支持監(jiān)控視頻高效壓縮與識別的IEEE 1857標(biāo)準(zhǔn)

　　2013年上半年，第三代視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)(ITU-T H.265，ISO/IEC HEVC)即將頒布[7]，其視頻編碼效率比H.264提高一倍，也被監(jiān)控行業(yè)寄予厚望。但是，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的更新?lián)Q代和壓縮效率的提高，都是以更高的計算復(fù)雜性換來的，壓縮效率提高一倍，計算復(fù)雜度往往要提高五倍甚至更多，從而導(dǎo)致編碼器/編碼芯片價格居高不下。據(jù)分析^[8]，HEVC解碼器/解碼芯片復(fù)雜度與比H.264增加一倍左右，但是編碼器復(fù)雜度是H.264的四倍以上，因此HEVC實(shí)時編碼器/編碼芯片的開發(fā)還需要一段時間。對于電視廣播來說，每個頻道一臺編碼器就可以服務(wù)億萬用戶，因此編碼器復(fù)雜度高、價格高不是大問題。但是，視頻監(jiān)控與數(shù)字電視恰恰相反，解碼器需求不多(很多視頻可能從未解碼查看過)，但每個攝像頭都需要一顆編碼器，這就要求在提高壓縮效率的同時，編碼算法復(fù)雜度應(yīng)該保持較低的水平。

　　在面向數(shù)字電視的視頻編碼國家標(biāo)準(zhǔn)于2006年頒布后，我國AVS工作組開始著手面向行業(yè)應(yīng)用對已頒布國標(biāo)進(jìn)行了定向擴(kuò)展。從2007年開始，在2006年國標(biāo)的基準(zhǔn)檔次(面向數(shù)字電視)基礎(chǔ)上，相繼擴(kuò)展出加強(qiáng)檔次(面向高清電影等應(yīng)用)、伸展檔次(面向視頻監(jiān)控等應(yīng)用)和移動檔次(面向手機(jī)流媒體等應(yīng)用)三個部分。其中伸展檔次(簡稱AVS-S)是全球第一個針對視頻監(jiān)控應(yīng)用制定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。

　　AVS-S制定工作起始于2007年開始，需求分析是在國家有關(guān)部門和視頻監(jiān)控行業(yè)多家企業(yè)共同參與下完成的。經(jīng)過兩年的努力，通過在基準(zhǔn)檔次的基礎(chǔ)上增加適合監(jiān)控視頻特點(diǎn)的專用工具，于2009年完成了“伸展檔次”(簡稱AVS-S)。該標(biāo)準(zhǔn)針對視頻監(jiān)控全天候工作的特點(diǎn)，以監(jiān)控現(xiàn)場的視頻序列為測試基準(zhǔn)，通過競爭方式選擇、評估合適的視頻編碼技術(shù)制定而成。AVS-S不僅能夠提高典型監(jiān)控場景的編碼效率，支持單色、彩色、紅外序列編碼，而且具有更強(qiáng)的抗誤碼特性和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，具有時域可伸縮性，能夠滿足視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸條件復(fù)雜的要求。更進(jìn)一步，該標(biāo)準(zhǔn)還提供了基于靈活條帶和條帶集的感興趣區(qū)域編碼方法，能夠支持圖像區(qū)域標(biāo)記、區(qū)域事件標(biāo)記、攝像機(jī)標(biāo)記等監(jiān)控要求，并為感興趣區(qū)域檢測、對象分割、對象跟蹤等智能應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展預(yù)留了空間。

　　我國數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)廣泛使用AVS的重要原因是國外組織對采用國際標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)和運(yùn)營商征收高額專利費(fèi)，這個問題在視頻監(jiān)控行業(yè)并不明顯，因此監(jiān)控產(chǎn)業(yè)界轉(zhuǎn)換到這樣一個效率相當(dāng)?shù)男聵?biāo)準(zhǔn)的動力不足。通過與視頻監(jiān)控行業(yè)的企業(yè)和應(yīng)用單位的交流和調(diào)研，AVS工作組判斷，只有編碼效率大幅度超越H.264，才能大幅度直接降低監(jiān)控系統(tǒng)成本，新標(biāo)準(zhǔn)才有得到應(yīng)用的可能?；谶@個原因，2010年3月，AVS工作組啟動了第二代視頻監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)(AVS-S2)的制定工作。AVS-S2針對監(jiān)控場景固定的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)基于塊劃分的混合編碼框架的基礎(chǔ)上，添加了基于背景幀的預(yù)測編碼技術(shù)，形成了新的編碼框架。與傳統(tǒng)基于塊劃分的混合編碼框架相區(qū)別，AVS-S2的編碼框架中包含新加入的背景建模單元、更新的基于背景幀的幀間運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測單元、背景幀緩存以及與背景建模和背景幀預(yù)測相關(guān)的控制邏輯，并在2011年底完成了標(biāo)準(zhǔn)起草工作。2012年，面向立體電視和高清電視的AVS+標(biāo)準(zhǔn)制定完成，并被國家廣電總局頒布為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，AVS+新增的一個重要工具是高級熵編碼，這個工具也同樣可以用于AVS-S2。包含所有這些工具的新版AVS標(biāo)準(zhǔn)于2012年10月通過了IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會設(shè)定的會員投票程序，于2013年3月獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會會議的審核通過，2013年6月上旬印刷頒布為IEEE 1857標(biāo)準(zhǔn)。

　　AVS-S2監(jiān)控視頻編碼背景建模技術(shù)

　　AVS標(biāo)準(zhǔn)的一個重要技術(shù)特色是針對應(yīng)用需要制定簡潔高效的標(biāo)準(zhǔn)方案和算法組合，2006年頒布的AVS國家標(biāo)準(zhǔn)是針對數(shù)字電視需要而設(shè)計的，在變換、量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、環(huán)路濾波等方面提出了一系列的新技術(shù)，在解碼復(fù)雜度只有H.264的70%、編碼復(fù)雜度只有H.264的30%的情況下，獲得了與H.264相當(dāng)?shù)木幋a效率。

　　與H.265再次提高編碼復(fù)雜度的做法不同，AVS-S2大幅度提高編碼效率的主要“秘訣”是針對監(jiān)控視頻場景長期不變的特點(diǎn)，通過背景建模的方式去除了大量存在的“場景冗余”。監(jiān)控視頻與傳統(tǒng)影視視頻最大的不同在于其拍攝范圍限定在一定場景中，“場景”冗余是傳統(tǒng)視頻編碼方法沒有深挖的“大金礦”。AVS-S2通過對監(jiān)控背景和前景進(jìn)行建模，大幅度提高了編碼效率。對于固定攝像機(jī)拍攝的監(jiān)控視頻，通過背景建模和前景學(xué)習(xí)能夠?qū)⒕幋a效率提高一倍左右，這是編碼領(lǐng)域的一個重要創(chuàng)新，下面具體介紹AVS-S2增加的背景建模技術(shù)。

　　首先，AVS-S2在傳統(tǒng)基于塊劃分的混合編碼框架的基礎(chǔ)上，添加了純背景幀預(yù)測編碼技術(shù)，形成了新的編碼框架。與傳統(tǒng)基于塊劃分的混合編碼框架相區(qū)別，AVS-S2的編碼框架中包含新加入的背景建模單元(其目的是構(gòu)造一個不含前景對象的純背景，從而為后續(xù)圖像的編碼提供更好的參考)、更新的基于背景幀的幀間運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測單元、背景幀緩存以及與背景建模和背景幀預(yù)測相關(guān)的控制邏輯(藍(lán)色標(biāo)記)，如圖1所示?！　?/p>

?

　　其次，AVS-S2繼承并改進(jìn)了AVS-S中的背景預(yù)測技術(shù)。AVS-S2使用背景幀(G幀)來編碼表示場景信息的背景圖像，并擴(kuò)展語法元素定義以保證該背景圖像不顯示輸出。同時，AVS-S2沿用了AVS-S中可以零矢量參考G幀的背景預(yù)測幀(S幀)。

　　第三，更進(jìn)一步地，在AVS-S2中，每一個P幀在圖像層語法元素中，既可以選擇以最近兩幀為參考圖像，也可以選擇以最近參考幀和G幀為參考圖像進(jìn)行編碼。G，S，P幀參考方式可以如圖2所示。　　

?

　　第四，AVS-S2采納了可選差分編碼技術(shù)，該方法下的編解碼流程如圖3所示。