒体内容描述接1 3 而不是一种压缩编码方法 M P E G 一7 的目标是能够快速且有效 地搜索出用户所需的不同类型多媒体材料 标准于2 0 0 1 年最终定稿完成并公布 6 H 2 6 4 标准 虽然M P E G 系列标准提供了较高的视频压缩性能 但是由于当前网络带宽还不够 无线通讯信道误码率较高 应用系统对稳定的低码率视频信号的需求仍然没有得到解决 为 此 2 0 0 1 年1 1 月 由I T U T 和I S O I E C 组成的联合工作组岍开始制订H 2 6 4 A V C 视频压缩标准 该标准被I T U T 和I S O I E C 分别命名为H 2 6 4 和M P E G 4A V C A d v a n c eV i d e oC o d i n g 通常记做H 2 6 4 A V C 于2 0 0 3 年正式发布 H 2 6 4 A V C 作为 新的视频压缩标准 除了继承了现有标准的优点外 还具有以下特点 低码率高质量 由于引入了多达7 种的宏块划分模式和1 4 象素精度运动估计和补 偿 压缩率有较大的提高 在相同质量的情况下 H 2 6 4 相对于M P E G 一2 的S i m p l eP r o f l l 可以节约4 0 5 0 的码率 同样 在相同码率情况下 可以得到更高的视频质量 具有较好的抗误码能力 H 2 6 4 在制定时 针对分组交换网如I n t e r n e t 中的分组丢 失和无线网络中比特误码都设计了相应的工具 使得H 2 6 4 在这些网络中传播时具有较好 的抗误码性能 具有较强的网络自适应能力 为了适应应用环境的多变性 H 2 6 4 的设计包 括了一个视频编码层 V C L V i d e oC o d i n gL a y e r 和一个网络抽象层 N A L N c t w o r k A b s t r a c t i o nL a y e r V C L 用于高效率地表示视频内容 N A L 用于格式化视频的V C L 表示 并提供合适的头信息以便适应不同的传输层和储存媒介 提供了友好的网络接口 使得H 2 6 4 比特流可以方便的在不同的网络上传输 除了I T U 与l S O 开发的行业标准外 还出现了几种专用于因特网流媒体应用且广受欢 迎的专有解决方案 其中包括R e a lN e t w o r k SR e a lV i d e o R v l0 M i c r o s o f tW i n d o w sM e d i a V i d e o W M V 9 系列 O N 2 V P 6 以及N a n c y 等 2 0 0 3 年9 月 微软公司向电影与电视 工程师学会 S M P T E 提议在该机构的支持下实现W M V 9 位流与语法的标准化 该提议 得到了采纳 现在W M V 9 已经被S M P T E 作为V C I 实现标准化 7A V S 标准 A V S 标准是 信息技术先进音视频编码 系列标准的简称 工作组由国家信息产 业部科学技术司于2 0 0 2 年6 月批准成立 A V S 标准包括系统 视频 音频 数字版权管 理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑标准 A V S 系列标准中 视频标准包括两部分 面向数字电视应用的A V S 视频标准 P a r t2 和面向移动媒体应用的A V S M 移动视频 南京邮电大学T 程硪士研究生学位论文 第二章核心技术研究 标准 P a r t 7 其中A V S 视频标准已于2 0 0 6 年2 月正式批准为国家标准 G B 1 2 0 0 0 9 0 2 2 0 0 6 A V S M 移动视频标准于加0 4 年6 年开始制定 在制定过程中充分考虑了在资源有限 处理能力有限的嵌入式移动终端上的实现问题 同时考虑到移动视频尺寸较小的特点有针对 性地进行算法设计 2 0 0 6 年4 月 A V S M 移动视频标准正式通过评审专家的审定 上报国 家标准化委员会 目前 可以用于移动视频压缩的国际标准主要是M P E G 2 M P E G 4 和 H2 6 4 A V C 与之相比 A V S M 的优势主要体现在以下方面 A V S M 提出较晚 充分吸纳和参考了已有视频标准中比较优秀的算法 在编码性能上要 优于M P E G 2 和M P E G 4 比H2 6 4 A V C B a s e l i n e P r o f i l e 性能稍差 但在移动应用的 低码率条件下与H2 6 4 A V C B a s e l i n eP r o f i l e 性能相当 且实现复杂性要大太低于 H2 6 4 A V C 2 4M P E G 2 M P F 掂 4 I L2 6 4 与A V S 标准对比分析 1 技术对比 A V S 视频与M P E G 标准都采用混合编码框架 见图 包括变换 量化 嫡编码 帧内预测 帧问预测 环路滤波等技术模块 这是当前主流的技术路线 A V S 的主要创新 在于提出了一批具体的优化技术 在较低的复杂度下实现了与国际标准相当的技术性能 但 并未使用国际标准背后的大量复杂的专利 A V S 视频当中具有特征性的核心技术包括 8 x 8 整数变换 量化 帧内预测 1 4 精度像素插值 特殊的帧间预测运动补偿 二维嫡编 码 去块效应环内滤波等 叫 E 下i 蕞事l 圈 r L r i工 厂 固掣 薏 图2 1 典型视频编码框架 1 0 南京邮电大学工程硕七研究生学位论文 第二章核心技术研究 A V S 视频编码器框图如下图所示 图2 2A V S 视频编码器框图 A V S 视频标准定义了I 帧 P 帧和B 帧三种不同类型的图像 l 帧中的宏块只进行 帧内预测 P 帧和B 帧的宏块则需要进行帧内预测或帧间预测 图中S 0 是预测模式选择 开关 预测残差进行8 8 整数变换 I C T 和量化 然后对量化系数进行z i g z a g 扫描 隔 行编码块使用另一种扫描方式 得到一维排列的量化系数 最后对量化系数进行嫡编码 A V S 视频标准的变换和量化只需要加减法和移位操作 用1 6 位精度即可完成 A V S 视频标准使用环路滤波器对重建图像滤波 一方面可以消除方块效应 改善重建 图像的主观质量 另一方面能够提高编码效率 滤波强度可以自适应调整 A V S 标准支持多种视频业务 考虑到不同业务之间的互操作性 A V S 标准定义了档次 p r o f i l e 和级别 1 e v e l 档次是A V S 定义的语法 语义及算法的子集 级别是在某一 档次下对语法元素和语法元素参数值的限定集合 为了满足高清晰度 标准清晰度数字电视 广播 数字存储媒体等业务的需要 A V S 视频标准定义了基准档次 J i z h u np r o f i l e 和4 个 级别 4 0 4 2 6 0 和6 2 支持的最大图像分辨率从7 2 0 5 7 6 到1 9 2 0 x 1 0 8 0 最 大比特率从10M b i t S 到3 0M b i t S 表2 1A V S 与M P E G 2 M P E G 4A V C H 2 6 4 使用的技术对比和性能差异估计 视频编码标准M P E G 一2 视频 M P E G 4A V S 视频A V S 视频与 A V C H 2 6 4 视频 A v C H 2 6 4 性 能差异估计 采 用信噪比d B 估 算 括号内的百 南京邮电大学 T 程硕士研究生学位论文第二章核心技术研究 分比为码率差 异 帧内预测只在频域内进行基于4 4 块 9基于8 8 块 基本相当 D C 系数差分预种亮度预测模式 5 种亮度预测 测4 种色度预测模模式 4 种色度 式预测模式 多参考帧预测只有1 帧最多1 6 帧最多2 帧都采用两帧时相 当 帧数增加性 能提高不明显 变块大小运动补 1 6 1 61 6 81 6 1 6 1 6 8 1 6 1 6 降低约0 1 d B 偿 场编码 8 1 6 8 8 1 6 8 8 1 6 2 4 8 4 4 X 8 4 48 8 B 帧宏块直接编无独立的空域或时时域空域相结 提高 码模式域预测模式 若后合 当时域内 0 2 0 3 d B 5 向参考帧中用于后向参考帧中 导出运动矢量的用于导出运动 块为帧内编码时矢量的块为帧 只是视其运动矢内编码时 使 量为0 依然用于 用空域相邻块 预测的运动矢量进 行预测 B 帧宏块双向编码前后两个编码前后两个 称为对称预测基本相当 预测模式 运动矢量运动矢量模式 只编码 一个前向运动 矢量 后向运 动矢量由前向 导出 1 4 像素运动补仅在半像素位置 1 2 像素位置采用1 2 像素位置基本相当 偿进行双线性插值6 拍滤波 1 4 像采用4 拍滤波 素位置线性插值 1 4 像素位置 南京邮电大学T 程硕士研究生学位论文第二