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AVS与国际编解码标准的互联互通

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AVS-S标准的推出,尽管有利于民族安防产业的发展,但其并不占据市场主流,为了让AVS在当前更好地得到推广应用,采用转码技术,可以使得其更好地与市场主流编码标准互联互通。

    在AVS工作组天津会议上,视频专题组率先完成了完整的AVS-S视频编码标准,这是全球范围内首个针对视频监控需求制定的视频编码标准。在该标准制定过程中,一共有16项视频提案被采纳,分别涉及背景帧技术、灵活条带集技术、核心帧技术、非参考P帧技术、改进的运动矢量缩放、场景模式编码技术、受限的DC预测模式以及高层语法设计等多个方面。正是这些新的编码工具的加入,才使得AVS-S标准功能更加全面,特色鲜明,能够满足当前视频监控的应用需求及未来发展的需要。

    基于历史原因,监控市场仍以广泛使用的国际音视频编码标准,如H.263、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4 AVC(简称AVC,也称JVT、H.264)等为主流,其核心技术专利和知识产权都被欧美等国、日本的少数公司和科研院所垄断。对于中国的安防产业来说,知识产权与专利收费问题的压力将不断增加,由此对企业生产经营的负面影响也将日趋突出。在核心标准上受制于人将极大地阻碍我国安防产业的持续健康发展。

    在安防监控中采用AVS标准在某种程度上解决了民族安防产业健康、稳步发展的后顾之忧,是建设“和谐社会”和保障国家公共安全的长远之计。但AVS占据主流还需要一个发展过程,在此期间,采用转码技术,实现AVS同国际音视频编码标准的互联互通,具有重要的现实意义。

视频转码应用背景
    近年来随着平安城市工程建设的推进,全国各地通过有限的经济投入完成城市安防监控体系的更新改造,取得了重要的进展,但同时由于各行业、各部门分块建设,目前的视频监控系统存在着信源、信道、终端等多种异构性,对视频监控资源的高效融合提出了严峻挑战,具体主要包括以下方面:

·信源的异构性:在视频监控领域目前存在多种信源编码格式,包括MPEG-4、H.263、H.264、AVS等,这些不同的编码格式适用于不同的应用场景,例如MPEG-4适用于交互式对象编码、流媒体应用,是面向对象的编码标准;H.263适用于极低码率的应用场景,因此,如何适应信源编码格式的异构性是当前视频监控系统的一个挑战;
·信道的异构性:在视频监控领域目前存在多种传输信道,包括ISDN、xDSL、GPRS、CDMA等,其中与有线信道相比,无线信道的带宽较低,通常只有几十Kbps,误码率则较高,可以达到10-3~10-5,而且不同的无线信道具有不同的带宽和误码率,因此,如何适应信道带宽和误码率的异构性是当前视频监控系统的一个挑战;
·终端的异构性:在视频监控领域目前存在多种终端设备,不同的终端如PC、掌上电脑、手机等具有不同的计算能力和显示能力,如MOTOROLA A780型号手机最大仅支持播放320×240、15f/s的视频,因此,如何适应终端计算和显示能力的异构性是当前视频监控系统的一个挑战。

    上述视频监控系统中存在的信源、信道、终端等多种异构性,使得各视频监控系统中的海量视频资源难以高效融合,无法保障监控系统跨行业、跨区域的互联互通、共享共用。因此,如何突破异构网络环境下信源、信道、终端之间差异造成的互联、互通、协同工作的技术瓶颈,实现各类监控报警系统海量音视频资源之间的融合,成为当前视频监控系统亟待解决的关键问题。而近年来逐渐成为研究热点的视频转码技术正是解决这一问题的有效途径。[nextpage]

视频转码概述
    视频转码是一种将已压缩的视频数据从一种格式转换为另一种格式的技术,其中视频数据的格式参数包括信源格式、分辨率、码率等。相应地,转码也主要分为:信源格式、降码率、降分辨率等多种转码。

    在异构网络环境下,通过视频转码技术进行格式转换是保障监控视频整合和共享的有效手段(如图1所示)。具体而言,视频转码在异构网络环境下视频监控系统中的应用方式主要包括以下几种:

·信源格式转码:信源格式转码能够通过不同信源格式之间的语法映射,将压缩视频从原始信源压缩格式转换为目标信源压缩格式,从而适应视频监控系统信源格式的异构性;
·降码率转码:降码率转码能够通过对压缩视频数据进行二次量化,将其从较高的原始码率转换为较低的目标码率,从而适应视频监控系统信道带宽的异构性;
·降分辨率转码:降分辨率转码能够通过空间下采样和跳帧,将压缩视频数据由较高的空间和时间分辨率转换为较低的空间和时间分辨率,以适应视频监控系统终端计算和显示能力的异构性。对于视频转码,最简单的方案就是全解全编,即解码器将输入码流完全解码成原始视频序列,编码器再将这个视频序列编码为目标格式。但是这种方案没有利用转码输入视频流的信息,转码效率很低。因此,如何基于转码前后视频流的相关性,在已知输入视频流特征信息的条件下尽量提高输出视频流的转码效率,是视频转码的核心问题。

    目前基于信息重用的视频转码方案可以大致分为四种:像素域闭环方案、开环方案、频率域闭环方案、快速频率域闭环方案:

·像素域闭环方案:同全解全编方案类似,不同的是能够重用原始码流中的宏块模式和运动矢量信息,因此不需要或者只需要部分进行运动估计和模式选择,从而显著提高了转码速度;
·开环方案:直接在压缩域(DCT域)上进行转码,因而转码的速度最快,但是,因为在转码过程中会产生漂移误差,因此开环结构的转码器在转码后视频质量有较大的损失;
·频率域闭环方案:与开环方案相比,频率域闭环方案在编码部分引入了闭合回路来消除漂移误差的影响,能够获得较好的视频质量;与像素域闭环方案相比,频率域闭环方案避免了变换和反变换的计算,能够获得较低的计算复杂度;
·快速频率域闭环方案:在频率域闭环方案的基础上进一步省略了一次频域运动补偿计算,从而能够获得更低的计算复杂度,同时还可以节省一半运动补偿所需要的帧缓存空间。[nextpage]

视频转码实现
    在综合评估现有各类视频编码标准性能和城市监控联网的现实条件和需求的基础上,具体而言,AVS为公安监控网上的信源编码标准具有以下优势:AVS代表了先进的视频编码技术,其编码效率为MPEG-2的2倍以上,与AVC/H.264处于同一水平,可见,AVS已经步入国际视频压缩的先进水平行列;实现复杂度低,经大致估算,AVS解码复杂度相当于AVC/H.264的30%,编码复杂度为AVC/H.264的70%,易于软硬件的实现;能够保证信息安全,AVS的专利技术大多由我国自主持有,相关产品无需依赖国外进口,可以从源头上杜绝盗窃、滥用和泄漏国家机密的可能。同时,AVS专利授权模式简单,专利费用低廉(遵循1元人民币的原则)。

    MPEG-4 SP(Simple Profile)主要针对低复杂度、低比特率的视频通信应用,目前MPEG-4 SP是视频监控网上目前使用最为广泛的编码标准。如上所述,AVS有望在今后成为视频监控领域的主导编码标准,但其大规模化应用尚需时日,故构建高效MPEG-4到AVS转码器可以缓解目前AVS视频码流紧缺的压力,实现AVS标准的平稳过渡。针对公安视频监控网对资源整合的需求,我们将参照下面的要求构建MPEG-4到AVS转码器:

·充分利用城市范围内现有的各类图像资源,通过开发多功能转码器将分布在城市各处的具有不同图像编码格式、不同接入带宽的图像监控系统连接起来;
·转码器能够支持主流的视频编码格式标准及监控网上通用的图像尺寸;
·转码系统可以根据网络带宽实现对输出图像码率的控制;
·转码后的图像质量损失小;
·出于安全性考虑,对监控图像的访问和浏览必须是实时的,从而要求转码器转码速度不得低于25fps。

    在上文中,笔者介绍了常见的几种转码方案,在表1中则列举各自的优点与缺陷以便明确它们的最合适应用场景。

    如表1所示,不同的转码方案在技术性能方面各有优缺点。基于需求决定系统结构的原则,下文对照AVS转码器的性能需求逐步找到我们最需要的系统结构。

    在表2中,笔者逐项对应转码器的性能需求给出了最佳的转码器参考结构。通过分析可以发现,中选次数最多的参考转码器是重解重编方案和频域闭环方案。再次对两者进行比较,转码速度似乎成为频域闭环方案优于重解重编方案的唯一理由。但这“唯一的优点”似乎也有限制:MPEG-4使用8×8DCT,AVS使用8×8类DCT整数变换,故基于变换域的编码操作(MC、帧内预测、图像降采样等)并不能直接实施,需要首先完成MPEG-4 DCT系数到AVS整数变换系数的映射,这势必延长频域闭环方案转码时间;DCT-MC的快速实现与输入图像特征有关,当图像区域运动剧烈时,DCT系数矩阵稀疏程度并不高,故会大大增加矩阵元素运算的次数,这也会延长频域闭环方案转码时间。[nextpage]

基于上述分析,我们采用基于像素域闭环方案的快速转码器体系,其主要特征包括:
·对输入MPEG-4码流完全解码,以得到各类编码信息用于后续AVS编码;
·在进行AVS编码前,根据转码应用需求,进行相应的跳帧处理和空域降采样滤波,并且遵循时间域处理在前、空间域处理在后的原则;
·与时间域/空间域图像处理相伴随,根据解码得到的编码信息合成候选运动向量并决定输出宏块的候选编码模式;
·对输入视频流进行AVS编码,在候选运动向量、宏块编码模式之上,进行小范围的运动信息修正和精化,并随之完成编码过程。

视频转码测试结果
    在本部分内容中,笔者将展示上述转码方案的实际测试性能表现。由于篇幅限制,笔者仅披露部分样本序列的测试结果,包括Akiyo、Mother and Daughter(简称Mother)、Foreman、Mobile、Tempete和Flower,其分辨率都为CIF(352×288)。同时考虑到码率算法对系统性能的影响,我们将所有测试序列以384kbps的码率编码为MPEG-4码流后,使用固定量化参数(QP=36)转码为AVS码流,同样的设置也应用于对比实验中。此处对比的对象为重解重编方案,其编码模块基于参考软件RM5.2c。图2为转码前后图像视觉效果对比图。

    从图2中可以看出,转码前后主观图像质量并无显著下降。在转码效率方面,由于采用了多项快速转码策略,使得与级联型转码器相比,AVS编码时间不及前者的10%,在多路并行转码应用中,完全能够满足实时转码需求。然而,由于并未在转码系统中进行完备的基于率失真模型的宏块模式选择,另外复用的运动向量精度欠佳,故与重解重编方案相比,客观图像质量与前者相比相差0.5dB-1.5dB。

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