H.264视频技术在高速公路监控中的应用

高速公路具有线型好，设计标准高，交通流量大,行车速度快等优点。因此，采用先进的监控管理措施,可在交通量大、气候恶劣的情况下极大地减少交通事故和交通阻塞的发生。在高速公路路网中逐渐推广应用全程视频监控系统，可以对高速公路交通状况进行全范围无盲区监视，并完全整体地掌握高速公路全线运营状况,及时发现各种异常情况并采取应急措施，大幅缩短事故反应时间，优化高速公路监管模式，保证高速公路高速、安全、经济地运营和管理。

由于高速公路视频全程监控系统需要对公路沿线采集的大量监控视频进行压缩和传输，因此，选用的视频压缩技术能否解决好视频信息量大、占用传输带宽大等问题，一般都必须满足两个前提条件:一是传输的压缩视频信号必须在一定的带宽之内，即视频编码应具有足够的压缩比；二是视频压缩后的信号，在经过解压缩恢复后，应保证一定的视频质量，即具有相对较低的失真。对于视频压缩技术的这两点性能要求将直接影响到监控系统的运行效果。

1  H.264编码技术

H.264标准所拥有的优异压缩性能和良好的网络亲和性对实时视频监控十分重要，相比于MPEG-4标准的灵活性，H.264着重于解决压缩的高效率和传输的高可靠性，因而应用十分广泛。

1.1  H.264视频压缩系统

H.264视频压缩系统由视频编码层(VCL)和网络适配层(NAL)两部分组成，图1所示是H.264的分层结构图。其中VCL包括VCL编码器与VCL解码器,主要功能是对视频数据进行压缩编码和解码,它包括运动补偿、变换编码、嫡编码等压缩单元;NAL负责把VCL压缩输出的数据打包成NAL单元，因为NAL单元可以很自由地更改成符合各种网络传输协议的结构,几乎适合所有的网络接口。NAL釆用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头中包含存储标志和类型标志，其中存储标志用于指示当前数据不属于被参考帧,类型标志用于指示图像数据的类型。

1. 2  H.264的编码原理

H.264标准编码的主导思想与现有的视频编码标准一致，即基于块的混合编码方法。但它采用了很多全新的编码技术:如帧内预测、多参考帧间预测、残差图像的整数变换编码、抗块效应滤波器等，这些技术的应用使得H.264的视频编解码性能远远优于其他任何标准。H.264的编码原理框图如图2所示，首先，输入的帧按帧内或帧间预测编码的方法进行处理,帧内预测的参考图像可以在过去或未来已编码解码重建和滤波的帧中进行选择,帧间预测的参考帧则可以从已编码解码重建的图像中选择，因而必须有重建图像的功能。预测值与当前帧相减后会产生一个残差，该差可经变换量化后由NAL供传输和存储用，同时，这个残差在经反量化反变换后，也可得到重建图像。

2  H.264视频压缩关键技术

2.1  帧内预测

H.264通过引入空间域的帧内预测模式来去除空间冗余，以获得更高的压缩效率。在帧内预测模式中，预测块是基于已编码重建块和当前块形成的，即先依据已编码重建块形成一个预测块,再对当前块与该预测块的差值进行编码。4X4亮度块有9种可选预测模式，可独立预测每一个4X4亮度子块,故适用于带有大量细节的图像编码；16X16亮度块有4种可选预测模式，可预测整个16X16亮度块，适用于平坦区域图像编码;色度块也有4种预测模式。编码器通常选择使预测块与当前块差值最小的预测模式。

2.2  帧间预测

帧间预测用于降低图像的时域相关性。帧间预测一般通过采用多帧参考和更小运动预测区域等方法来对下一帧进行精确预测，从而减少传输的数据量。H.264帧间预测是利用已编码视频帧/场和基于块的运动补偿的预测模式，它与以往标准的不同之处在于块尺寸范围更广（从16X16到4X4）,运动矢量的精度提高到1/4像素，运动补偿算法的预测能力得到进一步的提高。H.264编码器为帧的每个部分选择了最佳分割尺寸，故可使传输信息量最小。每个区域都包含自己的运动矢量，每个运动矢量和区域选取信息都必须通过编码传输。因此，当选用较大区域时，用于表示运动矢量和区域选取的数据量就会减小，但运动补偿后的残差会增大;当选用小区域时，残差减小，预测更精确，但用于表示运动矢量和区域选取的数据量会增大。也就是说,大区域适合反映帧间同质的部分,小区域适合表现帧间的细节部分。H.264还提供多参考帧可选模式,相对于1帧参考,5个参考帧可以节约5%〜10%的比特率,而且有助于比特流的恢复。

2.3  整数变换

H.264可把运动估值和帧内预测的残差结果从时域变换到频域，它使用了类似于4X4离散余弦变换DCT（DiscreteCosineTransform）的整数变换，而不是像MPEG-2和MPEG-4那样采用8X8DCT的浮点数变换。由于H.264使用的是以整数为基础的空间变换，因而具有效果好、计算快（只需加法与移位运算)、反变换过程中不会出现失配等优点，并且结合量化过程，可以保证在16位计算系统中，计算结果具有最大精度且不会溢出。同时，由于变换块大小从8X8变为4X4,故能有效地减小块效应和震铃效应。

2.4  改进的炳编码

H.264标准采用的燜编码有两种：一种是基于内容的自适应变字长编码(CAVLC)与普通变字长编码(UVLC)相结合的编码方法,另一种是基于内容的自适应二进制算术编码(CABAC)。CAVLC和CABAC根据相邻块的情况进行编码，可以提高压缩效率，但同时也增加了算法的复杂度。以往的标准都釆用UVLC,这种编码方法虽然简单,但是忽略了符号相关性，同时由于没有利用条件概率等，因而影响了UVLC在中高码率时的压缩效果。

2. 5  抗块效应滤波器

基于块的编码特性之一在于它的块结构,重建块时往往由于块边界像素值的量化误差而形成了影响图像主观质量的“块效应”。为了消除块效应,提高解码图像的质量，同时为了提供更好的参考图像，H.264标准引入了基于内容的抗块效应滤波器。即当块边界上两边图像差别较小时使用滤波器使差别平滑，若边界上图像特征比较明显时则不用滤波。这样既减弱了块效应的影响，又避免了滤掉图像的内容，同时在相同主观质量下可使码率减小5%〜10%。

3  H.264在高速公路视频监控中的应用优势

H.264视频技术的突出特点有利于对视频信源的高比率压缩、信道的高效利用和对视频传输瓶颈的缓解，并能够产生不同等级的视频质量，以分别满足不同的应用需要。高速公路视频监控要求对公路全线交通图像进行有效压缩和传输，最大的难题在于传输带宽和存储容量的限制。另外，若监控达不到实时性要求，则将丧失道路视频监控的初衷。对于之前的视频压缩标准来说，实时性的严格要求必然要降低码率，进而会在一定程度上降低图像的质量，但H.264技术优异的压缩性能和良好的网络亲和性可在保证图像质量的前提下很好地兼顾实时性的需求。H.264应用在视频监控中有以下性能优势:

(1) 更高的编码效率：同MPEG-4.H.263等标准的编码效率相比，H.264能在相同图像质量的基础上平均节省约50%的码率。H.264可以说是目前压缩效率最高的视频压缩标准,其节省的码率等同于节省了带宽,减轻了视频传输信道的负担，同时减小了压缩后的视频大小，这一点对降低视频存储容量至关重要；

(2) 更强的网络适应能力:H.264作为最新的视频编码标准,采取了一系列切合实际的技术措施，如视频编码层和网络提取层分离、封装NAL单元等从而提高了网络适应性，增强了数据的抗误码性能，保证了视频传输后压缩视频的QoS；

(3) 自适应的时延特性:H.264既可以工作于低时延模式，以用于视频实时监控场合，也可以工作于没有时延限制的场合，如视频存储；

(4) 较强的错误恢复功能:H.264标准提供有解决网络传输包丢失问题的工具,可保证在高误码率的信道中有效的传输数据。

(5) 面向IP包的编码机制：H.264引入了面向IP包的编码机制，有利于IP网络中的分组传输，可支持网络中视频流媒体的传输,并且支持不同网络资源下的分级传输。

H.264性能的大幅度改善所付出的代价就是编解码算法复杂度的增加。据相关资料介绍,H.264的计算方法要比MPEG-4复杂20倍以上，也就是说,压缩同一尺寸、相同质量的视频图像需要更加高速的计算机才能完成。高速公路视频监控对视频压缩比和实时性有特殊的要求，但是，在其他方面的要求就相对较低，这样一来，在实际构建基于H.264的视频传输系统时，对于不重要的算法，可以进行必要的舍弃，以降低编解码复杂度，同时配合提高计算机运行速度来满足视频压缩传输的需求。

4  结语

作为一种新的国际标准，H.264标志着视频编码技术在编码效率、图像质量、网络适应性和抗误码方面都取得了进一步的成功。H.264视频技术在高速公路视频监控系统的广泛应用更加延伸出了对视频压缩标准更进一步的技术需求。由于高速公路的监控对象主要是行驶车辆，大范围的背景图像变化非常小，因此，可以设想，如果能针对这个特点研究出图像分层压缩技术,将行驶车辆和背景进行分层压缩和传输，那么，对于降低码率、提高压缩效率和图像质量，无疑具有划时代的意义。

H.264视频压缩标准在道路监控方面具有广阔的应用前景,实际上，高速公路视频监控应用了多方面的先进技术，如光纤数字传输平台的构建、视频信号的压缩传输、摄像机和云台的控制等，将这些技术进行一体综合研究与应用，从而构建智能化的高速公路视频监控系统，无疑将成为长远的研究目标。