H.264在手機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

劉鑫

摘要：H.264是目前最為主流的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用的視頻編碼方式，尤其是手機(jī)視頻監(jiān)控中應(yīng)用更為廣泛，目前大部分的手機(jī)都直接支持H.264編碼。該文主要分析H.264的優(yōu)勢及廣泛使用的原因，為各種手機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案提供參考。

關(guān)鍵詞：H.264；手機(jī)視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）22-0124-02

1 引言

隨著手機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)視頻監(jiān)控已經(jīng)成為視頻監(jiān)控的更為主流的方式。手機(jī)視頻監(jiān)控實效性強(qiáng)，隨身攜帶手機(jī)客戶端監(jiān)控起來方便快捷。越來越多的手機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用的都是H.264編碼解碼方式，市場應(yīng)用范圍廣泛，可見其在編碼解碼方式上有一定的優(yōu)勢，下面我們來分析一下H.264的優(yōu)勢所在。

2 H.264在手機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)勢

H.264是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）共同提出的數(shù)字視頻壓縮格式。H.264是在MPEG-4的基礎(chǔ)上建立起來的，但壓縮效率比以前的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)提高了兩倍左右。它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 高壓縮率和高畫面質(zhì)量

能夠?qū)崿F(xiàn)在低帶寬下得到高質(zhì)量的畫面是它最大的優(yōu)勢。

這點在手機(jī)視頻監(jiān)控應(yīng)用中尤為重要，因為我國目前手機(jī)使用的帶寬相對來說都比較低，能夠最大程度上得到質(zhì)量和速度的提升是市場應(yīng)用上的關(guān)鍵。

在編碼方式上，H.264有五種方式：

1）幀內(nèi)預(yù)測編碼：H.264提供九種模式進(jìn)行16格像素宏塊畫面預(yù)測，它不同于以往的直接編碼預(yù)測，而是對周邊的宏塊進(jìn)行預(yù)測，對比實際值和預(yù)測值的差值進(jìn)行編碼，最大程度上減小了誤碼率。

2）幀間預(yù)測編碼：H.264的運動補(bǔ)償特性保留了以往大部分的關(guān)鍵點，又追加了更多的功能。除了支持P幀、B幀外，采用了一種新的流間傳送幀模式-SP幀，它最主要的特性就是遇到畫面類似但不同碼率的碼流時能夠做到速度切換，并且可以做到隨機(jī)播放和定點回放。

3）量化：H.264中的變換系數(shù)讀出方式有兩種，Zigzag掃描和雙掃描，Zigzag掃描用于絕大部分的情況下，簡單有效。雙掃描是只有出現(xiàn)需要較小量化級塊的情況才使用，最主要的作用是提高編碼效率。H.264有多達(dá)52種的量化步長可供選擇。

4）整數(shù)變換：H.264的空間變換用的是整數(shù)規(guī)則，這樣就最大程度上避免了取舍誤差問題。與浮點運算相比，整數(shù)DCT變換運算量少、復(fù)雜度低，利于定點DSP的轉(zhuǎn)換。雖然整數(shù)DCT變換也有一些額外的誤差，但因為DCT本身量化之后誤差存在的必然性，所以較之浮點運算相比具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

5）熵編碼：H.264有通用可變長編碼（UVLC）和二進(jìn)制算術(shù)編碼（CABAC）。其中CABAC是基于文本自適應(yīng)模式的。UVLC的特點是簡單快速，不管什么數(shù)據(jù)類型，全都用統(tǒng)一的變字長編碼表，但這種方式的缺點就是一旦出現(xiàn)中高碼率時就可能出現(xiàn)不太理想的效果。所以H.264還可以選擇CABAC方法。CABAC方法是為了提高編碼的效率，提高編碼效率的關(guān)鍵是采用了不同的內(nèi)容模型。在內(nèi)容建模時，提供了編碼符號的條件概率預(yù)估，使基本模型能適應(yīng)隨機(jī)幀畫面的統(tǒng)計特性，提高了算術(shù)編碼的效率。

由于H.264以上編碼的優(yōu)點，使它在低網(wǎng)絡(luò)帶寬和低存儲空間的應(yīng)用上具有非常大的優(yōu)勢，這也是中國目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境造成的。

2.2 容錯能力強(qiáng)

手機(jī)視頻監(jiān)控中，因為數(shù)據(jù)走的是無線信道，經(jīng)常會產(chǎn)生誤碼丟包之類的傳輸錯誤，H.264在保留以往視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用了很多新的技術(shù)，在保證圖像質(zhì)量的前提下，大大提高了容錯能力。在這些新的技術(shù)中主要有靈活宏塊順序、冗余片和參數(shù)集三種。

1）靈活宏塊排序（FMO）：H.264把宏塊分配給單獨的片，每個片單獨進(jìn)行傳輸，一旦出現(xiàn)丟失包的情況，可以利用相鄰的被正確接收的宏塊進(jìn)行映射，得到容錯宏塊，抑制錯誤擴(kuò)散。ZIG-ZAG掃描使得編碼效率和容錯機(jī)制達(dá)到完美平衡，尤其是波浪式FMO，實際效果更好。

2）冗余片技術(shù)：H.264在同一數(shù)據(jù)流中，多放置一個或多個冗余信息宏塊，如果出現(xiàn)丟包，可以用于數(shù)據(jù)鏡像恢復(fù)。這樣做雖然降低了編碼效率，但卻大大提高了數(shù)據(jù)安全性，提高了容錯能力。

3）參數(shù)集：H.264中取消了原來數(shù)據(jù)流分成的序列、圖像、片、宏塊、子宏塊五個層次中的前兩個。把前兩個層中的信息單獨提取出來做成參數(shù)集，其它的數(shù)據(jù)放入第三個片層。參數(shù)集可以單獨保護(hù)起來，需要里面的數(shù)據(jù)可以隨時取出，從而提高了容錯能力。

2.3 錯誤隱藏技術(shù)好

在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)錯誤，對于錯誤數(shù)據(jù)包的處理H.264具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。實現(xiàn)差錯隱藏的方法包括前向、后處理、交互式等等。H.264中最常采用的是基于解碼器的后處理隱藏方法。如果按照作用域來劃分，具體可以分為時域、頻域和空域。對于幀內(nèi)編碼的解碼過程如果有出錯的宏塊，它通常用空域算法，通過錯誤宏塊前后相鄰的正確宏塊用雙線內(nèi)插方法得到宏塊恢復(fù)。對于幀間編碼就要參考運動矢量，如果很小時，就直接復(fù)制相鄰正確幀的值，如果運動矢量出錯時，要先利用相鄰正確宏塊計算出產(chǎn)生錯誤的運動矢量來得到正確的幀。本文的參考文獻(xiàn)中還有作者提出了一些其它方法可供參考，包括：

（1） 基于方向性插值的空域差錯隱藏算法；

（2） 基于殘差恢復(fù)的錯誤隱藏算法；

（3） 時空混合非對稱性隱藏算法；

（4） 結(jié)合數(shù)據(jù)嵌入的錯誤隱藏算法；

（5） 空時域自適應(yīng)的誤碼掩蓋算法。

2.4 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力強(qiáng)

H.264自身提供了網(wǎng)絡(luò)抽象層（Network Abstraction Layer），所以使得H.264的數(shù)據(jù)流能在各種不同的網(wǎng)絡(luò)上傳輸，如Internet、CDMA、GPRS等等，兼容性超高。

3 小結(jié)

本文簡單介紹了H.264在無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中的技術(shù)優(yōu)勢，在目前主流的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中H.264占有很高的市場份額，可見其優(yōu)勢明顯。但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，流媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，H.264也要不斷的改進(jìn)以適應(yīng)市場的要求。