MPEG4是适合监视的压缩技术
MPEG4于1998年4月发布。国际标准MPEG1999最初预期于4年4月投入使用，它不仅用于以一定比特率进行视频和音频编码，而且更加关注其交互性和灵活性。多媒体系统。 MPEG专家组的专家正在为MPEG-4800的制定而努力。 MPEG-64000标准主要用于视频电话，视频电子邮件和电子新闻等。其传输速率要求相对较低，在4800-64000bits / sec之间，而分辨率在176-144bits / sec之间。 是4XXNUMX。 MPEG-XNUMX使用非常窄的带宽，通过帧重建技术压缩和传输数据，以便获得最少的数据并获得最佳的图像质量。
与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特点是它更适合于交互式AV服务和远程监视。 MPEG-4是第一个将您从被动更改为主动的动态图像标准（不再只是观看，而是允许您加入，也就是交互式）。 它的另一个特点是它的全面性； 从源头上讲，MPEG-4尝试将自然对象与人造对象混合在一起（从视觉效果的角度来看）。 MPEG-4的设计目标还具有更广泛的适应性和可扩展性。 MPEG4试图实现两个目标：
1.低比特率的多媒体通信；
2.它是多个行业中多媒体通信的综合。
根据这一目标，MPEG4引入了AV对象（音频/ Visaul对象），从而使更多的交互操作成为可能。 MPEG-4的视频质量分辨率较高，而数据速率较低。 主要原因是MPEG-4采用ACE（高级解码效率）技术，这是MPEG-4首次使用的一组编码算法规则。 与ACE相关的目标定向可以实现非常低的数据速率。 与MPEG-2相比，它可以节省90％的存储空间。 MPEG-4还可以在音频和视频流中进行广泛升级。 当视频在5kb / s和10Mb / s之间变化时，可以处理2kb / s和24kb / s之间的音频信号。 特别重要的是要强调MPEG-4标准是一种面向对象的压缩方法。 它不是简单地将图像分为MPEG-1和MPEG-2之类的某些块，而是根据图像的内容，对象（对象，字符，背景）进行分离，以执行帧内和帧间编码和压缩，并允许在不同对象之间灵活分配码率。 更多的字节分配给重要对象，而更少的字节分配给辅助对象。 因此，大大提高了压缩率，从而可以以较低的编码率获得更好的结果。 MPEG-4的面向对象的压缩方法也使图像检测功能和准确性得到了更多体现。 图像检测功能使硬盘录像机系统具有更好的视频运动警报功能。
简而言之，MPEG-4是一种具有低比特率和高压缩率的全新视频编码标准。 传输速率为4.8〜64kbit / s，占用相对较小的存储空间。 例如，对于分辨率为352×288的彩色屏幕，当每帧占用的空间为1.3KB时，如果选择25帧/秒，则每小时需要120KB，每天需要10小时，每月需要30天，每个频道每月36GB。 如果是8通道，则需要288GB，这显然是可以接受的。
该领域有许多技术，但是同时最基础和最广泛使用的是MPEG1，MPEG2，MPEG4和其他技术。 MPEG1是一种压缩率高但图像质量较差的技术。 MPEG2技术主要关注图像质量，压缩率小，因此需要较大的存储空间。 MPEG4技术是当今比较流行的技术，使用该技术可以节省空间，具有较高的图像质量并且不需要较高的网络传输带宽。 相反，MPEG4技术在中国相对流行，并且也得到了业界专家的认可。
根据介绍，由于MPEG4标准使用电话线作为传输介质，因此可以根据应用程序的不同要求在现场配置解码器。 它与基于专用硬件的压缩编码方法的区别在于，编码系统是开放的，并且可以随时添加新的有效算法模块。 MPEG4根据图像的空间和时间特性调整压缩方法，从而获得比MPEG1更大的压缩率，更低的压缩码流和更好的图像质量。 它的应用目标是窄带传输，高质量压缩，交互式操作以及将自然对象与人造对象集成在一起的表达式，同时还特别强调广泛的适应性和可伸缩性。 因此，MPEG4基于场景描述和带宽设计的特点，非常适合视频监控领域，主要体现在以下几个方面：
1.节省存储空间-采用MPEG4所需的空间是MPEG1或M-JPEG的10/1。 此外，由于MPEG4可以根据场景变化自动调整压缩方式，因此可以确保静止图像，一般运动场景和激烈运动场景的图像质量不会下降。 这是一种更有效的视频编码方法。
2.高图像质量-MPEG4的最高图像分辨率为720x576，接近DVD的图像效果。 基于AV压缩模式的MPEG4确定它可以保证运动对象的清晰度，并且时间/时间/图像质量是可调的。
3.对网络传输带宽的要求不高-因为MPEG4的压缩率是同等质量的MPEG10和M-JPEG的1倍以上，所以网络传输期间占用的带宽仅为该带宽的1/10左右。质量相同的MPEG1和M-JPEG。 。 在相同的图像质量要求下，MPEG4仅需要更窄的带宽。
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新视频编码标准H.264的技术亮点
概要：
对于实际应用，由两个主要的国际标准化组织ISO / IEC和ITU-T联合制定的H.264建议是视频编码技术的新发展。 它在多模式运动估计，整数转换，统一的VLC符号编码和分层编码语法方面具有其独特的功能。 因此，H.264算法具有很高的编码效率，其应用前景不言而喻。
关键词：视频编码图像通信JVT
自1980年代以来，引入了两个主要的国际视频编码标准系列，即ISO / IEC制定的MPEG-x和ITU-T制定的H.26x，开创了视频通信和存储应用的新纪元。 从H.261视频编码建议到H.262 / 3，MPEG-1 / 2/4等，一直在追求一个共同的目标，即在尽可能低的比特率下获得尽可能多的目标。 （或存储容量）。 良好的图像质量。 而且，随着市场对图像传输的需求增加，如何适应不同信道的传输特性的问题变得越来越明显。 这是由IEO / IEC和ITU-T共同开发的新视频标准H.264要解决的问题。
H.261是最早的视频编码建议，目的是标准化ISDN网络会议电视和视频电话应用中的视频编码技术。 它使用的算法结合了可以减少时间冗余的帧间预测的混合编码方法和可以减少空间冗余的DCT变换。 它与ISDN通道匹配，其输出编码率为p×64kbit / s。 当p的值较小时，只能传输低清晰度的图像，适合面对面的电视通话； 当p的值较大时（例如p> 6），可以传输清晰度更高的会议电视图像。 H.263建议使用低比特率图像压缩标准，从技术上讲，这是对H.261的改进和扩展，并支持比特率小于64kbit / s的应用程序。 但是实际上，已经开发了H.263以及更高版本的H.263 +和H.263 ++以支持全比特率应用。 从事实可以看出，它支持多种图像格式，例如Sub-QCIF，QCIF，CIF，4CIF甚至16CIF等格式。
MPEG-1标准的码率约为1.2Mbit / s，它可以提供30帧CIF（352×288）质量的图像。 它专为视频存储和播放CD-ROM光盘而设计。 MPEG-261标准视频编码部分的基本算法类似于H.263 / H.1，并且还采用诸如运动补偿帧间预测，二维DCT和VLC游程长度编码之类的措施。 另外，引入诸如帧内帧（I），预测帧（P），双向预测帧（B）和DC帧（D）的概念以进一步提高编码效率。 在MPEG-2的基础上，MPEG-4标准在提高图像分辨率和与数字电视的兼容性方面进行了一些改进。 例如，其运动向量的精度为半像素； 在编码操作（例如运动估计和DCT）中区分“帧”和“场”； 引入编码可伸缩性技术，例如空间可伸缩性，时间可伸缩性和信噪比可伸缩性。 近年来引入的MPEG-4标准引入了基于视听对象（AVO：Audio-Visual Object）的编码，这大大提高了视频通信的交互能力和编码效率。 MPEG-4还采用了一些新技术，例如形状编码，自适应DCT，任意形状视频对象编码等。 但是MPEG-263的基本视频编码器仍属于类似于H.XNUMX的一种混合编码器。
简而言之，H.261建议是一种经典的视频编码，H.263是它的发展，并将在实践中逐渐取代它，主要用于通信中，但是H.263的众多选择常常使用户感到茫然。 MPEG系列标准已经从用于存储媒体的应用程序发展到适应传输媒体的应用程序。 其核心视频编码的基本框架与H.261一致。 其中，MPEG-4的醒目的“基于对象的编码”部分是由于仍然存在技术障碍，因此难以普遍应用。 因此，在此基础上提出的新的视频编码方案H.264克服了两者的弱点，在混合编码的框架下引入了一种新的编码方法，提高了编码效率，并面临实际应用。 同时，它是由两个主要的国际标准化组织共同制定的，其应用前景应不言而喻。
1. JVT的H.264
H.264是由ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO / IEC的MPEG（运动图像编码专家组）的联合视频小组（JVT：联合视频小组）开发的新的数字视频编码标准。 它是ITU-T的H.10和ISO / IEC的MPEG-264的第4部分。 草案征集工作于1998年1999月开始。第一稿于8年2001月完成。TML-264测试模型于5年2002月开发。H.XNUMX的FCD董事会在XNUMX年XNUMX月的JVT第五次会议上获得通过。 该标准目前正在开发中，预计将于明年上半年正式采用。
像以前的标准一样，H.264也是DPCM加变换编码的混合编码模式。 但是，它采用了“回归基础”的简洁设计，没有太多选择，并且获得了比H.263 ++更好的压缩性能。 它增强了对各种渠道的适应性，并采用了“网络友好”的结构和语法。 有利于处理错误和丢包； 广泛的应用目标，可以满足不同速度，不同分辨率和不同传输（存储）场合的需求； 它的基本系统是开放的，不需要版权。
从技术上讲，H.264标准中有许多亮点，例如统一的VLC符号编码，高精度，多模式位移估计，基于4×4块的整数转换以及分层编码语法。 这些措施使得H.264算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，比H.50可以节省大约263％的编码率。 H.264的码流结构具有很强的网络适应能力，提高了错误恢复能力，可以很好地适应IP和无线网络的应用。
2. H264的技术亮点
分层设计
H.264算法在概念上可以分为两层：视频编码层（VCL：视频编码层）负责有效的视频内容表示，而网络抽象层（NAL：网络抽象层）负责适当的方式网络所需。 打包并传输数据。 H.264编码器的层次结构如图1所示。在VCL和NAL之间定义了一个基于数据包的接口，打包和相应的信令是NAL的一部分。 这样，VCL和NAL分别完成了高编码效率和网络友好性的任务。
VCL层包括基于块的运动补偿混合编码和一些新功能。 像以前的视频编码标准一样，H.264在草案中不包含诸如预处理和后处理之类的功能，这可以增加标准的灵活性。
NAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据，包括成帧，逻辑信道信令，时序信息利用或序列结束信号等。例如，NAL支持电路交换信道上的视频传输格式，并且支持使用RTP / UDP / IP的Internet上的视频传输格式。 NAL包括其自己的报头信息，段结构信息和实际负载信息，即，上层VCL数据。 （如果使用数据分段技术，则数据可能由几个部分组成）。
高精度，多模式运动估计
H.264支持1/4或1/8像素精度的运动矢量。 以1/4像素的精度，可以使用6抽头滤波器来减少高频噪声。 对于具有1/8像素精度的运动矢量，可以使用更复杂的8抽头滤波器。 在执行运动估计时，编码器还可以选择“增强型”插值滤波器以提高预测效果
在H.264的运动预测中，可以根据图2将宏块（MB）划分为不同的子块，以形成7种不同的块大小模式。 这种多模式灵活细致的划分方式更适合图像中实际移动物体的形状，从而大大改善了
运动估计的准确性得以提高。 这样，每个宏块可以包含1、2、4、8或16个运动矢量。
在H.264中，允许编码器使用一个以上的前一帧进行运动估计，这就是所谓的多帧参考技术。 例如，如果2或3帧仅仅是编码的参考帧，则编码器将为每个目标宏块选择更好的预测帧，并为每个宏块指示哪个帧用于预测。
4×4块整数转换
H.264与以前的标准相似，对残差使用基于块的变换编码，但是变换是整数运算而不是实数运算，并且该过程基本上类似于DCT。 该方法的优点是在编码器和解码器中允许相同的精度变换和逆变换，这有利于简单定点算法的使用。 换句话说，这里没有“逆变换误差”。 变换的单位是4×4块，而不是过去通常使用的8×8块。 随着变换块尺寸的减小，运动对象的分割更加精确。 以这种方式，不仅变换计算量相对较小，而且在运动对象的边缘处的会聚误差也大大减小了。 为了使小尺寸块变换方法不会在图像的较大平滑区域中的块之间产生灰度差异，请使用帧内宏块亮度数据的16个4×4块的DC系数（每个小块16 ，总共4个）执行第二个4×2块变换，并对2个4×4个色度数据块的DC系数（每个小块一个，共4个）的DC系数执行4×XNUMX块变换。
为了提高H.264的码率控制能力，将量化步长的变化控制在12.5％左右，而不是不断增加。 在逆量化处理中处理变换系数幅度的归一化以减少计算复杂度。 为了强调色彩的保真度，色度系数采用小的量化步长。
统一VLC
在H.264中，有两种用于熵编码的方法。 一种是对要编码的所有符号使用统一的VLC（UVLC：通用VLC），另一种是使用内容自适应的二进制算术编码（CABAC：上下文自适应）。 二进制算术编码）。 CABAC是一个可选选项，它的编码性能比UVLC稍好，但计算复杂度也更高。 UVLC使用不受限制的长度的代码字集，并且设计结构非常规则，并且可以使用相同的代码表对不同的对象进行编码。 此方法易于生成码字，并且解码器可以轻松识别码字的前缀，并且当发生误码时，UVLC可以快速获得重新同步。
x0，x1，x2，...是INFO位，分别为0或1。图4列出了前9个码字。 例如，第四个数字字包含INFO4。 该代码字的设计针对快速重新同步进行了优化，以防止误码。
内部预测
在以前的H.26x系列和MPEG-x系列标准中，使用了帧间预测方法。 在H.264中，对帧内图像进行编码时可以使用帧内预测。 对于每个4×4块（边缘块的特殊处理除外），可以使用17个最接近的先前编码像素（某些权重可以为0）的不同加权和来预测每个像素，也就是说，该像素为17个像素在该块的左上角。 显然，这种帧内预测不是及时的，而是在空间域中执行的预测编码算法，可以消除相邻块之间的空间冗余并实现更有效的压缩。
在4×4正方形中，a，b，...，p是要预测的16个像素，并且A，B，...，P是编码像素。 例如，可以通过公式（J + 2K + L + 2）/ 4或公式（A + B + C + D + I + J + K + L）/ 8预测点m的值，等等。 根据所选的预测参考点，存在9种不同的亮度模式，但只有1种模式用于色度的帧内预测。
适用于IP和无线环境
H.264草案包含用于消除错误的工具，以促进在频繁出现错误和数据包丢失的环境中传输压缩视频，例如在移动通道或IP通道中传输的稳定性。
为了抵抗传输错误，可以通过使用帧内图像刷新来实现H.264视频流中的时间同步，并且通过切片结构化编码来支持空间同步。 同时，为了便于在发生误码之后进行重新同步，在图像的视频数据中还提供了一定的重新同步点。 另外，帧内宏块刷新和多个参考宏块允许编码器在确定宏块模式时不仅考虑编码效率，而且考虑传输信道的特性。
在H.264中，除了使用量化步长的变化来适应信道码率之外，数据分段的方法通常用于应对信道码率的变化。 一般而言，数据分段的概念是在编码器中生成具有不同优先级的视频数据，以支持网络中的服务质量QoS。 例如，采用基于语法的数据分区方法，根据其重要性将每个帧的数据分为几部分，从而在缓冲区溢出时可以丢弃次要的信息。 也可以使用类似的时间数据划分方法，该方法通过在P和B帧中使用多个参考帧来实现。
在无线通信的应用中，我们可以通过更改每个帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率更改。 但是，在多播的情况下，不可能要求编码器响应变化的比特率。 因此，与MPEG-4中使用的FGS（精细粒度可缩放性）方法（效率较低）不同，H.264使用流切换SP帧代替分层编码。
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3. TML-8性能
TML-8是H.264的测试模式，用于比较和测试H.264的视频编码效率。 测试结果提供的PSNR清楚地表明，与MPEG-4（ASP：高级简单配置文件）和H.263 ++（HLP：高延迟配置文件）的性能相比，H.264的结果具有明显的优势。 如图5所示。
H.264的PSNR明显优于MPEG-4（ASP）和H.263 ++（HLP）。 在6种速度的比较测试中，H.264的PSNR平均比MPEG-2（ASP）高4dB。 平均比H.3（HLP）高263dB。 6种测试速率及其相关条件为：32 kbit / s速率，10f / s帧速率和QCIF格式； 64 kbit / s速率，15f / s帧速率和QCIF格式； 128kbit / s速率，15f / s帧速率和CIF格式； 256kbit / s速率，15f / s帧速率和QCIF格式； 512 kbit / s速率，30f / s帧速率和CIF格式； 1024 kbit / s速率，30f / s帧速率和CIF格式。
4.实现困难
对于每一个考虑实际应用的工程师，在关注H.264的卓越性能的同时，它必然会衡量其实施的难度。 一般而言，以增加复杂度为代价获得H.264性能的提高。 但是，随着技术的发展，这种复杂性的增加在我们当前或不久的将来的技术的可接受范围内。 实际上，考虑到复杂性的限制，H.264尚未采用某些在计算上特别昂贵的改进算法。 例如，H.264不使用在MPEG-4 ASP中使用的全局运动补偿技术。 增加了可观的编码复杂度。
H.264 和 MPEG-4 都包含 B 帧，并且更加精确和压缩lex 运动插值滤波器比 MPEG-2、H.263 或 MPEG-4 SP（简单配置文件）。 为了更好地完成运动估计，H.264显着增加了可变块大小的类型和可变参考帧的数量。
H.264 RAM要求主要用于参考帧图像，大多数编码视频使用3到5帧参考图像。 它不需要比通常的视频编码器更多的ROM，因为H.264 UVLC对所有类型的数据使用结构良好的查找表
5.结束语
H.264具有广泛的应用前景，例如实时视频通信，Internet视频传输，视频流服务，异构网络上的多点通信，压缩视频存储，视频数据库等。
H.264建议的技术特征可以概括为三个方面。 一是注重实用性，采用成熟技术，追求更高的编码效率，表达简洁； 二是着眼于适应移动和IP网络，采用分层技术，将编码和信道正式分离，本质上在源编码器算法中更多地考虑了信道的特性。 第三是在混合编码器的基本框架下，其主要关键部件全部制成。 重大改进，例如多模式运动估计，帧内预测，多帧预测，统一VLC，4×4二维整数变换等。
到目前为止，H.264尚未最终确定，但由于其更高的压缩率和更好的信道适应性，它将在数字视频通信或存储领域中得到越来越广泛的应用，其发展潜力是无限的。
最后，必须指出的是，H.264的卓越性能并非没有成本，而是成本大大增加了计算复杂度。 根据估计，编码的计算复杂度约为H.263的三倍，而解码的复杂度约为H.2的263倍。
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正确理解H.264和MPEG-4技术产品，并消除制造商的虚假宣传
公认的是H.264视频编解码器标准具有一定的发展水平，但它也不是首选的视频编码器标准，尤其是作为监视产品时，因为它还存在一些技术缺陷。
包含在MPEG-4 Part 10标准中作为H.264视频编解码器标准，这意味着它仅附加到MPEG-4的第十部分。 换句话说，H.264不会超出MPEG-4标准的范围。 因此，Internet上的H.264标准和视频传输质量高于MPEG-4是不正确的。 从MPEG-4到H.264的过渡更加难以理解。 首先，让我们正确地理解MPEG-4的发展：
1. MPEG-4（SP）和MPEG-4（ASP）是MPEG-4的早期产品技术
MPEG-4（SP）和MPEG-4（ASP）于1998年提出。其技术已经发展到目前，确实存在一些问题。 因此，当前有能力开发MPEG-4的国有技术人员尚未在MPEG-4视频监视或视频会议产品中采用这种落后的技术。 在H.264产品（2005年之后的技术产品）和Internet上推广的早期MPEG-4（SP）技术之间进行比较是不恰当的。 2005年和2001年IT产品的性能比较能否令人信服？ 。 这里需要说明的是，这是制造商的技术炒作行为。
请看一下技术比较：
一些制造商误导了比较：在相同的重建图像质量下，与H.264 +和MPEG-50（SP）相比，H.263将比特率降低了4％。
这些数据从本质上将H.264新技术产品数据与MPEG-4早期技术产品数据进行了比较，这对于比较当前的MPEG-4技术产品是毫无意义的并且具有误导性。 为什么264年H.4产品没有将数据与新的MPEG-2006技术产品进行比较？ H.264视频编码技术的发展确实非常快，但是其视频解码视频效果仅相当于Microsoft Windows Media Player 9.0（WM9）的视频效果。 目前，例如，华谊硬盘视频服务器和视频会议设备使用的MPEG-4技术已达到视频解码技术中的（WMV）技术规范，音视频同步小于0.15s（150毫秒以内）。 ）。 H.264和Microsoft WM9无法匹配
2.发展中的MPEG-4视频解码器技术：
当前，MPEG-4视频解码器技术正在迅速发展，而不是像制造商在互联网上大肆宣传那样。 当前H.264图像标准的优点仅在于压缩和存储，比华谊产品的当前MPEG-15存储文件小20-4％，但视频格式不是标准格式。 原因是H.264没有采用国际通用的存储格式，并且其视频文件无法使用国际通用的第三方软件打开。 因此，在某些国内政府和机构中，在选择设备时，明确指出必须使用国际认可的第三方软件打开视频文件。 这对于监控产品确实非常重要。 尤其是在发生盗窃时，警察需要获取证据，进行分析等。
MPEG-4视频解码器的升级版本为（WMV），并且音频的编码方式和每个制造商的经验都不同。 在性能方面，从4年到2005年，当前成熟的MPEG-2006新技术产品远高于H.264技术产品。
传输方面：与新型MPE相比G-4技术产品H.264，存在以下缺陷：
1.音频和视频同步：H.264音频和视频同步存在一些问题，主要是在延迟方面。 H.264的传输性能等同于Microsoft的Windows Media Player 9.0（WM9）。 目前，华谊网络视频服务器采用的MPEG-4技术在视频监控和视频会议领域的延迟不到0.15秒（150毫秒），这是H.264产品无法达到的；
2.网络传输效率：采用H.2
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