AVS在视频监控系统中的应用

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随着计算机、视频编码以及网络传输技术的飞速发展，视频监控技术实现了巨大飞跃，视频编码技术作为远程视频监控的关键技术，受到了大家的关注。目前，视频监控系统中主要采用的图像压缩标准H.261与MPEG-1，在应用中具有适应性和用户交互性差的局限性。近些年产生的MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等视频编码标准提供了更高的数据压缩比，尤其是H.264以其高质量、低码流、适应性强的特点越来越广泛地被应用在视频监控系统中。
由于以上标准在专利池收费、知识产权以及技术实现复杂度方面存在一定的问题，制约了它们的发展。能否建立一种我国自主知识产权且性能相同或优于其他标准的视频编码标准，成为我们面临的重要问题。在这种情况下，AVS（音视频编码技术标准）进入了我们的视线。
1 AVS视频编码标准
(1)AVS主要技术改进
AVS采用了许多先进的技术来保证其性能，是一项较有优势的新标准。2003年底完成的AVS标准第2部分(AVS1-P2以下称为AVS视频标准)主要面向高清晰度、高质量数字电视广播、数字存储媒体和其它相关应用。它具有4大特点：性能高，编码效率比MPEG-2高2倍以上,与H.264的编码效率相当；算法复杂度比H.264低；软硬件实现成本都低于H.264；专利授权模式简单，费用明显低于同类标准。
AVS视频标准采用了与H.264类似的技术框架（如图1），包括变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测、环路滤波等技术模块。




图1
实现AVS视频标准的主要先进技术如下。
平均信息量编码
首先，AVS采用了k（k=0,1,2,3）阶Exp-Golomb（指数哥伦布）编码，CbP（宏块编码模板）、宏块模式和运动矢量等采用0阶指数哥伦布码编码，量化系数使用全部四种指数哥伦布码,并采用2D-VLC对其进行编码。由于对Exp-Golomp编码表进行了调整，AVS解码器并不需要存储这些编码表。而语法元素可以利用带有可选择查找表的简单分析进行解码。AVS定义的19个映射表尽管只占用了不到2Kbyte的空间，却能很好地适应不同的分配，并具有很高的编码能力。
?转换和量化
与H.264和MPEG-2不同的是，AVS采用8×8整数转换。为了减少解量化和逆转换中的取整误差，AVS还专门设置了一种特殊程序，并且各种操作均可在16位内完成。
帧内预测
AVS视频标准采用了帧内预测技术，改进了帧内编码的宏块性能。与H.264相比，AVS定义了5种用于8×8亮度块的模式和4种用于8×8色度块的模式。
基准画面
以往的视频编码标准（如MPEG-2）中，双向预测编码画面(b画面)通常以前一个画面和/或后一个画面为基准。虽然预测编码画面(P画面)只用前一个画面来预测当前画面，但在解码器内实际的基准缓冲空间相当于该画面的两倍大。而AVS完全采用基准缓冲器进行P缓冲器编码，P画面可用前面的两个相邻的I/P画面作基准，因此在提升编码效率的同时，占用的基准缓冲器空间仍与MPEG-2相同。
b画面对称模式
AVS以对称模式取代了现有编码标准的插值模式，只有前向活动矢量进行编码，逆向活动矢量则通过前向和逆向间的相互关系得出。因此，至多有一种方向的活动矢量需要在AVS的b宏块中进行编码。
加权预测
AVS的加权预测功能可以在很大程度上改善编码效率，尤其是在场景转换和照明变化时。加权预测采用了一种简单的线性模式，因此参数能在预测的图像头内进行编码。但每个宏块均可以自由选择是否采用加权预测。
                          
                       
                          
                               
去块滤波器
基于块的视频编码经常会产生块赝像，在低位率情况下这种现象会变得更明显。为解决这一问题，AVS定义了一种适应性环路去块滤波器，用以改进解码视频质量。除了画面边界或片边界外，过滤功能还能用于亮度和色度块的边界。过滤的强度则取决于宏块的类型、量化阶、活动矢量和块间的区别。
隔行编码
在输入隔行序列时，一个画面既可以用一帧也可以用两场(顶场和底场)进行编码。只有帧和场间的画面层适配可以用于当前的版本。在采用两场编码时，前一场由之前的解码场预测，而后一场则通过前一场和之前的解码场共同预测。两个场分享一个图像头，但是它们应属于不同的片。
(2)AVS与H.264的比较
视频信息通常为海量信息，需要占用大量的存储空间和传输带宽，视频标准研究的关键在于保证图像视觉效果不失真的情况下优化算法、消除视频数据重的冗余，最大范围地压缩视频数据。
与目前性能最好的H.264标准进行比较，在图像质量相近的情况下，AVS解码复杂度相当于H.264的30%，AVS编码复杂度相当于H.264的70%。复杂度越低，占用系统资源越少，系统效率则相应提高。具体技术模块复杂度分析如表1所示。
2 AVS在视频监控系统中的应用
(1)视频监控系统的结构
一般可以将视频监控系统分为前端设备、通信设备和后端设备三大部分。其结构如图2所示。



图2
前端设备主要包括视频服务器和其他相关设备。云台控制器可以控制摄像机旋转聚焦，具有视频切换、接收报警、接收测量温度等功能。视频服务器负责将视频数字化，并通过视频编码对图像进行压缩，并可以通过接收到的前端控制信号调整云台控制器。
后端设备主要包括视频监控服务器和监控主机。视频监控服务器接收前端视频服务器发送过来的压缩视频与其他报警、温度等信息，进而转发到相应的监控主机中。监控主机根据得到的监控信息，发送控制指令。
(2)AVS在视频监控系统中的应用
前端的视频服务器中实现了视频数字化以及视频编码压缩功能，我们可以采用AVS标准对视频信息进行编码，在后端设备中进行解码。这样做的优点如下。
压缩率和图像质量
在视频监控传输系统中，为了能和其他数据共同占用传输带宽，在保证视频图像质量的情况下，传输视频所占用的带宽需要尽可能少，要求视频编解码高效且压缩率高。
AVS标准能提供连续、流畅的高质量，并且在同等画质下，AVS与H.264压缩率相近，比上一代编码标准MPEG-2平均节省64%的码流，比MPEG-4要平均节约39％的传输码流，并且通过对传统的帧内预测、帧间预测、变换编码和熵编码等算法的改进，使AVS的编码效率和图像质量在以往标准的基础上进一步提高。
网络适应性
在视频监控传输系统中，根据网络的不同，能够利用的传输带宽也不同，那么AVS视频如何适应不同带宽的网络进行传输呢？
AVS规定了不同的档次和级别，档次和级别对比特流进行了各种限制，同时也就规定了某一特定比特流编、解码所需要的编、解码能力。档次是规定的语法、语义及算法的子集，符合某个档次规定的编、解码器必须完全支持该档次定义的子集；级别是在某一档次下对语法元素和语法元素参数值的限定集合，在给定档次时，不同级别往往意味着编、解码器能力和存储器容量的不同。我们可以根据网络传输能力以及应用质量要求的不同，采取不同的档次和级别。
运动检测的灵敏度和鲁棒性
运动检测的灵敏度和鲁棒性是视频监控系统的关键指标，是图像跟踪和实时报警的基础，在传统的运动检测方法中一般使用单一的准则（信号能量门限控制）来判定运动的发生。现在我们可以利用AVS的运动补偿技术对视频监控中的运动进行检测。如：AVS标准的运动预测具有1/4像素精度，对运动矢量的计算更精细，更好地刻画了图像中的运动信息；AVS标准采用加权运动补偿技术，可以去除图像局部光线明暗变化、局部或整体画面的轻微抖动带来的相似性和关联性。
自主标准化
AVS是我国自主制定的适合广泛数字视频使用的音视频编码技术标准，是基于自主技术和部分开放技术构建的开放标准，妥善解决了专利许可问题，同时兼顾了性能与实现复杂度之间的矛盾。中国日渐强大的产业化实力和市场也为其发展提供了良好的土壤。
3结语
AVS作为我国自主制定的音视频编码标准，相对其他信源标准有其明显的优越性，特别是编码效率高、实现复杂度相对较低、专利费用低等特点将有力地促进视频监控技术的发展。