视频编码技术的基本原理及现状分析
去域冗余信息
视频数据具有很强的相关性，也就是说，存在大量的冗余信息。冗余信息可以分为空间冗余信息和时间冗余信息。压缩技术就是去除数据中的冗余信息(去除数据之间的相关性)。压缩技术包括帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。
1.去域冗余信息
帧间编码技术可以去除时域中的冗余信息，它包括以下三个部分：
1.运动补偿
运动补偿是通过前一幅局部图像对当前局部图像进行预测和补偿，是减少帧序列冗余信息的有效方法。
2.运动表示
不同区域的图像需要使用不同的运动矢量来描述运动信息。运动矢量通过熵编码来压缩。
3.运动估计
运动估计是从视频序列中提取运动信息的一整套技术。
注意：常见的压缩标准都使用基于块的memc。
第二，去除空域中的冗余信息。
使用主要的帧间编码技术和熵编码技术：
1.变换编码
帧内图像和预测的差分信号具有高空间冗余信息。编码将空间信号转换到另一个正交向量空间，这降低了它的相关性和数据冗余。
2.量化编码
变换编码后生成一批变换系数，对这些系数进行量化，使编码器的输出达到一定的比特率。这一过程导致精确度下降。
3.熵编码
熵编码是无损编码。它进一步压缩变换和量化后获得的系数和运动信息。
三、视频编码的基本框架
261
H.261标准是为ISDN设计的，主要用于实时编解码。压缩和解压缩信号的时延小于150ms，码率为px64kbps(p=1~30)。
H.261标准主要采用运动补偿帧间预测、DCT变换、自适应量化、熵编码等压缩技术。只有I帧和P帧，没有B帧，运动估计的精度只精确到像素级。支持两种图像扫描格式：QCIF和CIF。
263
H.263标准是极低比特率图像编码的国际标准。一方面是基于H.261，以混合编码为核心。它的基本原理框图和H.261很像，原始数据和比特流组织也差不多。另一方面，H.263还吸收了MPEG等其他国际标准的一些有效合理的部分，如半像素精度运动估计、PB帧预测等，使其性能优于H.261。
H.263使用的比特率可能小于64Kb/s，传输比特率可能不固定(可变比特率)。H.263支持多种分辨率：SQCIF(128x96)、QCIF、CIF、4CIF和16CIF。
与H.261和H.263相关的国际标准
H.261相关的国际标准
H.320:窄带可视电话系统和终端设备；
H.221:视听电信业务中641920 kb/s信道的帧结构；
H.230:视听系统的帧同步控制和指示信号；
H.242:使用高达2Mb/s数字频道的视听终端的系统。
H.263相关的国际标准
H.324:甚低比特率多媒体通信终端设备；
H.223:极低比特率多媒体通信复合协议；
H.245:多媒体通信控制协议；
G.723.1.1:传输速率为5.3Kb/s和6.3 KB/s的语音编码器
联合图像专家组
1986年，国际标准化组织(ISO)成立了联合图像专家组(JPEG)，主要致力于制定连续色调、多级灰度和静止图像的数字图像压缩编码标准。基于离散余弦变换(DCT)的通用编码方法是JPEG算法的核心内容。
MPEG-1/2
MPEG-1标准用于在数字存储器上对运动图像及其伴音进行编码，其数字速率为1.5 MB/s，MPEG-1的视频原理框图与H.261相似
MPEG-1视频压缩技术的特点：1 .随机存取；2.快进/快退搜索；3.反向重放；4.视听同步；5.容错能力；6.编码/解码延迟。MPEG-1视频压缩策略：为了提高压缩比，必须同时使用帧内/帧间图像数据压缩技术。帧内压缩算法与JPEG压缩算法大致相同，采用基于DCT的变换编码技术，减少空间域的冗余信息。帧间压缩算法采用预测法和插值法。预测误差可以通过DCT变换编码进一步压缩。帧间编码技术可以减少时间轴方向的冗余信息。
MPEG-2被称为“21世纪的电视标准”。它在MPEG-1的基础上进行了许多重要的扩展和改进，但其基本算法与MPEG-1相同。
MPEG-4
MPEG-4标准不是MPEG-2的替代品，它侧重于不同的应用领域。MPEG-4的初衷是为了满足视频会议和可视电话对超低比特率压缩(小于64Kb/s)的需求。在制定过程中，MPEG组织深刻感受到人们对媒体信息尤其是视频信息的需求从播放型向基于内容的访问、检索和操作转变。
MPEG-4与前面提到的JPEG和MPEG-1/2非常不同。它为多媒体数据压缩和编码提供了更广阔的平台。它定义了一种格式和一个框架，而不是特定的算法。它希望建立一个更自由的交流和开发环境。因此，MPEG-4的新目标被定义为：支持各种多媒体应用，特别是多媒体信息的基于内容的检索和访问。解码器可以根据不同的应用需求现场配置。编码系统也是开放的，可以随时添加新的有效的算法模块。应用包括实时视听通信、多媒体通信、远程监控/监视、视频点播、家庭购物/娱乐等。
JVT:新一代视频压缩标准
JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG建立的联合视频小组，致力于制定新一代数字视频压缩标准。
JVT标准在ISO/IEC的正式名称是：MPEG-4 AVC(part10)标准；ITU-T中的名称：H.264(早期称为H.26L)
H264/AVC
H264综合了以往标准的优点，吸收了以往标准制定中积累的经验，采用简洁的设计，比MPEG4更容易推广。H.264发明了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术。并使用了更精细的亚像素运动矢量(1/4，1/8)和新一代环路滤波器，大大提高了压缩性能，改善了系统。
H.264具有以下优点：
1.高效压缩：与H.263和MPEG4 SP相比，比特率降低50%。
2.在延迟约束方面具有良好的灵活性。
3.容错
4.编码/解码的复杂性和可伸缩性
5.解码所有细节：没有错配。
6.高质量应用
7.网络友好性
监控中的视频编码技术
目前，监控中主要采用的视频编码技术有MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)和H.264/AVC等。对于最终用户来说，他主要关心的是：清晰度、存储容量(带宽)、稳定性和价格。不同的压缩技术会极大地影响上述因素。
MJPEG
MJPEG(运动JPEG)压缩技术主要是在静态视频压缩的基础上发展起来的。它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独压缩某一帧。
MJPEG压缩技术可以获得高清视频图像，并且可以动态调整帧率和分辨率。但由于没有考虑帧间变化，重复存储了大量冗余信息，所以单帧视频占用空间较大。目前最好的MJPEG技术也只能做到3K字节/帧，一般8~20K！
MPEG-1/2
MPEG-1标准主要针对SIF标准的分辨率(NTSC制352X240PAL (352X288)图像是压缩的。压缩比特率的主要目标是1.5 MB/s，与MJPEG技术相比，MPEG1-1在实时压缩、每帧数据量和处理速度上都有显著的提升。但是MPEG1-1也有很多缺点：存储容量太大，清晰度不够高，网络传输困难。
MPEG-2是在MPEG-1的基础上进行扩展和升级，并向后兼容MPEG-1。主要针对存储媒体、数字电视、高清等应用领域。其分辨率为：低(352x288)、中(720x480)、次高(1440x1080)和高(1920x1080)。与MPEG-1相比，MPEG-2视频的分辨率有所提高，满足了用户对高清的要求。但由于压缩性能提升不大，存储容量仍然过大，不适合网络传输。
MPEG-4
与MPEG-1/2相比，MPEG-4视频压缩算法在低比特率压缩方面有显著的改进。CIF(352*288)或更高清晰度(768*576)的视频压缩在清晰度和存储容量方面比MPEG-1有更大的优势，更适合网络传输。此外，MPEG-4可以方便地动态调整帧速率和比特率，以减少存储容量。
由于MPEG-4的系统设计过于复杂，MPEG-4难以完全实现和兼容，在视频会议、可视电话等领域难以实现，背离了初衷。此外，对于中国企业来说，他们不得不面对高额专利费的问题。目前规定：
1.每台解码设备需要向MPEG-LA支付0.25美元。
2.编解码设备也需要按时间付费(4美分/天=1.2美元/月=14.4美元/年)
H.264/AVC
H.264综合了以往标准的优点，在多个领域取得了突破性进展，使其取得了比以往标准好得多的整体性能：
1.与H.263和MPEG-4 SP相比，可节省高达50%的码率，大大降低存储容量；
2.H.264可以在不同分辨率、不同码率下提供高视频质量；
3.采用“网络友好”的结构和语法，使其更有利于网络传输。
H.264采用简单的设计，比MPEG4-4更容易普及，在视频会议和可视电话中实现，实现互联互通。它可以简单地与G.729等低比特率语音压缩形成一个完整的系统。
MPEG LA吸收了MPEG-4高昂的专利费，很难普及。MPEG LA制定了以下低H.264收费标准：H.264播放基本免费；产品内嵌H.264编解码器时，年产量10万台以下不收费，超过10万台每台0.2美元，超过500万台每台0.1美元。低专利费让中国的H.264监控产品更容易走向世界。
监控中视频编码分辨率的选择
目前，监测行业主要使用以下分辨率：SQCIF、QCIF、CIF和4CIF。
SQ和SQCIF的优点是存储容量低，可以在窄带内使用，这种分辨率的产品价格便宜。缺点是图像质量往往很差，不被用户接受。
CIF是目前监控行业的主流解决方案。其优点是存储容量低，可在普通宽带网络中传输，价格相对低廉，图像质量好，被大多数用户接受。缺点是画质达不到高清的要求。
4CIF是标清分辨率，优点是图像清晰。缺点是存储容量大，网络传输带宽要求高，价格高。
分辨率的新选择-528x384
2CIF(704x288)已被部分产品采用，以解决4CIF清晰度低、存储量大、价格高等缺点。但由于704x288只是水平分辨率的提升，所以画质的提升并不是特别明显。
经过测试，我们发现另一款2CIF的分辨率为528x384，比704x288更能解决CIF和4CIF的问题。特别是在512Kbps-1Mbps之间，可以获得稳定的高质量图像，可以满足用户对图像质量更高的要求。目前，该解决方案已经被许多网络多媒体广播所采用，并被广大用户所接受。比如杭州网通的网上影院，采用512x384的分辨率，在768k可以稳定获得类似DVD的画质。
视频编码在监控中的最佳实现方式
目前，视频编码正处于技术日新月异的时期，视频编码的压缩性能也在不断提高。
ASCI和DSP主要用于监控。由于ASIC芯片的设计和生产周期太长，跟不上视频编码的发展速度。DSP芯片由于其通用性设计，可以实现各种视频编码算法，并且可以及时更新视频编码器，跟上视频编码的发展速度。另外，使用DSP芯片可以比ASIC更灵活地配置编码器，使编码器达到最佳性能。
海康威视产品已经达到目前的技术水平。
海康威视产品采用最先进的H.264视频压缩算法和高性能DSP处理器。
强大的H.264视频压缩引擎使产品获得极高的压缩比、高质量的图像质量和良好的网络传输性能。高性能DSP处理器可以灵活配置视频编解码器：动态设置分辨率、帧率、比特率、图像质量等。可以输出双码流，实现分别处理本地存储和网络传输的功能。
使用TM130X DSP的产品，单个芯片可以实时压缩以下分辨率的所有视频：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。
采用DM642 DSP的产品，单芯片可以实时压缩四路视频，分辨率如下：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。单个芯片可以实时压缩两个4CIF视频。
1.基本概念：嵌入式、实时、多任务。
A.嵌入式：软件(包括操作系统和功能软件)集成到硬件系统中。简单来说，就是一个集软件和硬件于一体的系统。
b、实时：在规定时限内响应事件。超时的响应是失败的响应。
C.多任务处理：同时回应多个请求。
d、实时系统和分时系统：
实时与非实时
与分时和非分时(排他)相对
2.嵌入式硬盘录像机的特点
A.嵌入式实时多任务设备
b、软硬件专业，无冗余功能。
c、结构简单紧凑，体积小
嵌入式硬盘录像机的技术难点？
1、硬盘管理
记录数据的有效性、快速检索、错误恢复和硬盘的使用寿命(无论是嵌入式还是PC DVR，硬盘管理的问题目前还没有得到有效解决)
2.网络传输
录像机：网络管理
视频：网络传输
3.视频编码和解码
视频编解码及其辅助功能的实现
嵌入式硬盘录像机的现状如何？
1.国产品牌为主。
一、不同的技术要求和标准
b、客户定制服务要求越来越高。
C.及时的技术支持和售后服务
2.厂商越来越多，竞争激烈。
3.产品逐渐走向成熟。
七、嵌入式硬盘录像机的发展趋势？
1.更广泛的应用领域
2.更高的帧速率和分辨率
3.较低的码率
4、功能更丰富
5.更强的主机性能和对更多通道的支持
6.更高的可用性
7.更强的网络性能
8.与基于PC的DVR长期共存
市场背景
随着计算机和网络技术的快速发展，特别是视频编解码技术的日益成熟、计算机处理能力的快速提高和宽带的逐步普及，基于互联网的视频网络实时应用已经被许多行业和政府部门广泛采用，尤其是在银行、广播、石油、电力等行业，有很多成功的案例。
当提到基于互联网的视频网络的实时应用时，我们可能会更多地想到可视电话和视频会议系统、电视网络直播、远程教育等。这些互联网视频实时应用对硬件和软件的性能要求很高，既要求高帧率，又要求低码率，因此需要足够强的处理能力(包括算法和芯片处理能力)。然而，要具备这种处理能力，往往需要昂贵的专用设备。
对于涉及安防的数字视频网络监控系统，由于行业的特点，数据采集点多，需要相应配置大量的编码设备。因此，与其他实时视频网络应用相比，价格成为一个相对敏感的因素。
以往的数字视频网络监控系统基本都是基于局域网或者专网。然而，actu
例如，银行ATM机的数字集中监控系统可能需要提供基于互联网的解决方案：宽带为主，窄带为辅。
首先，ATM机预留的专网入口需要传输业务数据。考虑到24小时在线业务服务和ATM机24小时视频监控的要求，我们很难提供解决方案。在同一个专网上，既能保证稳定的业务数据传输，又能保证监控画面的流畅。所以我们需要考虑租用宽带运营商的线路，通过宽带传输视频数据。而且考虑到运行方式和成本，很多ATM并不需要随时传输视频数据，往往只在出现异常时才要求监控中心切换监控点；或者监控中心定期巡查各监控点时，需要在线。这种情况下，ATM机不需要常年租用线路，只需要ADSL，ISDN，甚至电话线连接。
近两年来，国内厂商不断推出高性能、高性价比的视音频压缩卡和嵌入式网络监控设备，使得基于互联网的数字视频网络监控成为可能，如上述ATM机数字集中监控系统。
