AVS在視頻監控系統中的應用

隨著計算機、視頻編碼以及網絡傳輸技術的飛速發展，視頻監控技術實現了巨大飛躍，視頻編碼技術作為遠程視頻監控的關鍵技術，受到了大家的關注。目前，視頻監控系統中主要采用的圖像壓縮標準H.261與MPEG-1，在應用中具有適應性和用戶交互性差的局限性。近些年產生的MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等視頻編碼標準提供了更高的數據壓縮比，尤其是H.264以其高質量、低碼流、適應性強的特點越來越廣泛地被應用在視頻監控系統中。

由于以上標準在專利池收費、知識產權以及技術實現復雜度方面存在一定的問題，制約了它們的發展。能否建立一種我國自主知識產權且性能相同或優于其他標準的視頻編碼標準，成為我們面臨的重要問題。在這種情況下，AVS（音視頻編碼技術標準）進入了我們的視線。

1 AVS視頻編碼標準

(1)AVS主要技術改進

AVS采用了許多先進的技術來保證其性能，是一項較有優勢的新標準。2003年底完成的AVS標準第2部分(AVS1-P2以下稱為AVS視頻標準)主要面向高清晰度、高質量數字電視廣播、數字存儲媒體和其它相關應用。它具有4大特點：性能高，編碼效率比MPEG-2高2倍以上,與H.264的編碼效率相當；算法復雜度比H.264低；軟硬件實現成本都低于H.264；專利授權模式簡單，費用明顯低于同類標準。

AVS視頻標準采用了與H.264類似的技術框架（如圖1），包括變換、量化、熵編碼、幀內預測、幀間預測、環路濾波等技術模塊。

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圖1

實現AVS視頻標準的主要先進技術如下。

平均信息量編碼

首先，AVS采用了k（k=0,1,2,3）階Exp-Golomb（指數哥倫布）編碼，CBP（宏塊編碼模板）、宏塊模式和運動矢量等采用0階指數哥倫布碼編碼，量化系數使用全部四種指數哥倫布碼,并采用2D-VLC對其進行編碼。由于對Exp-Golomp編碼表進行了調整，AVS解碼器并不需要存儲這些編碼表。而語法元素可以利用帶有可選擇查找表的簡單分析進行解碼。AVS定義的19個映射表盡管只占用了不到2Kbyte的空間，卻能很好地適應不同的分配，并具有很高的編碼能力。

?轉換和量化

與H.264和MPEG-2不同的是，AVS采用8×8整數轉換。為了減少解量化和逆轉換中的取整誤差，AVS還專門設置了一種特殊程序，并且各種操作均可在16位內完成。

幀內預測

AVS視頻標準采用了幀內預測技術，改進了幀內編碼的宏塊性能。與H.264相比，AVS定義了5種用于8×8亮度塊的模式和4種用于8×8色度塊的模式。

基準畫面

以往的視頻編碼標準（如MPEG-2）中，雙向預測編碼畫面(B畫面)通常以前一個畫面和/或后一個畫面為基準。雖然預測編碼畫面(P畫面)只用前一個畫面來預測當前畫面，但在解碼器內實際的基準緩沖空間相當于該畫面的兩倍大。而AVS完全采用基準緩沖器進行P緩沖器編碼，P畫面可用前面的兩個相鄰的I/P畫面作基準，因此在提升編碼效率的同時，占用的基準緩沖器空間仍與MPEG-2相同。

B畫面對稱模式

AVS以對稱模式取代了現有編碼標準的插值模式，只有前向活動矢量進行編碼，逆向活動矢量則通過前向和逆向間的相互關系得出。因此，至多有一種方向的活動矢量需要在AVS的B宏塊中進行編碼。

加權預測

AVS的加權預測功能可以在很大程度上改善編碼效率，尤其是在場景轉換和照明變化時。加權預測采用了一種簡單的線性模式，因此參數能在預測的圖像頭內進行編碼。但每個宏塊均可以自由選擇是否采用加權預測。

去塊濾波器

基于塊的視頻編碼經常會產生塊贗像，在低位率情況下這種現象會變得更明顯。為解決這一問題，AVS定義了一種適應性環路去塊濾波器，用以改進解碼視頻質量。除了畫面邊界或片邊界外，過濾功能還能用于亮度和色度塊的邊界。過濾的強度則取決于宏塊的類型、量化階、活動矢量和塊間的區別。

隔行編碼

在輸入隔行序列時，一個畫面既可以用一幀也可以用兩場(頂場和底場)進行編碼。只有幀和場間的畫面層適配可以用于當前的版本。在采用兩場編碼時，前一場由之前的解碼場預測，而后一場則通過前一場和之前的解碼場共同預測。兩個場分享一個圖像頭，但是它們應屬于不同的片。

(2)AVS與H.264的比較

視頻信息通常為海量信息，需要占用大量的存儲空間和傳輸帶寬，視頻標準研究的關鍵在于保證圖像視覺效果不失真的情況下優化算法、消除視頻數據重的冗余，最大范圍地壓縮視頻數據。

與目前性能最好的H.264標準進行比較，在圖像質量相近的情況下，AVS解碼復雜度相當于H.264的30%，AVS編碼復雜度相當于H.264的70%。復雜度越低，占用系統資源越少，系統效率則相應提高。具體技術模塊復雜度分析如表1所示。

2 AVS在視頻監控系統中的應用

(1)視頻監控系統的結構

一般可以將視頻監控系統分為前端設備、通信設備和后端設備三大部分。其結構如圖2所示。

圖2

前端設備主要包括視頻服務器和其他相關設備。云臺控制器可以控制攝像機旋轉聚焦，具有視頻切換、接收報警、接收測量溫度等功能。視頻服務器負責將視頻數字化，并通過視頻編碼對圖像進行壓縮，并可以通過接收到的前端控制信號調整云臺控制器。

后端設備主要包括視頻監控服務器和監控主機。視頻監控服務器接收前端視頻服務器發送過來的壓縮視頻與其他報警、溫度等信息，進而轉發到相應的監控主機中。監控主機根據得到的監控信息，發送控制指令。

(2)AVS在視頻監控系統中的應用

前端的視頻服務器中實現了視頻數字化以及視頻編碼壓縮功能，我們可以采用AVS標準對視頻信息進行編碼，在后端設備中進行解碼。這樣做的優點如下。

壓縮率和圖像質量

在視頻監控傳輸系統中，為了能和其他數據共同占用傳輸帶寬，在保證視頻圖像質量的情況下，傳輸視頻所占用的帶寬需要盡可能少，要求視頻編解碼高效且壓縮率高。

AVS標準能提供連續、流暢的高質量，并且在同等畫質下，AVS與H.264壓縮率相近，比上一代編碼標準MPEG-2平均節省64%的碼流，比MPEG-4要平均節約39％的傳輸碼流，并且通過對傳統的幀內預測、幀間預測、變換編碼和熵編碼等算法的改進，使AVS的編碼效率和圖像質量在以往標準的基礎上進一步提高。

網絡適應性

在視頻監控傳輸系統中，根據網絡的不同，能夠利用的傳輸帶寬也不同，那么AVS視頻如何適應不同帶寬的網絡進行傳輸呢？

AVS規定了不同的檔次和級別，檔次和級別對比特流進行了各種限制，同時也就規定了某一特定比特流編、解碼所需要的編、解碼能力。檔次是規定的語法、語義及算法的子集，符合某個檔次規定的編、解碼器必須完全支持該檔次定義的子集；級別是在某一檔次下對語法元素和語法元素參數值的限定集合，在給定檔次時，不同級別往往意味著編、解碼器能力和存儲器容量的不同。我們可以根據網絡傳輸能力以及應用質量要求的不同，采取不同的檔次和級別。

運動檢測的靈敏度和魯棒性

運動檢測的靈敏度和魯棒性是視頻監控系統的關鍵指標，是圖像跟蹤和實時報警的基礎，在傳統的運動檢測方法中一般使用單一的準則（信號能量門限控制）來判定運動的發生?，F在我們可以利用AVS的運動補償技術對視頻監控中的運動進行檢測。如：AVS標準的運動預測具有1/4像素精度，對運動矢量的計算更精細，更好地刻畫了圖像中的運動信息；AVS標準采用加權運動補償技術，可以去除圖像局部光線明暗變化、局部或整體畫面的輕微抖動帶來的相似性和關聯性。

自主標準化

AVS是我國自主制定的適合廣泛數字視頻使用的音視頻編碼技術標準，是基于自主技術和部分開放技術構建的開放標準，妥善解決了專利許可問題，同時兼顧了性能與實現復雜度之間的矛盾。中國日漸強大的產業化實力和市場也為其發展提供了良好的土壤。

3結語

AVS作為我國自主制定的音視頻編碼標準，相對其他信源標準有其明顯的優越性，特別是編碼效率高、實現復雜度相對較低、專利費用低等特點將有力地促進視頻監控技術的發展。