安防監(jiān)控一直走在追逐更高清的路上，從以前的CIF，到D1，再到720p、1080p，甚至4K，一直延續(xù)著更高清的發(fā)展路程。一路走來，先進(jìn)編碼技術(shù)的出現(xiàn)也無不是對(duì)更高清產(chǎn)品的一種保障，而對(duì)于每一位安防工程師來說，“降低視頻碼率”是一個(gè)一直存在的課題。

隨著編碼技術(shù)的深度挖掘，人們開始考慮，除了視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提升，是否可以根據(jù)安防監(jiān)控場(chǎng)景的特點(diǎn)，進(jìn)行有針對(duì)性的編碼，從而更加高效的在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)降低碼率?

監(jiān)控場(chǎng)景相對(duì)于其他的視頻，大致來說存在以下特征：

1) 多數(shù)情況下，相機(jī)固定安裝，背景信息相對(duì)穩(wěn)定，變化較少;

2) 相當(dāng)一部分監(jiān)控場(chǎng)景，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)的次數(shù)也不多;

3) 從觀看角度來講，更多關(guān)注的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo);

4) 常常需要24小時(shí)日夜監(jiān)控，噪聲等問題影響相對(duì)較大。

針對(duì)以上特點(diǎn)，安防行業(yè)的編碼專家們提出了多種智能編碼實(shí)現(xiàn)方案，而就當(dāng)下來看，感興趣區(qū)域編碼和Smart編碼就是典型代表。

感興趣區(qū)域編碼

在實(shí)際應(yīng)用中，圖像的接收者往往只對(duì)圖像的某一部分感興趣。這部分區(qū)域被稱為“感興趣區(qū)域(ROI，Regions of Interest)”，把感興趣以外的區(qū)域稱為“背景區(qū)域(BG，Background)”。從主觀上來講，感興趣區(qū)域恢復(fù)質(zhì)量的好壞直接影響對(duì)恢復(fù)圖像的整體評(píng)價(jià)。因此可以對(duì)圖像中ROI采用低壓縮比的壓縮，甚至無損壓縮，以獲得比較高的圖像質(zhì)量;而對(duì)于BG圖像，則仍采用高壓縮比、質(zhì)量相對(duì)較差的有損壓縮，以節(jié)省空間。這樣既可以滿足人們對(duì)圖像的要求，又能降低傳輸時(shí)間，節(jié)省存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)了真正的交互式壓縮。這就是感興趣區(qū)域編碼。

感興趣區(qū)域編碼技術(shù)，可對(duì)感興趣區(qū)域(如安防監(jiān)控關(guān)注的車牌、人臉等)進(jìn)行無損壓縮或近無損壓縮，保證圖像質(zhì)量，而對(duì)背景區(qū)域進(jìn)行有損壓縮。而在帶寬有限的條件下，感興趣區(qū)域編碼可增強(qiáng)用戶設(shè)置或智能偵測(cè)獲取的感興趣區(qū)域圖像質(zhì)量，準(zhǔn)確地保留視頻監(jiān)控目標(biāo)的關(guān)鍵信息，這樣在不提高碼流的情況下，獲得視頻監(jiān)控的關(guān)鍵信息。

圖1 1080p@2M，ROI關(guān)

圖2 1080p@2M，ROI開

感興趣區(qū)域編碼可將碼流資源按需分配，將有限的資源集中在一塊或多塊感興趣區(qū)域，這種處理思想不僅能夠滿足人們?cè)诘捅忍芈蕳l件下對(duì)重要的圖像信息實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量，甚至無損恢復(fù)的要求，還可以通過與圖像壓縮算法相結(jié)合來很好的解決通訊過程中的帶寬瓶頸、存儲(chǔ)空間等問題。這些突出的優(yōu)點(diǎn)使得感興趣區(qū)域編碼處理方法成為了近年來圖像處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

但是從感興趣區(qū)域編碼的原理來看，該技術(shù)存在一定的局限性，技術(shù)更多的定位于一些固定的單一場(chǎng)景監(jiān)控應(yīng)用，而對(duì)于大場(chǎng)景多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等復(fù)雜監(jiān)控場(chǎng)景而言，處理起來就沒有那么理想了。

Smart編碼

前面我們有提到監(jiān)控場(chǎng)景特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)大部分的使用場(chǎng)景有著固定的特征，比如通常情況下，背景是不變的;大部分時(shí)間畫面只有少量的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，甚至沒有;相對(duì)背景來說，用戶更加關(guān)注運(yùn)動(dòng)物體等。Smart編碼技術(shù)正是針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)將視頻壓縮技術(shù)與智能分析技術(shù)相結(jié)合，通過建立背景模型和提取前景目標(biāo)，對(duì)前景和背景采用不同的編碼方式，從而在保證主觀質(zhì)量的前提下，提高編碼壓縮性能，降低碼率。

 圖3 監(jiān)控場(chǎng)景特點(diǎn)

來看一下Smart編碼實(shí)現(xiàn)的原理。

視頻的應(yīng)用通常包括采集、編碼、傳輸、解碼、顯示等環(huán)節(jié);對(duì)于現(xiàn)有的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，包括H.264、H.265在內(nèi)，都只對(duì)解碼進(jìn)行規(guī)范化，也就是說只對(duì)碼流中每個(gè)比特的含義、以及每個(gè)比特如何解析使用進(jìn)行規(guī)定和說明，而從圖像如何得到碼流比特的編碼過程沒有規(guī)定，由各廠家自行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，即所謂的編碼方法。如果用語言來類比，語言中的詞語就是碼流的比特，語法規(guī)則就是碼流解析使用規(guī)則;在語言中，只規(guī)定每個(gè)詞語的含義以及詞語使用的語法規(guī)則，至于如何利用詞語和語法規(guī)則描述一件事情，是每個(gè)作者自身的創(chuàng)造。

圖4 壓縮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍

壓縮標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定編碼，而由各廠家自行設(shè)計(jì)，只要產(chǎn)生的碼率符合解碼的規(guī)則即可。換句話說，壓縮標(biāo)準(zhǔn)提供了一系列壓縮的工具，至于工具怎么用由廠家自行考慮。同樣的工具用的好，壓縮率就高;用的不好，壓縮率就低。舉個(gè)例子，H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)在剛剛頒布時(shí)，由于涉及能力、處理器性能局限，并沒有把H.264的工具用的很好，編碼性能與前一代壓縮標(biāo)準(zhǔn)的差距不大。隨著各廠家持續(xù)不斷的改進(jìn)編碼方法，H.264的性能逐漸挖掘出來，1080p圖像的碼率也逐漸從6Mbps降低到4Mbps甚至2Mbps。這也是Smart編碼技術(shù)能夠基于視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(比如H.264或者H.265等)提出進(jìn)一步提高壓縮率編碼方案的原因。

為了提高視頻壓縮率，Smart編碼采用了智能分析中的背景建模技術(shù)來指導(dǎo)編碼。背景建模技術(shù)將畫面中運(yùn)動(dòng)的物體和靜止的背景分離開，從而可以針對(duì)背景區(qū)域和運(yùn)動(dòng)區(qū)域采用不同的編碼方法。具體來說，Smart編碼在提高壓縮率方面采用的方法有：多幀參考、動(dòng)態(tài)I幀間隔、背景噪聲抑制。前兩種方法充分利用了監(jiān)控場(chǎng)景背景不變、運(yùn)動(dòng)區(qū)域少的特征;后一種方法則利用用戶關(guān)注運(yùn)動(dòng)區(qū)域的偏好。

圖5 smart編碼技術(shù)

由此看來，Smart編碼技術(shù)是基于視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(采用H.264或者H.265等標(biāo)準(zhǔn))，對(duì)常規(guī)視頻壓縮技術(shù)的進(jìn)一步挖掘提升。

H.265+Smart編碼

以當(dāng)前炙手可熱的H.265為例，結(jié)合H.265編碼和Smart編碼兩種技術(shù)，經(jīng)過大量測(cè)試表明，與普通的H.265編碼保持基本同等的主觀質(zhì)量，針對(duì)相機(jī)固定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)較少的監(jiān)控場(chǎng)景，“結(jié)合Smart編碼的H.265”平均碼率下降比例是70%左右;針對(duì)相機(jī)固定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)部分時(shí)間較多的監(jiān)控場(chǎng)景，“結(jié)合Smart編碼的H.265”平均碼率下降比例是50%左右;針對(duì)不斷大幅運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控場(chǎng)景，“結(jié)合Smart編碼的H.265”平均碼率下降比例還可達(dá)30%左右。

表1 1080p攝像機(jī)碼率對(duì)比測(cè)試

與此同時(shí)，“結(jié)合Smart編碼的H.265”為了保證運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的編碼質(zhì)量，瞬時(shí)峰值碼率會(huì)高于長周期的平均碼率，且運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所占圖像面積越大，瞬時(shí)峰值碼率會(huì)越高，但基本上不會(huì)高于同等主觀質(zhì)量下H.265編碼的瞬時(shí)峰值碼率。

在兼容性方面，“結(jié)合Smart編碼的H.265”仍然符合H.265標(biāo)準(zhǔn)，底層碼流可以被大部分支持H.265解碼的軟硬件所兼容。部分解碼設(shè)備及軟件可能需要在播放控制策略上稍作調(diào)整，以改善錄像文件拖動(dòng)時(shí)的體驗(yàn)。

由此可見，Smart編碼技術(shù)是針對(duì)監(jiān)控視頻的特點(diǎn)，在常規(guī)視頻編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化的一種編碼技術(shù)，可以較大幅度的降低視頻監(jiān)控場(chǎng)景的碼率，節(jié)省系統(tǒng)成本。

再回首2015年的深圳安博會(huì)，客戶關(guān)注點(diǎn)除了圖像效果，更多的是如何降低碼率，目前主要有兩種做法：第一種是采用感興趣區(qū)域編碼技術(shù)降低碼率，第二種則是采用Smart編碼技術(shù)降低碼率。從參觀者的反饋來看，第二種Smart編碼技術(shù)似乎更受歡迎，因?yàn)椴捎肧mart編碼技術(shù)的碼率得到顯著降低。

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的“Smart265”是基于視頻編解碼應(yīng)用的技術(shù)，專門針對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景的特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)，可在H.265編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升壓縮率，有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源。在白天的繁忙場(chǎng)景下，Smart265的碼率相比H.265可降低30%以上;當(dāng)夜晚畫面基本靜止時(shí)，Smart265的碼率相比H.265可降低70%以上(最低可達(dá)50-60kbps);不僅節(jié)約了帶寬資源，更有效節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

經(jīng)過多年的發(fā)展，編碼技術(shù)的進(jìn)步，不斷引領(lǐng)著安防行業(yè)的發(fā)展，成為安防企業(yè)在新的經(jīng)濟(jì)常態(tài)下以技術(shù)取勝的關(guān)鍵之一。隨著一系列國產(chǎn)編碼技術(shù)的出現(xiàn)，尤其Smart編碼技術(shù)的不斷深化與融合，成為了更高清視頻編碼的新選擇，實(shí)現(xiàn)了中國原創(chuàng)的編解碼技術(shù)的質(zhì)的飛躍。

(本文作者杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司技術(shù)支持工程師)