H.264編碼技術(shù)在浙江消防圖像綜合集成中的應(yīng)用

在走向全球化、城市化、工業(yè)化的過程中，伴隨著各種災(zāi)害事故、環(huán)境安全、公共事件以及恐怖襲擊等非傳統(tǒng)公共安全危機的不斷出現(xiàn)，突發(fā)公共事件的破壞力和處置應(yīng)對的難度也顯著增加，作為城市安全的重要保障部門，消防部隊需要綜合各種信息化手段，提升技術(shù)水平和戰(zhàn)斗力，以應(yīng)對社會環(huán)境發(fā)展的需要，保障人民的生命財產(chǎn)安全。

基于城市消防綜合安全保障的需要，浙江省消防部隊根據(jù)上級要求，結(jié)合實際工作需要，全面啟動了消防綜合集成建設(shè)。綜合集成以打破孤島效應(yīng)，實現(xiàn)消防部隊內(nèi)各類圖像、語音、業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的互聯(lián)、互通、互控為目標(biāo)，建立一個集指揮、訓(xùn)練、辦公、管理的一體化消防綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。

圖像綜合集成是綜合集成建設(shè)中重要內(nèi)容，涉及到電視電話會議系統(tǒng)、視頻指揮系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、衛(wèi)星圖像系統(tǒng)、3G圖像系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)圖像接入等相關(guān)圖像資源的綜合集成應(yīng)用。在此過程，如何利用先進(jìn)的圖像編碼與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)各類圖像資源的對接共享、統(tǒng)一管理與協(xié)同應(yīng)用，是實現(xiàn)圖像綜合集成，保證集成效果的關(guān)鍵。

1浙江省消防部隊圖像綜合集成建設(shè)介紹

浙江省消防部隊圖像綜合集成工作主要依托消防指揮調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，涉及包括總隊、各支隊、大（中）隊、以及各直屬單位在內(nèi)的圖像集成，實現(xiàn)各類消防圖像系統(tǒng)互聯(lián)、互通、互操作，和所有圖像資源的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一發(fā)布、協(xié)同應(yīng)用。

浙江省消防部隊圖像綜合集成系統(tǒng)建設(shè)總隊、支隊兩級圖像綜合管理平臺，實現(xiàn)三級部署，即在總隊、支隊、大（中）隊統(tǒng)一部署安裝圖像綜合管理平臺終端（軟件），通過自身的系統(tǒng)平臺縱向完成高清視頻骨干系統(tǒng)建設(shè)，橫向通過接口開發(fā)和資源轉(zhuǎn)換完成對不同制式、不同網(wǎng)絡(luò)等各類異構(gòu)圖像資源的分類匯接和分級、分權(quán)限調(diào)度、發(fā)布與控制操作，總隊同時通過網(wǎng)絡(luò)與上級機構(gòu)圖像綜合管理平臺完成對接，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的綜合調(diào)度管理與控制。

通過建設(shè)圖像綜合集成系統(tǒng)，目前完成了指揮視頻與全省消防電視電話視頻系統(tǒng)、消防遠(yuǎn)程營區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、消防高空了望視頻、衛(wèi)星圖像傳輸系統(tǒng)、現(xiàn)場3G圖像傳輸、互聯(lián)網(wǎng)圖像的互聯(lián)互通，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成了與上級公安機構(gòu)電視電話會議圖像和道路監(jiān)控圖像的匯接，形成了豐富的、統(tǒng)一的圖像資源倉庫。圖像綜合管理平臺進(jìn)一步通過發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)接口，為各類業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)和滅火救援指揮系統(tǒng)、部隊管理系統(tǒng)等提供了調(diào)用和控制功能，建立了消防圖像的一體化的應(yīng)用模式。

2H.264編碼技術(shù)在浙江省消防部隊圖像綜合集成中的應(yīng)用與實踐

在圖像綜合集成過程中，實現(xiàn)不同會議圖像、不同監(jiān)控圖像，以及會議與監(jiān)控圖像的平滑融合，提升圖像系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)、3G、衛(wèi)星等非專網(wǎng)環(huán)境下的健狀性和可用性，圖像編碼與網(wǎng)絡(luò)傳輸兩方面是技術(shù)難點。目前，主要是采用主流的網(wǎng)絡(luò)IP流表現(xiàn)最好的H.264編碼技術(shù)，并針對其在3G、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)條件下的應(yīng)用進(jìn)行特定的優(yōu)化，使3G圖像傳輸系統(tǒng)與衛(wèi)星圖像傳輸系統(tǒng)達(dá)到最佳的效果。

基于浙江省消防部隊圖像綜合集成多級傳輸，不同類型和規(guī)格的組網(wǎng)特點，要求系統(tǒng)必須滿足更低帶寬需求、更高圖像精度、更靈活擴展編碼方式等條件，在實踐過程中，先進(jìn)的H.264編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的應(yīng)用起到顯著的效果。

2.1H.264編碼的特點與優(yōu)勢

H.264是由ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC動態(tài)圖像專家組（MPEG）聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組（JVT，Joint Video Team）提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)。其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測（Estimation）、變換（Transform）和反變換、量化（Quantization）和反量化、環(huán)路濾波（Loop Filter）、熵編碼（Entropy Coding），具體具備如下優(yōu)點：

一是支持更小的塊（最小可到4×4）和更細(xì)的運動矢量（Y分量為1/4像素）。宏塊被切分成更多尺寸更小的小塊，使得運動矢量的精度得以提高，提高了編碼質(zhì)量與效率，節(jié)省了碼流。

二是支持幀內(nèi)預(yù)測。采用幀內(nèi)估計用來消除空間冗余的方式解決不適合運用運動估計的情況。同時H. 264的幀內(nèi)預(yù)測是在空間域中進(jìn)行的。首先根據(jù)其周圍的宏塊內(nèi)部估計通過在一個預(yù)定義的集合上的不同方向的鄰近塊推測相鄰像素來預(yù)測當(dāng)前塊。然后預(yù)測塊和真實塊之間的不同點被編碼，從而有效節(jié)省碼流并提高編碼質(zhì)量。

三是支持整數(shù)DCT4x4變換與量化。H.264使用更小的4×4塊，以減少塊效應(yīng)和明顯的人工痕跡。在量化上，量化步長的變化不象以前視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)中的每次遞增一個常量，而是將量化步長的變化幅度控制在12.5%左右，既可以改善編碼質(zhì)量，又提高了對碼率的控制能力。

四是采用熵編碼。H.264提供了兩種可選方式的熵編碼模式：全局UVLC（即UVLC：Universal VLC）和基于語法的上下文自適應(yīng)二值算術(shù)編碼CABAC（Context Adaptive Binary Arithmetic Coding）。

五是多參考幀的運動補償和加權(quán)預(yù)測。使用多幀運動補償可以提高編碼質(zhì)量和效率，且有利于恢復(fù)丟包。

六是環(huán)內(nèi)濾波。H.264采用了環(huán)內(nèi)濾波器，通過對宏塊邊緣的平滑濾波，減輕視頻編碼中的塊效應(yīng)，既減弱“塊效應(yīng)”的影響又避免濾掉圖像的客觀特征，同時在相同主觀質(zhì)量下使比特率減少5%-10%。

2.2H.264 High Profile的應(yīng)用

H.264 High Profile是目前H.264編碼中高效的編碼方式，H.264 High Profile在H.264 Main Profile的基礎(chǔ)上增加了8×8幀內(nèi)預(yù)測、自定義量化矩陣、無損視頻編碼、支持輸入圖像為YUV400格式。與其它標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同失真率條件下H.264 High Profile的編碼效率提高了50%左右。其中對提升編碼壓縮率的主要有：CABAC編碼、多參考幀、8×8幀內(nèi)預(yù)測、8×8DCT變換。

H.264 High Profile在浙江省消防部隊圖像綜合集成中發(fā)揮巨大的作用，為互聯(lián)網(wǎng)圖像接入，以及3G、衛(wèi)星系統(tǒng)圖像等非專線網(wǎng)絡(luò)的接入提供了良好的解決方式。

一是僅需128K就可以實現(xiàn)全動態(tài)704*576畫質(zhì)視頻的編碼傳輸，為眾多社會互聯(lián)網(wǎng)圖像的接入奠定了基礎(chǔ)。二是H.264 High Profile對帶寬資源大幅降低，在上行250K、下行750K的3G網(wǎng)絡(luò)下，可以實現(xiàn)輕松實現(xiàn)上行D1、下行720P的全動態(tài)高清晰視頻通信應(yīng)用。在上行1M、下行2M移動雙向收發(fā)的普通衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下，可以實現(xiàn)1080P的全高清視頻通信應(yīng)用，為浙江省消防部隊在面對有線網(wǎng)絡(luò)無法接入的情況下，提供了一個高品質(zhì)的視頻通信指揮應(yīng)用新模式，有效拓寬了消防指揮的覆蓋廣度，提升了消防部隊指揮決策水平。

2.3H.264 SVC的應(yīng)用

H.264 SVC以H.264 AVC視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，利用了AVC編解碼器的各種高效算法工具，在編碼產(chǎn)生的編碼視頻時間上（幀率）、空間上（分辨率）可擴展，并且是在視頻質(zhì)量方面可擴展的，可產(chǎn)生不同幀速率、分辨率或質(zhì)量等級的解碼視頻。

由于H.264 SVC編碼具有空間、時間、質(zhì)量上的三重可分級特性，基于該技術(shù)的視頻會議系統(tǒng)能夠較好的應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)和用戶異構(gòu)，具有良好的視頻質(zhì)量可分級性能?；赟VC編碼的視訊系統(tǒng)視頻廣播端通過一次編碼產(chǎn)生多種速率視頻流，智能適應(yīng)系統(tǒng)中不同與會終端的帶寬需求（圖1）:

第一，可以適應(yīng)視訊系統(tǒng)中具有不同視頻解碼能力和視頻呈現(xiàn)能力的終端用戶的需求。高清終端具有較高的處理能力和視頻呈現(xiàn)能力的用戶可以選擇高分辨率和高幀率的視頻圖像；普通PC或低端筆記本電腦僅有較低的處理能力和視頻呈現(xiàn)能力的用戶可以選擇低分辨率和低幀率的視頻圖像。這對于消防部隊多種通信終端的適用提供了較好地解決方案。

第二，可以適應(yīng)視訊系統(tǒng)中具有不同網(wǎng)絡(luò)帶寬的終端用戶的需求。專用會議室具有專用寬帶網(wǎng)絡(luò)用戶可以選擇高分辨率和高幀率的視頻圖像；無線移動辦公筆記本電腦僅有較低網(wǎng)絡(luò)帶寬的用戶可以選擇低分辨率和低幀率的視頻圖像，從而為消防部隊利用3G、衛(wèi)星通信、警用頻率通信等多途徑通信手段保障奠定了可靠的圖像傳輸基礎(chǔ)。

第三，可以適應(yīng)視訊系統(tǒng)中與其他終端的網(wǎng)絡(luò)帶寬變動。在與會者帶寬發(fā)生變動時，可智能選擇發(fā)送不同分辨率和幀率的視頻流，實現(xiàn)視頻流的動態(tài)調(diào)整，有效解決網(wǎng)絡(luò)丟包和阻塞。

基于H.264 SVC編碼的網(wǎng)絡(luò)帶寬智能適配，可根據(jù)與視頻點不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行智能選擇轉(zhuǎn)發(fā)（而不是轉(zhuǎn)碼）不同速率的視頻流。能針對不同的用戶分別進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整，根據(jù)帶寬的實際變化而動態(tài)的決定是否隔幀丟幀或降低分辨率。從而較好地解決了總隊、支隊、大（中）隊、移動指揮中心、現(xiàn)場戰(zhàn)斗員之間的視頻通信指揮圖像質(zhì)量問題。

3結(jié)語

H.264作為業(yè)界領(lǐng)先的編碼技術(shù)，在浙江省消防部隊圖像綜合集成的大量應(yīng)用與實踐中，發(fā)揮了重要的作用。通過對H.264 High Profile和H.264 SVC等編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)嘗試，有效地解決了浙江省消防部隊圖像綜合集成中碰到互聯(lián)網(wǎng)圖像接入問題；解決了3G、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下高品質(zhì)的圖像傳輸問題；解決了多級、多用戶圖像監(jiān)控、視頻通信、應(yīng)用指揮中不同品質(zhì)、能力視頻點的綜合接入、分發(fā)和集成問題，為浙江省消防部隊圖像綜合集成工作與圖像綜合管理工作提供強有力的技術(shù)保障。