高速公路具有線型好，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高，交通流量大,行車速度快等優(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)，可以對高速公路交通狀況進(jìn)行全范圍無盲區(qū)監(jiān)視，并完全整體地掌握高速公路全線運(yùn)營狀況,及時發(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)營和管理。

由于高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)需要對公路沿線采集的大量監(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題，一般都必須滿足兩個前提條件:一是傳輸?shù)膲嚎s視頻信號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，在經(jīng)過解壓縮恢復(fù)后，應(yīng)保證一定的視頻質(zhì)量，即具有相對較低的失真。對于視頻壓縮技術(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)親和性對實(shí)時視頻監(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?，因而?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,主要功能是對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼和解碼,它包括運(yùn)動補(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，包括單個字節(jié)的包頭信息、多個字節(jié)的視頻數(shù)據(jù)與組幀、邏輯信道信令、定時信息、序列結(jié)束信號等。包頭中包含存儲標(biāo)志和類型標(biāo)志，其中存儲標(biāo)志用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)不屬于被參考幀,類型標(biāo)志用于指示圖像數(shù)據(jù)的類型。

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、多參考幀間預(yù)測、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)測編碼的方法進(jìn)行處理,幀內(nèi)預(yù)測的參考圖像可以在過去或未來已編碼解碼重建和濾波的幀中進(jìn)行選擇,幀間預(yù)測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)測值與當(dāng)前幀相減后會產(chǎn)生一個殘差，該差可經(jīng)變換量化后由NAL供傳輸和存儲用，同時，這個殘差在經(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

H.264通過引入空間域的幀內(nèi)預(yù)測模式來去除空間冗余，以獲得更高的壓縮效率。在幀內(nèi)預(yù)測模式中，預(yù)測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預(yù)測塊,再對當(dāng)前塊與該預(yù)測塊的差值進(jìn)行編碼。4X4亮度塊有9種可選預(yù)測模式，可獨(dú)立預(yù)測每一個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)測模式，可預(yù)測整個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)測模式。編碼器通常選擇使預(yù)測塊與當(dāng)前塊差值最小的預(yù)測模式。

2.2  幀間預(yù)測

幀間預(yù)測用于降低圖像的時域相關(guān)性。幀間預(yù)測一般通過采用多幀參考和更小運(yùn)動預(yù)測區(qū)域等方法來對下一幀進(jìn)行精確預(yù)測，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。H.264幀間預(yù)測是利用已編碼視頻幀/場和基于塊的運(yùn)動補(bǔ)償?shù)念A(yù)測模式，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)動矢量的精度提高到1/4像素，運(yùn)動補(bǔ)償算法的預(yù)測能力得到進(jìn)一步的提高。H.264編碼器為幀的每個部分選擇了最佳分割尺寸，故可使傳輸信息量最小。每個區(qū)域都包含自己的運(yùn)動矢量，每個運(yùn)動矢量和區(qū)域選取信息都必須通過編碼傳輸。因此，當(dāng)選用較大區(qū)域時，用于表示運(yùn)動矢量和區(qū)域選取的數(shù)據(jù)量就會減小，但運(yùn)動補(bǔ)償后的殘差會增大;當(dāng)選用小區(qū)域時，殘差減小，預(yù)測更精確，但用于表示運(yùn)動矢量和區(qū)域選取的數(shù)據(jù)量會增大。也就是說,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,相對于1幀參考,5個參考幀可以節(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)動估值和幀內(nèi)預(yù)測的殘差結(jié)果從時域變換到頻域，它使用了類似于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、計算快（只需加法與移位運(yùn)算)、反變換過程中不會出現(xiàn)失配等優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合量化過程，可以保證在16位計算系統(tǒng)中，計算結(jié)果具有最大精度且不會溢出。同時，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)變字長編碼(CAVLC)與普通變字長編碼(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單,但是忽略了符號相關(guān)性，同時由于沒有利用條件概率等，因而影響了UVLC在中高碼率時的壓縮效果。

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使用濾波器使差別平滑，若邊界上圖像特征比較明顯時則不用濾波。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，同時在相同主觀質(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

H.264視頻技術(shù)的突出特點(diǎn)有利于對視頻信源的高比率壓縮、信道的高效利用和對視頻傳輸瓶頸的緩解，并能夠產(chǎn)生不同等級的視頻質(zhì)量，以分別滿足不同的應(yīng)用需要。高速公路視頻監(jiān)控要求對公路全線交通圖像進(jìn)行有效壓縮和傳輸，最大的難題在于傳輸帶寬和存儲容量的限制。另外，若監(jiān)控達(dá)不到實(shí)時性要求，則將喪失道路視頻監(jiān)控的初衷。對于之前的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)來說，實(shí)時性的嚴(yán)格要求必然要降低碼率，進(jìn)而會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)時性的需求。H.264應(yīng)用在視頻監(jiān)控中有以下性能優(yōu)勢:

(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)，同時減小了壓縮后的視頻大小，這一點(diǎn)對降低視頻存儲容量至關(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)的時延特性:H.264既可以工作于低時延模式，以用于視頻實(shí)時監(jiān)控場合，也可以工作于沒有時延限制的場合，如視頻存儲；

(4) 較強(qiáng)的錯誤恢復(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)資源下的分級傳輸。

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

4  結(jié)語

作為一種新的國際標(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)控對象主要是行駛車輛，大范圍的背景圖像變化非常小，因此，可以設(shè)想，如果能針對這個特點(diǎn)研究出圖像分層壓縮技術(shù),將行駛車輛和背景進(jìn)行分層壓縮和傳輸，那么，對于降低碼率、提高壓縮效率和圖像質(zhì)量，無疑具有劃時代的意義。

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)字傳輸平臺的構(gòu)建、視頻信號的壓縮傳輸、攝像機(jī)和云臺的控制等，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)，無疑將成為長遠(yuǎn)的研究目標(biāo)。