高速公路具有線(xiàn)型好，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，交通流量大,行車(chē)速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用先進(jìn)的監(jiān)控管理措施,可在交通量大、氣候惡劣的情況下極大地減少交通事故和交通阻塞的發(fā)生。在高速公路路網(wǎng)中逐漸推廣應(yīng)用全程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)高速公路交通狀況進(jìn)行全范圍無(wú)盲區(qū)監(jiān)視，并完全整體地掌握高速公路全線(xiàn)運(yùn)營(yíng)狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況并采取應(yīng)急措施，大幅縮短事故反應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化高速公路監(jiān)管模式，保證高速公路高速、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營(yíng)和管理。

由于高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)公路沿線(xiàn)采集的大量監(jiān)控視頻進(jìn)行壓縮和傳輸，因此，選用的視頻壓縮技術(shù)能否解決好視頻信息量大、占用傳輸帶寬大等問(wèn)題，一般都必須滿(mǎn)足兩個(gè)前提條件:一是傳輸?shù)膲嚎s視頻信號(hào)必須在一定的帶寬之內(nèi)，即視頻編碼應(yīng)具有足夠的壓縮比；二是視頻壓縮后的信號(hào)，在經(jīng)過(guò)解壓縮恢復(fù)后，應(yīng)保證一定的視頻質(zhì)量，即具有相對(duì)較低的失真。對(duì)于視頻壓縮技術(shù)的這兩點(diǎn)性能要求將直接影響到監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1  H.264編碼技術(shù)

H.264標(biāo)準(zhǔn)所擁有的優(yōu)異壓縮性能和良好的網(wǎng)絡(luò)親和性對(duì)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控十分重要，相比于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的靈活性，H.264著重于解決壓縮的高效率和傳輸?shù)母呖煽啃裕蚨鴳?yīng)用十分廣泛。

1.1  H.264視頻壓縮系統(tǒng)

H.264視頻壓縮系統(tǒng)由視頻編碼層(VCL)和網(wǎng)絡(luò)適配層(NAL)兩部分組成，圖1所示是H.264的分層結(jié)構(gòu)圖。其中VCL包括VCL編碼器與VCL解碼器,主要功能是對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼和解碼,它包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換編碼、嫡編碼等壓縮單元;NAL負(fù)責(zé)把VCL壓縮輸出的數(shù)據(jù)打包成NAL單元，因?yàn)镹AL單元可以很自由地更改成符合各種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的結(jié)構(gòu),幾乎適合所有的網(wǎng)絡(luò)接口。NAL釆用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，包括單個(gè)字節(jié)的包頭信息、多個(gè)字節(jié)的視頻數(shù)據(jù)與組幀、邏輯信道信令、定時(shí)信息、序列結(jié)束信號(hào)等。包頭中包含存儲(chǔ)標(biāo)志和類(lèi)型標(biāo)志，其中存儲(chǔ)標(biāo)志用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)不屬于被參考幀,類(lèi)型標(biāo)志用于指示圖像數(shù)據(jù)的類(lèi)型。

1. 2  H.264的編碼原理

H.264標(biāo)準(zhǔn)編碼的主導(dǎo)思想與現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)一致，即基于塊的混合編碼方法。但它采用了很多全新的編碼技術(shù):如幀內(nèi)預(yù)測(cè)、多參考幀間預(yù)測(cè)、殘差圖像的整數(shù)變換編碼、抗塊效應(yīng)濾波器等，這些技術(shù)的應(yīng)用使得H.264的視頻編解碼性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)。H.264的編碼原理框圖如圖2所示，首先，輸入的幀按幀內(nèi)或幀間預(yù)測(cè)編碼的方法進(jìn)行處理,幀內(nèi)預(yù)測(cè)的參考圖像可以在過(guò)去或未來(lái)已編碼解碼重建和濾波的幀中進(jìn)行選擇,幀間預(yù)測(cè)的參考幀則可以從已編碼解碼重建的圖像中選擇，因而必須有重建圖像的功能。預(yù)測(cè)值與當(dāng)前幀相減后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)殘差，該差可經(jīng)變換量化后由NAL供傳輸和存儲(chǔ)用，同時(shí)，這個(gè)殘差在經(jīng)反量化反變換后，也可得到重建圖像。

2  H.264視頻壓縮關(guān)鍵技術(shù)

2.1  幀內(nèi)預(yù)測(cè)

H.264通過(guò)引入空間域的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式來(lái)去除空間冗余，以獲得更高的壓縮效率。在幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式中，預(yù)測(cè)塊是基于已編碼重建塊和當(dāng)前塊形成的，即先依據(jù)已編碼重建塊形成一個(gè)預(yù)測(cè)塊,再對(duì)當(dāng)前塊與該預(yù)測(cè)塊的差值進(jìn)行編碼。4X4亮度塊有9種可選預(yù)測(cè)模式，可獨(dú)立預(yù)測(cè)每一個(gè)4X4亮度子塊,故適用于帶有大量細(xì)節(jié)的圖像編碼；16X16亮度塊有4種可選預(yù)測(cè)模式，可預(yù)測(cè)整個(gè)16X16亮度塊，適用于平坦區(qū)域圖像編碼;色度塊也有4種預(yù)測(cè)模式。編碼器通常選擇使預(yù)測(cè)塊與當(dāng)前塊差值最小的預(yù)測(cè)模式。

2.2  幀間預(yù)測(cè)

幀間預(yù)測(cè)用于降低圖像的時(shí)域相關(guān)性。幀間預(yù)測(cè)一般通過(guò)采用多幀參考和更小運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)區(qū)域等方法來(lái)對(duì)下一幀進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。H.264幀間預(yù)測(cè)是利用已編碼視頻幀/場(chǎng)和基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)模式，它與以往標(biāo)準(zhǔn)的不同之處在于塊尺寸范圍更廣（從16X16到4X4）,運(yùn)動(dòng)矢量的精度提高到1/4像素，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的預(yù)測(cè)能力得到進(jìn)一步的提高。H.264編碼器為幀的每個(gè)部分選擇了最佳分割尺寸，故可使傳輸信息量最小。每個(gè)區(qū)域都包含自己的運(yùn)動(dòng)矢量，每個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量和區(qū)域選取信息都必須通過(guò)編碼傳輸。因此，當(dāng)選用較大區(qū)域時(shí)，用于表示運(yùn)動(dòng)矢量和區(qū)域選取的數(shù)據(jù)量就會(huì)減小，但運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的殘差會(huì)增大;當(dāng)選用小區(qū)域時(shí)，殘差減小，預(yù)測(cè)更精確，但用于表示運(yùn)動(dòng)矢量和區(qū)域選取的數(shù)據(jù)量會(huì)增大。也就是說(shuō),大區(qū)域適合反映幀間同質(zhì)的部分,小區(qū)域適合表現(xiàn)幀間的細(xì)節(jié)部分。H.264還提供多參考幀可選模式,相對(duì)于1幀參考,5個(gè)參考幀可以節(jié)約5%?10%的比特率,而且有助于比特流的恢復(fù)。

2.3  整數(shù)變換

H.264可把運(yùn)動(dòng)估值和幀內(nèi)預(yù)測(cè)的殘差結(jié)果從時(shí)域變換到頻域，它使用了類(lèi)似于4X4離散余弦變換DCT（DiscreteCosineTransform）的整數(shù)變換，而不是像MPEG-2和MPEG-4那樣采用8X8DCT的浮點(diǎn)數(shù)變換。由于H.264使用的是以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換，因而具有效果好、計(jì)算快（只需加法與移位運(yùn)算)、反變換過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失配等優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合量化過(guò)程，可以保證在16位計(jì)算系統(tǒng)中，計(jì)算結(jié)果具有最大精度且不會(huì)溢出。同時(shí)，由于變換塊大小從8X8變?yōu)?X4,故能有效地減小塊效應(yīng)和震鈴效應(yīng)。

2.4  改進(jìn)的炳編碼

H.264標(biāo)準(zhǔn)采用的燜編碼有兩種：一種是基于內(nèi)容的自適應(yīng)變字長(zhǎng)編碼(CAVLC)與普通變字長(zhǎng)編碼(UVLC)相結(jié)合的編碼方法,另一種是基于內(nèi)容的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)。CAVLC和CABAC根據(jù)相鄰塊的情況進(jìn)行編碼，可以提高壓縮效率，但同時(shí)也增加了算法的復(fù)雜度。以往的標(biāo)準(zhǔn)都釆用UVLC,這種編碼方法雖然簡(jiǎn)單,但是忽略了符號(hào)相關(guān)性，同時(shí)由于沒(méi)有利用條件概率等，因而影響了UVLC在中高碼率時(shí)的壓縮效果。

2. 5  抗塊效應(yīng)濾波器

基于塊的編碼特性之一在于它的塊結(jié)構(gòu),重建塊時(shí)往往由于塊邊界像素值的量化誤差而形成了影響圖像主觀(guān)質(zhì)量的“塊效應(yīng)”。為了消除塊效應(yīng),提高解碼圖像的質(zhì)量，同時(shí)為了提供更好的參考圖像，H.264標(biāo)準(zhǔn)引入了基于內(nèi)容的抗塊效應(yīng)濾波器。即當(dāng)塊邊界上兩邊圖像差別較小時(shí)使用濾波器使差別平滑，若邊界上圖像特征比較明顯時(shí)則不用濾波。這樣既減弱了塊效應(yīng)的影響，又避免了濾掉圖像的內(nèi)容，同時(shí)在相同主觀(guān)質(zhì)量下可使碼率減小5%?10%。

3  H.264在高速公路視頻監(jiān)控中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

H.264視頻技術(shù)的突出特點(diǎn)有利于對(duì)視頻信源的高比率壓縮、信道的高效利用和對(duì)視頻傳輸瓶頸的緩解，并能夠產(chǎn)生不同等級(jí)的視頻質(zhì)量，以分別滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需要。高速公路視頻監(jiān)控要求對(duì)公路全線(xiàn)交通圖像進(jìn)行有效壓縮和傳輸，最大的難題在于傳輸帶寬和存儲(chǔ)容量的限制。另外，若監(jiān)控達(dá)不到實(shí)時(shí)性要求，則將喪失道路視頻監(jiān)控的初衷。對(duì)于之前的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求必然要降低碼率，進(jìn)而會(huì)在一定程度上降低圖像的質(zhì)量，但H.264技術(shù)優(yōu)異的壓縮性能和良好的網(wǎng)絡(luò)親和性可在保證圖像質(zhì)量的前提下很好地兼顧實(shí)時(shí)性的需求。H.264應(yīng)用在視頻監(jiān)控中有以下性能優(yōu)勢(shì):

(1) 更高的編碼效率：同MPEG-4.H.263等標(biāo)準(zhǔn)的編碼效率相比，H.264能在相同圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上平均節(jié)省約50%的碼率。H.264可以說(shuō)是目前壓縮效率最高的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),其節(jié)省的碼率等同于節(jié)省了帶寬,減輕了視頻傳輸信道的負(fù)擔(dān)，同時(shí)減小了壓縮后的視頻大小，這一點(diǎn)對(duì)降低視頻存儲(chǔ)容量至關(guān)重要；

(2) 更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力:H.264作為最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),采取了一系列切合實(shí)際的技術(shù)措施，如視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)提取層分離、封裝NAL單元等從而提高了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的抗誤碼性能，保證了視頻傳輸后壓縮視頻的QoS；

(3) 自適應(yīng)的時(shí)延特性:H.264既可以工作于低時(shí)延模式，以用于視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控場(chǎng)合，也可以工作于沒(méi)有時(shí)延限制的場(chǎng)合，如視頻存儲(chǔ)；

(4) 較強(qiáng)的錯(cuò)誤恢復(fù)功能:H.264標(biāo)準(zhǔn)提供有解決網(wǎng)絡(luò)傳輸包丟失問(wèn)題的工具,可保證在高誤碼率的信道中有效的傳輸數(shù)據(jù)。

(5) 面向IP包的編碼機(jī)制：H.264引入了面向IP包的編碼機(jī)制，有利于IP網(wǎng)絡(luò)中的分組傳輸，可支持網(wǎng)絡(luò)中視頻流媒體的傳輸,并且支持不同網(wǎng)絡(luò)資源下的分級(jí)傳輸。

H.264性能的大幅度改善所付出的代價(jià)就是編解碼算法復(fù)雜度的增加。據(jù)相關(guān)資料介紹,H.264的計(jì)算方法要比MPEG-4復(fù)雜20倍以上，也就是說(shuō),壓縮同一尺寸、相同質(zhì)量的視頻圖像需要更加高速的計(jì)算機(jī)才能完成。高速公路視頻監(jiān)控對(duì)視頻壓縮比和實(shí)時(shí)性有特殊的要求，但是，在其他方面的要求就相對(duì)較低，這樣一來(lái)，在實(shí)際構(gòu)建基于H.264的視頻傳輸系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于不重要的算法，可以進(jìn)行必要的舍棄，以降低編解碼復(fù)雜度，同時(shí)配合提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度來(lái)滿(mǎn)足視頻壓縮傳輸?shù)男枨蟆?

4  結(jié)語(yǔ)

作為一種新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，H.264標(biāo)志著視頻編碼技術(shù)在編碼效率、圖像質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和抗誤碼方面都取得了進(jìn)一步的成功。H.264視頻技術(shù)在高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用更加延伸出了對(duì)視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)更進(jìn)一步的技術(shù)需求。由于高速公路的監(jiān)控對(duì)象主要是行駛車(chē)輛，大范圍的背景圖像變化非常小，因此，可以設(shè)想，如果能針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)研究出圖像分層壓縮技術(shù),將行駛車(chē)輛和背景進(jìn)行分層壓縮和傳輸，那么，對(duì)于降低碼率、提高壓縮效率和圖像質(zhì)量，無(wú)疑具有劃時(shí)代的意義。

H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)在道路監(jiān)控方面具有廣闊的應(yīng)用前景,實(shí)際上，高速公路視頻監(jiān)控應(yīng)用了多方面的先進(jìn)技術(shù)，如光纖數(shù)字傳輸平臺(tái)的構(gòu)建、視頻信號(hào)的壓縮傳輸、攝像機(jī)和云臺(tái)的控制等，將這些技術(shù)進(jìn)行一體綜合研究與應(yīng)用，從而構(gòu)建智能化的高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)疑將成為長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究目標(biāo)。