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AVS-S音视频监控标准介绍及展望

继上一期刊登《AVS视频和音频编码标准的应用》之后,本期通过分析安防产业的发展现状以及其对视频监控的特殊需求,介绍了国有自主知识产权面向安防的音视频标准AVS-S在安防视频监控核心技术上的重要性,制定的目的意义及其关键技术,进一步分析了需要解决的技术问题和相关技术方案,希望有助于推动安防监控产业的健康可持续发展。
文/胡瑞敏、牟晓弦、路依莎 武汉大学国家多媒体软件工程技术研究中心

面向安防的数字音视频监控标准(AVS-S)是中国制定的具有自主知识产权的新一代音视频编解码标准。相对于现存标准如MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4 AVC(简称AVC,也称JVT、H.264)、AVS,及其它私有标准而言,其特有的最大优点就是能够满足目前安防产业的特殊需求,以解决阻碍国内安防产业健康持续发展的专利壁垒等问题,为安防产业发展带来了新的契机。

标准倾向于接受比较成熟的技术,因此有些技术比如面向对象的编码,虽然是安防领域所需要的技术,但不宜写入标准中。制定AVS-S的总体目标是为迅速发展的公共安全与监控领域设备提供音视频解码、系统、版权保护和文件格式等方面的规范,而需要满足的公共安全与监控领域的音视频编码需求为:能适应多种网络情况,支持通过专网、互联网、无线网络等传输,支持实时的码率可调,支持感兴趣区域的高质量编码,支持光线环境变化的优化编码,支持位置信息等辅助信息叠加,面向存储的优化编码。

信息产业部科学技术司早就在2002年12月正式发文成立“数字音视频编解码技术标准AVS工作组”,负责数字音视频等多媒体设备与产品中的压缩、解压缩、处理和表示等技术标准的制定工作。AVS标准组联合公安部第一研究所、武汉大学国家多媒体软件工程技术研究中心、TC100、北京大学等单位综合了安防需求,经过专家和企业代表多次讨论与一致认同,抽象出视频监控领域对数字音视频编解码技术标准的需求,并作为输出文档进行标准化,成为今后AVS-S制定的需求目标。

新标准为安防产业打造崭新的前景

安防行业的特殊需求
视频编解码技术是视频监控的实现基础和关键技术,视频监控在不断发展的同时,对视频编解码技术的需求也在不断提高。在最初的监控系统中,视频处理技术仅仅用来压缩存储数字化的视频信息。随着监控系统网络化和智能化的发展,安防领域有着压缩存储需求、显示和播放需求、网络QoS需求、安全性需求、交互性需求等一系列新的应用需求。对于每一类应用需求来说,会有不同层次的技术需求来不同程度地满足应用需求,表1为应用需求到技术需求的映射。根据标准的性质,不同的技术在标准中实现的优先级是不一样的。一般说来,成熟且迫切需要的技术是优先采用,不够成熟的技术或者实际需求有限的技术暂缓考虑。

新标准能够弥补现存标准的瓶颈
目前安防产业可以选择的信源编码标准有四个:MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4 AVC(简称AVC,也称JVT、H.264)、AVS。从制订者分,前三个标准是由MPEG专家组完成的,第四个是我国自主制定的。从发展阶段分,MPEG-2是第一代信源标准,其余三个为第二代标准。从主要技术指标——编码效率比较:MPEG-4是MPEG-2的1.4倍,AVS和AVC相当,都是MPEG-2两倍以上。可以推测,MPEG-2技术陈旧需要更新及收费较高;MPEG-4出台的新专利许可政策被认为过于苛刻令人无法接受;H.264编码效率较高但是专利收费较为昂贵;同时目前的AVS标准不满足安防领域的特殊需求,而其它私有标准又无法实现不同系统的互通。因此,即使专利收费问题能够得到解决,这些现存标准也并不能够有效地适合安防行业的各种特殊需求,现实迫切需要制定新的标准。

AVS-S的关键技术

目前,TC100和AVS两个标准化已经同意共同开展面向安防监控的音视频编解码标准(AVS-S)的制定。AVS-S现在的技术处于制定阶段,预计明年可以制定完毕。

AVS-S在视频编码的混合框架基础之上,研究空域时域和质量可分级技术,实现多码流和时间空间分辨率的调整。然后,以此编码框架为基础,结合安防的特殊需求,逐项研究其解决算法,并在编码框架中添加对于这些特殊技术的语法语义和编解码结构上的支持。具体的技术要点叙述如下。

可分级视频编码框架
图1所示的编码框架基于现有的编码技术进行扩展,首先对视频流进行空域上的下采样,实现空域上的分层,其中,空间分辨率最小的层为基本层,每层可按照现有的编码技术分别编码。由于各层之间存在一定的相关性,考虑到计算复杂度,增强层可以复用基本层的运动信息。对于每一层可以进一步划分时域上的层次,通过调整视频序列结构,调整B帧的数量,以实现时域上的可分级性。而质量上的可分级性可以分别在每一层的变化和量化模块,通过调整量化系数来实现。通过这样的编码框架,视频流具有一定的带宽自适应能力、抗误码性能和更好的解决安防特殊需求的能力。

重点监控对象区域的分割
将可分级技术和对象编码技术相结合,对重点监控对象分配较多的码率进行高质量的压缩,而对于背景或其它不重要的监控区域进行一般的压缩。这样,在保证视频质量的基础上大幅地提高视频压缩率,减少需要的存储空间和传输带宽。
需要提出的是,目前对象分割算法的复杂度是非常高的,精细准确的分割对象很难实际应用。

研究具有防伪功能的数字视频水印技术及视频加密算法
视频水印技术在压缩视频流中提供防伪信息,并提供时间、地点信息的叠加等功能,支持OSD、LOGO和区域屏蔽,以及日期和时间的设置。它利用数据隐藏技术将特定的信息嵌入到视频数据中,保证重要数据的安全,防止资料被篡改和被伪造。可借鉴图像水印技术大量的研究成果,同时基于视频与图像某些本质的差异,重点研究视频水印和图像水印不同的技术特征。

面向环境的优化编码和快速检索技术
为了进一步提高编码压缩效率,可以根据光线环境的变化来调节编码器模式。为了达到优化编码的目的,可以考虑构建编解码标准的时候,将几类典型的应用环境分级,对不同的级别设定不同的编码级别。可分级编码技术能够比较方便地解决检索的速度问题。由于基本层的视频序列具有比较小的分辨率和帧率,所以可以在基本层上进行检索。当检索到需要的内容的时候,再解码出相应的增强层信息,以最好的质量来供调查取证。这样既可以降低检索的复杂度,又保证了取证的质量。

目前已经提出的AVS-S技术提案

针对安防产业的特殊需求,国家多媒体软件工程技术研究中心正研究相关AVS-S视频编解码技术,取得了良好的实验效果,并已提出了相关技术提案。对于这几项技术下面做以简单介绍。

1.基于区域的变质量视频编码算法
在视频监控应用中,重点监控区域的图像细节对于调查取证至关重要。然而传统的编码方法对整体图像进行无差异性的编码,造成了存储空间和传输带宽的浪费。针对这一特殊需求,国家多媒体软件工程技术研究中心研究了基于区域的变质量视频编码算法,采用了使不同权重区域具有不同质量的分级量化机制,防止量化系数剧烈跳变的过渡带机制及提升感兴趣区域率失真斜率的“棋盘格式”算法。该算法所要解决的技术问题是:在传输带宽或者存储容量一定的情况下,优先保证感兴趣区域的编码质量,同等码率下,感兴趣区域的主客观质量都得到大幅提升,并且通过过渡带和感兴趣区域内部的优先级设定,使得感兴趣区域和背景区域之间的质量控制更加精细。

其中,所采取的具体技术方案如图2所示,将编码图像分为背景区域、ROI(感兴趣区域)和过渡带区域三个部分,三个区域部分可分别采用不同的量化机制,并且背景区域和ROI的量化值是由用户手动对参数进行设置,其余的可以通过该算法的量化参数计算方法计算得到。在ROI区域采用类似国际象棋棋盘的区域分块方法,使区域中每个小块量化参数与相邻的纵向和横向的小块不同,但与斜向上的小块相同。

实验结果如图3所示,左图为按照传统方法编码后的结果,右图为集成了基于区域的变质量视频编码算法后的编码结果。对于感兴趣区域图像细节质量的优劣是显而易见。

该算法提供的方法与现有技术相比具有以下的主要优点:首先,在传输带宽和存储空间有限的情况下,本算法优先保证感兴趣区域的图像质量;其次,复杂度不大。该算法没有增加任何高复杂度的编码模块,不会带来复杂度上的提高,复杂度传统编码方式相当。

2.基于区域的变解析度视频编码算法
在某些安防应用情况下,对特定监控对象需要具备不同的采样清晰度,然而现有的编解码方法无法提供基于区域的不同采样清晰度问题。相应地,国家多媒体软件工程技术研究中心进行了基于区域的变解析度视频编码算法。

本算法所要解决的技术问题是:针对空域增强层编码需要传输大量比特的问题,结合感兴趣区域的编码方法,提供基于感兴趣区域的一种低码率空域增强层编码方法,以减小空域增强层码率,保证空域增强层感兴趣区域视频信息的质量。

其技术方案是:从基本层载入感兴趣区域信息,并根据感兴趣区域信息对增强层的原始输入图像进行剪切,对剪切后得到的感兴趣区域编码。针对安防监控的特殊需求,本算法从增强层提取感兴趣区域进行编码,而忽略其它非关键区域的图像,从而减小空域增强层码率,保证空域增强层感兴趣区域视频信息的质量。

实验结果如图4所示,左图采用的是一般方法的AVS P2编码效果,右图采用了融合了基于区域的变解析度视频编码算法后改进的方法。对比这两幅图像,当两者所使用的比特率基本相当时,右图的人脸区域明显具备更加清晰的采样解析度,能提供更多的细节信息,从而提高感兴趣区域部分的质量。

上述1\2两种方法,与一般视频编码器相比,在充分节省带宽的条件下,能提供更高的局部质量清晰度,满足安防调查取证以及智能分析的需求。

3.时域分级编码算法
同时,对于传输带宽减少时的情况,国家多媒体软件工程技术研究中心进行了对时域分级编码算法的研究,通过调整帧率来适应传输网络状况。可分级算法能提供灵活的分辨率、帧率和质量的码流结构,能更好地满足大型视频监控系统的要求。如图5所示为该算法利用层次B帧的编码示意图。

本算法所要解决的技术问题是:针对安防领域的特殊需求,制定一种针对双帧参考视频流的快速时域可伸缩编码实现方法,该方法能够与非可伸缩视频编码标准相兼容,并且能够比较明显提高编码效率。

该算法的技术方案是:基本层采用I帧或P帧图像编码类型,增强层采用的是B帧图像编码类型,通过对图像组中的各编码帧进行时域层次标注,并且在编码B帧过程中根据时域层次级别来搜索获取当前编码B帧的两个参考帧,参考帧可以是I帧或P帧,也可以是B帧,这样就使得码流帧率按照2的整数次幂的倍数进行伸缩。

实现结果如图6所示,从实验结果分析可知,该算法可以快速实现双帧参考视频流的时域可伸缩编码,使得码流的帧率能够按照2的整数次幂的倍数进行伸缩,并且与原编码标准相比,能够较大幅度提高编码效率。

该算法提供的方法与现有技术相比具有以下的主要优点:它提供的是一种快速实现双帧参考视频流的时域可伸缩编码的方法,所述双帧参考视频流是基于B帧为双帧参考的视频编码标准,利用这种方法编解码后生成的码流具有时域可分级性,其帧率能够适时调整;和一般丢弃B帧的做法相比,具备更好的编码性能。

4.面向全天候环境的优化编码技术的应用
夜间视频图像和普通监控图像相比噪点很多,压缩后的码率非常大,需要采用不同于普通的编码模式。AVS-S可根据光线环境,自适应的调节编码模式。其特殊的夜间编码模式,可大大提高编码压缩效率、节约带宽和存储空间。

图7是夜间的监控图像,左图是采用普通编码技术后的解码图像,右图是AVS-S的解码图像。两幅图像主观质量相近,而右图即AVS-S的夜间模式技术则可以节省40%以上的带宽,同时也可以节省了40%以上的存储空间。

5.总体视频编解码体系结构
为了适应安防监控的特殊需求,国家多媒体软件工程技术研究中心研究了一种视频编解码体系结构。其所要解决的主要技术问题是:提出一种视频序列编解码体系结构,主要解决与传统编码方式的兼容问题,异构网络的传输问题,如何保证感兴趣区域图像质量的问题,如何适应不同光照条件和天气状况下的图像编码问题,以及编码信息的安全性问题。如图8(a)、图8(b)所示。

该视频编解码体系结构的技术方案为:本体系结构包括基本层编码模块、编码控制模块、增强层编码模块三部分。其中:基本层编码模块的图像通过上采样作为增强层参考帧或层间预测削除基本层与增强层之间的信息冗余;编码控制模块根据感兴趣区域策略控制基本层与增强层中感兴趣区域的编码方式,通过光线模式判断控制基本层和增强层中支持全天候编码模块;增强层编码模块采用分层技术在以上各编码模块的基础上实现对增强层输入视频流的编码。

该视频编解码体系结构既能实现基本层对现有视频编码标准的兼容,又可以满足安防监控应用对视频编码的特殊要求。

新标准的推广

目前数字监控产品普遍采用了针对媒体市场开发的视频压缩标准,但是由于不具备可伸缩性,没有和感兴趣区域特征相结合,导致这类视频压缩标准恰恰不适合应用在视频监控领域。例如,监控端需要在大屏幕上查看质量很好的图像,进行自动图像分析却只需要较低质量的图像,再如手持用户需要看高质量的感兴趣区域图像,同时大屏幕上又需要查看监控的整体图像等等。这些特殊的应用场景都要求标准的视频压缩算法具备可伸缩性,具备提高感兴趣区域质量的能力等,即一个编码器能同时输出不同分辨率、不同帧率的视频流或者一路视频流可以同时被解码为不同分辨率、不同帧率的图像;编码器能够保持总体编码码率基本不变的情况下,提高对感兴趣区域质量等。如果视频压缩标准不具备这些功能,在实际运用中就会消耗巨大的计算能力、网络资源和存储空间等才能满足安防监控的特殊需求,从而会导致系统造价大幅上扬,客户难以承受。

AVS-S克服了针对媒体市场开发的视频压缩标准所具有的高品质图像与低编码延时不可兼得、高编码效率和低复杂度不可兼得的缺点,完全构架与IT网络之上,彻底摆脱了传统视频监控系统,甚至是普通DVR、DVS产品的限制,视频流可以在整个系统的范围内自由地被调度、使用和管理,具备了前所未有的灵活性。

总结和展望

总的说来,通过制定AVS-S标准,不仅可以使安防产业摆脱没有自主核心标准的尴尬局面。更可以通过标准来满足城市视频监控联网互通的难点问题,实现安防需求在在具体制定视频标准的体现。AVS-S的制定联合了AVS和TC100两家标准化组织,有着得天独厚的工作优势,充分吸收多年来技术标准制定的成功经验。AVS-S的顺利出台,将使我国安防产业摆脱没有自主核心标准的尴尬局面,为产业发展带来新的契机。

AVS工作组在成立之初就和MPEG-China工作组合并,是国际标准化组织MPEG在中国的合法工作小组。因此,AVS-S作为AVS标准体系中的一员,将有机会在国际标准化组织中提出。而目前国际上还没有特别针对安防的信源标准,因此AVS-S成功制定之后,将极有可能成为面向安防监控的国际音视频编解码标准。

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