视频编码技术的基本原理及其现状分析
时域冗余信息
视频图像数据具有很强的相关性，也就是说，存在大量的冗余信息。其中，冗余信息可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。
首先，时域冗余信息
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
运动估计是一组从视频序列中提取运动信息的技术。
注意：常见的压缩标准都使用基于块的memc。
第二，去空域冗余信息
主要使用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。变换编码将空间信号变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，产生若干变换系数，这些系数被量化，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延迟小于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，运动估计的精度也只是在像素级别。支持两种图像扫描格式：QCIF和CIF。
263
H.263标准是一种非常低比特率的图像编码国际标准。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，原始数据和码流组织也差不多。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使用的比特率可以小于64Kb/s，传输比特率可以不固定(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.242:一种视听终端系统，使用高达2MB/s的数字频道.
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，国际标准化组织成立了JPEG(联合图像专家组)联合图像专家组，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)的常用编码方法是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的相似
MPEG-1视频压缩技术的特点是：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压缩算法几乎相同，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的初衷主要是针对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已经从播放转变为基于内容的访问、检索和操作。
MPEG-4与上面提到的JPEG和MPEG-1/2有很大的不同。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。它希望建立一个更加自由的交流和发展环境。因此，MPEG-4的新目标是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，并根据不同的应用需求现场配置解码器。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(以前称为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。设计简单，比MPEG4-4更容易推广。H.264开创了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，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MPEG-4SP相比，码率降低50%。
2、延迟约束具有良好的灵活性。
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，监控中主要使用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)和H.264/AVC等几种视频编码技术。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。使用不同的压缩技术会极大地影响上述因素。
MJPEG
MJPEG(运动JPEG)压缩技术主要是基于静态视频压缩。它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只压缩某一帧。
MJPEG压缩技术可以获得高清视频图像，并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，因此单帧视频占用的空间较大。目前流行的MJPEG技术最多只能做到每帧3千字节，一般是8 ~ 20千字节！
MPEG-1/2
MPEG-1标准主要针对SIF标准分辨率(NTSC制式为352X240PAL制是352X288)。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方面都有显著的提升。但是MPEG1也有很多缺点：存储容量还是太大，清晰度不够高，网络传输困难。
MPEG-2在MPEG-1的基础上进行了扩展和升级，MPEG-1向后兼容主要用于存储媒体、数字电视、高清等应用领域。分辨率为：低分辨率(352x288)、中分辨率(720x480)、次高分辨率(1440x1080)和高分辨率(1920x1080)。与MPEG-1相比，MPEG-2视频提高了分辨率，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。在CIF(352*288)或更高清晰度(768*576)的情况下，视频压缩在清晰度和存储容量上比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很难完全实现兼容，在视频会议、可视电话等领域也很难实现，偏离了初衷。此外，中国的企业不得不面对高额专利费的问题。目前规定：
1.每个解码设备需要支付MPEG-LA 0.25。
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集中了以往标准的优点，在多个领域取得了突破性进展，使其获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，更容易在视频会议和可视电话中实现，更容易实现互联互通，可以很容易地与G.729等低比特率语音压缩结合，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制定了以下低成本的H.264收费标准：H.264在播放时基本不收费；H.264编解码器嵌入产品时，年产量10万套以下免费，年产量10万套以上按0.2美元收费，年产量500万套以上按0.1美元收费。低专利费让中国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。
SQCIF和QCIF的优势是存储容量低，可以在窄带内使用，这个分辨率的产品价格便宜。缺点是图像质量通常很差，用户无法接受。
CIF是目前监控行业的主流解决方案。它的优点是存储容量低，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、存储容量大、价格高等缺点。但由于704x288只是提高了水平分辨率，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分辨率为528x384，比704x288更能解决CIF和4CIF的问题。特别是在512Kbps-1Mbps的码率下，可以获得稳定的高质量图像，满足了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。比如杭州网通在线影院采用512x384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快速变革的时期，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。而DSP芯片，由于其通用的设计，可以实现各种视频编码算法，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。
目前海康威视产品的技术水平。
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：动态设置分辨率、帧率、码率、画质等。可以双码流输出，实现本地存储和网络传输的功能。
使用TM130X DSP产品，单芯片可以实时压缩一路视频，分辨率如下：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。
使用DM642 DSP的产品，单个芯片可以实时压缩分辨率低于4个通道的视频：SQCIF、QCIF、CIF和2CIF(PAL:704x288或528x384)。单芯片可以实时压缩2路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，简单来说就是软硬件一体化的系统。
B.实时：在指定的时间限制内响应事件。超时响应是失败的响应。
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
分时和不分时(独占)是相对的。
2.嵌入式硬盘录像机的特点
一、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
硬盘记录数据的有效性、快速检索、错误恢复能力，以及硬盘的使用寿命(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
硬盘录像机：网络管理
视频：网络传输
3.视频编解码器
视频编解码器及其辅助功能的实现
嵌入式硬盘录像机的现状如何？
1.国产品牌占主导。
一、不同的技术要求和标准
b、定制服务的要求越来越高。
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.产品逐渐成熟。
7.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.更多功能
5、更强的主机性能，支持更多频道。
6.更高的可达性
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，尤其是银行、广播、石油、电力等行业，涌现出许多成功的案例。
说到基于互联网的视频网络的实时应用，我们可能会更多的想到可视电话和视频会议系统、电视网络直播、远程教育等等。这些实时的互联网视频应用对软硬件的性能要求很高，既要有高帧率，又要有低比特率，所以需要足够强的处理能力(包括算法和芯片处理能力)。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，与其他视频网络实时应用相比，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，很难保证这样的网络条件
比如银行的ATM数字化集中监控系统，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原来预留的专网入口需要传输业务数据。考虑到ATM 24小时在线业务服务和24小时视频监控的要求，我们很难提供一个既能保证业务数据稳定传输，又能保证同一专网上监控画面流畅的解决方案。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，往往只有在出现异常时才会主动要求监控中心切换监控点；或者监测中心定期检查监测点时需要在线。在这种情况下，你不需要常年为ATM租用线路，只需开通ADSL、ISDN甚至通过电话线连接即可。
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机集中数字监控系统。
