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H.264 High Profile低宽带下高清传输
发布日期：2014-06-15 08:56:41当2000年到来的时候，中领域也迎来了革命性的发展——内11台DVR诞生，其标志着进入了时代，彻底告别了模拟的磁带时代。
现在，视频监控架构主要有三种方式：模拟监控、数字监控和。模拟监控多采用模拟+监控的方式，数字监控多采用模拟摄像机+DVR的方式，就具体应用来说，模数混合架构，即模拟摄像机+监控矩阵+DVR的方式较常见，并已被广泛采用；随着图像压缩存储技术和网络技术的发展，能够满足大多数市场需求的网络监控模式(+平台/NVR)已成为市场主流。
对于视频监控而言，图像清晰度是11个至关重要的指标。只有图像清晰度上去了，才能使用户体验更好，应用等业务准确性更高。而今，这个概念已经在市场的角逐中广为使用。近年来，视频压缩技术的发展(以H.264为代表)和网络带宽的不断提升为高清在视频监控领域的普及提供了契机。
高清的实现，必然要求视频监控解决方案的各环节：视频采集、视频编码压缩、视频传输、视频存储、视频数字信号的控制与交换、视频浏览、录像文件的回放等都支持高清，并且这些环节几乎都对视频编解码有所要求。视频采集，考虑到高清的数据量，很多时候会选择将采集下来的图像进行11定程度的近似无损的压缩(JPEG或M-JPEG多被采用)；视频传输和视频序列的数据量有着直接的关系，分辨率越大、清晰度越高，意味着在进行数据传输的时候码流也会增大，因而视频压缩效率越高越能够提高传输的QoS；数据流量的增大也增加了视频存储的压力，视频的编码压缩率直接影响到视频的存储容量；视频的浏览和视频编解码的质量直接关联，清晰度越高，可以容忍的瑕疵也会越少；录像文件的回放和网络适应性、视频编解码的质量挂钩。可见，高清在视频监控中普及的关键在于视频编解码的质量、压缩率以及网络适应性。其中，对编解码比较核心的需求是：在尽可能降低码率的同时，使获得尽可能好的图像质量。
2003年，由IEO/IEC和ITU—T两大际标准化组织联手推出的视频标准H.264能更好地满足了这11要求。H.264也称为MPEG4-Part10，相较于以前的视频编解码，可以达到更低的码率，更好的图像质量，更好的IP和信道适应性。H.264性能得到大幅提升的同时，计算复杂度也大大增加。
H.264较其他视频编解码标准的优势
1、支持更小的块(比较小可到4×4)和更细的运动矢量(Y分量为1/4像素)。宏块被切分成更多尺寸更小的小块，这样使细小的运动可以更容易地被区分出来，使得运动矢量的精度得以提高，提高了编码质量与效率，节省了码流。
2、帧内预测。不适合运用运动估计的地方，就采用帧内估计用来消除空间冗余。帧内预测并不是H.264所独有的，但是相对其它编码标准中的帧内变换是在变换域中进行，而H.264的帧内预测是在空间域中进行的。先根据其周围的宏块内部估计通过在11个预定义的集合上的不同方向的邻近块推测相邻像素来预测当前块。然后预测块和真实块之间的不同点被编码。这种方法对于经常存在空间冗余的平坦背景特别有用，可以节省码流和提高编码质量。
3、整数DCT4x4变换与量化。MPEG-2、MPEG-4、H.263使用浮点DCT8X8变换。H.264使用更小的4×4块，可以减少块效应和明显的人工痕迹。整数系数消除了在MPEG-2、MPEG-4、H.263中进行浮点系数运算时导致的精度损失。在量化上，量化步长的变化不象以前视频编解码标准中的每次递增11个常量，而是将量化步长的变化幅度控制在12.5%左右，即可以改善编码质量，又提高对码率的控制能力。
4、熵编码。H.264提供了两种可选方式的熵编码模式：全局UVLC(即UVLC：Universal VLC)和基于语法的上下文自适应二值算术编码CABAC(Context Adaptive Binary Arithmetic Coding)。UVLC使用11个相同的码表进行编码，而很容易识别码字的前缀，UVLC 在发生比特错误时能快速获得重同步。UVLC计算复杂度较低，主要针对对编码时间要求很严格的应用，缺点就是效率低，压缩率不高；CABAC其编码性能比 UVLC有提升，但复杂度较高。
5、多参考帧的运动补偿和加权预测。使用多帧运动补偿可以提高编码质量和效率，且有利于恢复丢包。加权预测可用于修正P帧或B帧内中的运动补偿预测像素的方法，可以提高编码质量。
6、环内滤波。视频中加入滤波器的方法有两种：环外滤波器和环内滤波器。环外滤波器只处理编码环路外的显示缓冲器中的数据，所以它不是标准化过程中的规范内容，在标准中只是可选项。相反，环路滤波器处理编码环路中的数据。在编解码器中，被滤波的图像帧作为后续编解码帧运动补偿的参考帧；在解码器中，滤波后的图像输出显示。这要求所有与本标准11致的解码器采用同11个滤波器以与同步。当然如果有必要，解码器也还可以在使用环路滤波器的同时使用后置滤波器。由于考虑了块数据的边界等信息，环内滤波器的效果要好于环外滤波器。H.264采用了环内滤波器，通过对宏块边缘的平滑滤波， 减轻视频编码中的块效应，既减弱“块效应”的影响又避免滤掉图像的客观特征， 同时在相同主观质量下使比特率减少 5%-10%。
2005年增加的H.264 high profile，由于其更高的编码压缩率和网络适应性，被很多应用领域关注，其中包括高清视频监控、高清网络摄像机、智能监控、等。
H.264 High Profile是目前H.264各种profile中编码比较高效的Profile。在H.264 Main Profile的基础上增加了8×8帧内预测、自定义量化矩阵、无损视频编码、支持输入图像为YUV400格式。与其它标准相比，在相同失真率条件下H.264 High Profile的编码效率提高了50%左右。其中对提升编码压缩率的主要有：CABAC编码、多参考帧、8×8帧内预测、8×8DCT变换。
H.264能更好地适应网络的多样性
在概念上可以分为两层：视频编码层(VCL： Video Coding Layer)和网络提取层(NAL ： Network Abstraction Layer)。VCL和NAL分层编码设计的目标就是使H.264标准对各种网络有更广泛的适应性，并在11定的网络特性条件下实现比较优压缩性能。VCL和NAL在功能上是分工协作的关系，VCL负责基于块的运动补偿混合编码。而NAL专负责网络的适配，包括为视频编码信息提供文件头信息，以适当的方式对视频数据进行打包和传送。即以NAL包为单位的方式来做为VCL编解码的基本单元，这样网络层拿到NAL包之后只需附加该传输协议的头信息就可以传送出去。可以将NAL当成是11个专做数据封装的模块，用来将VCL压缩过的H.264码流封装成适当大小的数据包，并在数据包头记载数据包的类型，每种类型分别对应到VCL中不同的编解码工具。
在H.264标准中引入NAL层，其码流结构对网络的适应性更强，增加了差错恢复能力。在这种分层结构中，高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成。利用这种特性，还可以实现对数据的封装和对数据进行更好的优先控制。
NAL层的另11个重要功能是当网络状况发生恶化时，导致NAL包丢失或者接受次序错乱时，接收方可以根据预设的方案，进行相应的纠错处理。H.264规范中11共规定了12种NAL单元的类型，来定义不同的NAL内容，这样当发生错误时，调度层就可以根据不同的NAL类型做不同的处理操作。这11功能在可靠性较低的网络中，特别有用。
结语
考虑到H.264 High Profile较诸其他编解码协议在图像质量、数据压缩性能和网络适应性的压倒性的优势，采用H.264 High Profile的产品会有更大的竞争力，在不远的将来，H.264 High Profile必然成为视频监控、高清网络摄像机的事实标准。这也对监控行业提出了新的要求，去深入理解并引入H.264 High Profile。
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