基于H.264的视频图像编解码技术研究.doc
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基于H.264的视频图像编解码技术研究.doc
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目录
摘要 1
关键词 1
1前言 2
1.1课题研究背景 2
1.2视频编解码的意义、目的及可行性 3
1.2.1视频编解码的意义、目的 3
1.2.2视频编解码的可行性 4
1.3视频压缩技术的国内外研究现状 5
1.3.1国内研究现状 6
1.3.2国外研究现状 6
1.4本论文研究的主要内容 9
2视频编解码基础 9
2.1视频信号的颜色模型 9
2.2视频图像的基本格式 11
2.3视频压缩的基本编码技术 11
2.3.1信息熵编码 11
2.3.2预测编码 12
2.3.3变换编码 12
3H.264视频编解码标准 12
3.1H.264标准概述 12
3.1.1标准框架 13
3.2H.264标准的新技术 13
3.2.1帧内预测 13
3.2.2高精度的运动估计 14
3.2.3多模式宏块划分 14
3.2.4整数DCT变换 15
3.2.5熵编码 15
3.2.6去块效应滤波 15
3.2.7VCL/NAL 16
3.3H.264编解码器 16
3.3.1H.264的视频编码器 16
3.3.2H.264的视频解码器 17
3.4H.264的关键算法 18
3.4.1运动估计算法 18
3.4.2帧间预测算法 19
4基于H.264的视频监控系统实验演示平台的设计 19
4.1引言 19
4.2编码器的选择 20
4.2.1两大开源编码器 20
4.2.2性能测试 20
4.3解码器的选择 23
4.4演示平台设计 23
4.5实验演示 26
5结论 27
参考文献 28
致谢 29
基于H.264的视频图像编解码技术研究
摘要:
目前对静止图像和视频序列图像的编解码技术的应用越来越广泛,图像编解码技术己经成为电视广播、视频监控和多媒体娱乐等中最重要的一部分。
由ITU-TVCEG和ISO/IECMPEG联合组成的JVT开发的H.264/MPEG14496-10AVC(文中后面将统一称其为H.264)是最新一代的视频编解码标准,也是目前图像通信领域研究的热点。
作为视频编解码领域的最新标准,H.264具有压缩率高、差错恢复能力强、适用范围广等优点。
为达到理想的数据压缩率,H.264编码器采用了很多新的编码算法,这些算法极大地增加了编码器的计算复杂性,使其目前在PC环境下的应用受到很多限制。
本文主要分析了H.264标准的原理,最后开发了基于H.264的视频监控系统的演示平台。
关键词:
H.264;视频编解码;差错恢复;视频监控
ResearchonVideoCodingAndDecodingTechnologiesBasedonH.264
Abstract:
Atpresentvideocodinganddecodingtechnologiesforstillimageandvideosequenceiswidelyusedinbroadcasttelevision,videosurveillanceandhomeentertainment.H.264|ISOMPEG4Part10ofMPEG4standardisanewgenerationvideocodinganddecodingtechnologiesforlowbit-ratevisualcommunications,whichwasdevelopedbyJointVideoTeam(JVT).JVTismadeupofITU-TVideoCodingExpertsGroup(VCEG)andISO/IECMotionPictureExpertsGroup(MPEG).H.264standardanditskeytechnologieswereanalyzed.Asthelateststandardinvideocodecfield,H.264hassuchadvantageashighcompressionrate,strongerrorresiliencecapacity,highlyadaptabilityandsoon.Inordertogaingoodcodingresult,H.264adoptssomanynewalgorithmsthattheamountofcalculationincreasedrastically.Asaresult,itsapplicationsinPCenvironmentarerestricted.thedissertationstudiedtheH.264'scodecmodel.Atlast,videosurveillancesystemdemonstrationprogrambased-onH.264wasimplemented.
Keywords:
H.264;videocodinganddecoding;errorresilience;videosurveillance
1前言
1.1课题研究背景
近年来,随着网络技术、传输技术和视频编解码等相关技术的不断发展,视频监控系统在智能交通、智能楼宇、银行、商场超市、医院校园、企业生产和生活小区等范围内得到了广泛应用,已经渗透到了生产生活中的各个领域,具有直观、方便和信息量丰富等特点。
视频监控系统随着相关技术的不断进步和发展,经历了三个发展阶段:
(1)模拟监控,视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输,并由控制主机进行模拟处理;
(2)半数字监控,视频仍以模拟方式采用同轴电缆进行传输,但数据通过硬盘录像机(DVR)进行处理、存储;(3)网络多媒体的数字视频监控,被采集的视频信号被数字化,经过压缩编码在数字通讯线路上进行传输,采用流媒体技术实现视频在网络上的多路复用传输。
视频监控系统将现场的图像和声音全天候地记录下来,并实时地传送到控制中心,可以使相关管理人员对各个现场情况了如指掌,对出现的各种情况进行处理,而且还可以在需要的情况下回放相关的历史资料。
因此,视频监控系统对安防、管理等提供了极大的方便。
对其展开研究具有重要的理论意义和实际价值。
视频监控需要将采集到的数据进行压缩编码,然后在网络中安全可靠的传输,在接收端进行解码回放,整个系统最关键的就是要保证监控的视频质量,如果画面模糊,无法分辨,就失去了监控的目的。
而且由于视频监控系统的数据量庞大,需要在保证图像质量的情况下有大的压缩比,这样可以占用更小的带宽和存储空间,节约成本。
所以视频图像压缩技术是视频监控系统中最关键的技术。
自1980年以来,国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)下属的国际电报电话咨询委员会(CCITT)陆续完成了各种数据压缩与通信的标准和建议,如MPEG系列和H.26X系列。
而且,目前针对上述不同的部分标准在实际中都得到了一定的应用。
本文主要针对由ITU-T和ISO/IEC联合开发的最新一代的编解码标准H.264进行研究。
并开发了基于H.264的视频监控系统的演示平台。
1.2视频编解码的意义、目的及可行性
1.2.1视频编解码的意义、目的
长期以来,人们在自然界感受到的最主要的信息是视觉信息,但早期的计算机和通信领域能够处理和传输的主要是文字和声音。
因此,早期的计算机和通信设备的处理能力跟人类的需求有很大的差距。
随着通信信道及计算机容量和速度的提高,图像信息已经成为通信和计算机系统的一种重要的处理对象。
这种基于声音和图像于一体的多媒体信息出现了,多媒体(Multimedia)又称为交互多媒体(InteractiveMultimedia),是计算机技术和视频、音频及通信等技术集成的产物,其数据来源包括文字、语音、音乐、静止图像、电视图像、电影、动画、图形等。
多媒体的数据量通常都比较庞大,尤其是电视图像、电影、动画等的数据,例如一幅640x480分辨率的24位真彩色图象数据量为:
640x480x24=7,372,800bits,约900K。
表1.1列出了几种常见的视频图像源未经编码(压缩)的原始数据率。
与文字信息不同,图像信息需要大的存储容量和宽的传输道,尤其是在需要实现大规模图像数据库和传输高分辨率实时图像序列的场合,即使以现在的技术,仍然难以满足原始数字图像存储和传输的需要。
表1.1常见视频源未经压缩的原始数据率
Table1.1Videocommonsourceoftherawuncompresseddatarate
视频源每秒帧率分辨率(帧内像素数)压缩数据率/Mbps
NTSC30720x480125
PAL25720x576125
VCR25352x28831
HDTV301920x10801000
对于大数据量的媒体对象必须首先考虑如何有效地进行传输和保存这些数据。
如对于视频会议、可视电话等多媒体数据的数据量是很大的,而且这种场合的应用通常要求实时性的。
因此,如何在一定带宽的情况下将尽量少的数据进行传输是实现实时性的基础。
再如,对于应用广泛的VCD,DVD等,通常需要在固定容量的碟片上尽可能的存储更多的数据信息,以便减少资源占用,节约成本。
从上述中可以看出,未经压缩的原始数据的数据量很大,则存储时要求的空间会很大,传输时要求的码率将会很高。
因此,为了减少存储空间,满足实时性要求,迫切需求对视频图像进行压缩。
压缩时需保证:
(1)压缩比高;
(2)压缩与解压的速度快;(3)解压图像的质量失真小。
由于人的视觉系统HVS(HumanVisualSystemHVS)和图像信息中存在着各种各样的冗余,使压缩成为了可能。
视频图像的压缩可以大大减少原始数据量,尤其是在高的压缩比的情况下。
这样就可以在一定的空间下存储更多的原始未经压缩的数据,一定的带宽下传输更多的原始未经压缩的数据。
视频压缩的主要目的就是在保证一定的图像质量的情况下,用尽可能少的位数来表达原始数据。
与图像信息相比,语音信息的数据量较小,且基本压缩方法己经成熟,目前的数据压缩研究主要集中于图像和视频信号的压缩方面。
表1.2列出了各种视频应用中的码率大小
表1.2各种视频应用的码率
Table1.2VariousvideoapplicationsRate
应用种类比特/象素象素数/行行数/帧帧数/秒比特/秒(压缩前)比特/秒(压缩后)
HDTV819201080301.18Gbps20-25Mbps
普通电视8720480
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- 基于 264 视频 图像 解码 技术研究