H.264视频压缩标准拓展视频监控的潜力

当视频解码器逐个帧地对比特流进行解码以便重构视频时，必须始终从I帧开始解码。如果使用了P帧和B帧，则必须与参考帧一起解码。

在H.264基准类中，仅使用I帧和P帧。由于基准类没有使用B帧，所以可以实现低延时，因此是网络摄像机和视频编码器的理想选择。

6.减少数据量的基本方法

可以通过各种方法在一个图像帧内或者在一系列帧之间减少视频数据量。

在某个图像帧内，只需要删除不必要的信息就可以减少数据量，但这样做会导致图像的分辨率下降。

在一系列的帧内，可以通过差分编码这样的方法来减少视频数据量，包括H.264在内的大多数视频压缩标准都采用这种方法。在差分编码中，会将一个帧与参考帧（即前面的I帧或P帧）进行对比，然后只对那些相对于参考帧来说发生了变化的像素进行编码。通过这种方法，可以降低需要进行编码和发送的像素值。

图3.对M-JPEG格式来说，上述序列中的三个图像分别作为独立的图像（I帧）进行编码和发送，彼此之间互不依赖。

图4.对差分编码（包括H.264在内的大多数视频压缩标准都采用这种方法）来说，只有第一个图像（I帧）是将全帧图像信息进行编码。

如果是根据像素块（宏块）而不是单个的像素来检测差别并进行差分编码，还可以进一步减少需要编码的信息量；因此，可以对更大的区域进行对比，而只需对那些存在重大差别的块进行编码。此外，对发生更改的区域位置进行标记的相关开销也将大大降低。

然而，如果视频中存在大量物体运动的话，差分编码将无法显著减少数据量。这时，可以采用基于块的运动补偿技术。基于块的运动补偿考虑到视频序列中构成新帧的大量信息都可以在前面的帧中找到，但可能会在不同的位置上。所以，这种技术将一个帧分为一系列的宏块。然后，通过在参考帧中查找匹配块的方式，逐块地构建或者"预测"一个新帧（例如P帧）。如果发现匹配的块，编码器只需要对参考帧中发现匹配块的位置进行编码。与对块的实际内容进行编码相比，只对运动矢量进行编码可以减少所占用的数据位。

图5.基于块的运动补偿图示

7.H.264的效率

H.264将视频压缩技术提升到一个新的高度。在H.264中，将通过新的高级帧内预测方法对I帧进行编码。这种方法通过对帧中每个宏块内较小的像素块进行连续预测，可以大大减少I帧所占的数据位并保持较高的质量。这一点可通过在与进行帧内编码的新4×4像素块相邻接的前几个编码像素中，寻找匹配的像素来实现。通过重复利用已编码的像素值，可以极大地减少需要编码的位数。新的帧内预测功能是H.264技术的关键部分，实验证明，这种方法非常有效。与只使用I帧的M-JPEG视频流相比，只使用I帧的H.264视频流的文件大小要小得多。

图6.以上是H.264帧内预测方法的效率图示。通过这种方法，帧内预测图像将"免费"发送。只需对残留图像和帧内预测模式进行编码，就可以生成输出图像。

对P帧和B帧进行编码时所采用的基于块的运动补偿，在H.264中也得到了改进。H.264编码器可以在一个或多个参考帧的少数或众多区域内，以低至子像素的精度搜索匹配的块。为了提高匹配率，可以对块的大小和形状进行调整。在参考帧中，对于找不到匹配块的区域，将会使用帧内编码的宏块。H.264基于块的运动补偿具有高度的灵活性，非常适合人群比较拥挤的监控场所，因为它能够保证较高的质量，以满足严格的应用要求。运动补偿是视频编码器要求最严格的一个方面，H.264编码器实施运动补偿的不同方式以及其实施程度，将会影响视频压缩的效率。

对于H.264，通过使用环内去块效应滤波器，可以减少在使用M-JPEG和MPEG标准（而不是H.264标准）的高度压缩视频中通常出现的图像模糊现象。此过滤器能够通过自适应强度使块边缘变得平滑，从而确保输出几乎完美无缺的解压缩视频。

图7.从右边的图中我们可以看到，在应用了去块效应滤波器之后，左图中高度压缩图像的块状效应已经大大降低。

8.结论

H.264代表着视频压缩技术的一个重大飞跃。由于该技术具有更精确的预测能力和更高的容错能力，因此可实现更高的压缩效率。它将有可能推动视频编码器进一步向前发展，从而能够在同样的比特率下提供更高质量的视频流、更高的帧速以及更高的分辨率（与先前的标准相比）；或者反过来说，能够在同样的视频质量下降低比特率。

H.264是ITU、ISO和IEC首次在视频压缩方面联合制定的一个通用国际标准。由于其具有高度的灵活性，H.264已广泛应用于各种领域中，例如：高清DVD（例如蓝光）、数字视频广播（包括高清TV）、在线视频存储（例如YouTube）、3G移动电话、软件（例如QuickTime、Flash和苹果计算机公司的MacOSX操作系统等），以及家用电视游戏机（例如PlayStation3等）。在众多行业的支持下，以及在为满足个人消费者和专业用户需求的应用的推动下，H.264有望取代当今市场中使用的其它压缩标准和方法。

随着H.264格式更加广泛地应用于网络摄像机、视频编码器和视频管理软件，系统设计商和集成商将需要确保他们所选择的产品和厂商能够支持这一全新的开放标准。就目前来说，能够同时支持H.264和M-JPEG的网络视频产品具有最高的灵活性和集成能力，因此是用户的理想选择。