支持监控视频高效压缩与识别的IEEE 1857标准

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作者：黄铁军张贤国田永鸿马思伟高文时间：2013-06-26来源：电子产品世界收藏

　　2013年上半年，第三代视频编码国际标准(ITU-T H.265，ISO/IEC HEVC)即将颁布[7]，其视频编码效率比H.264提高一倍，也被监控行业寄予厚望。但是，视频编码标准的更新换代和压缩效率的提高，都是以更高的计算复杂性换来的，压缩效率提高一倍，计算复杂度往往要提高五倍甚至更多，从而导致编码器/编码芯片价格居高不下。据分析^[8]，HEVC解码器/解码芯片复杂度与比H.264增加一倍左右，但是编码器复杂度是H.264的四倍以上，因此HEVC实时编码器/编码芯片的开发还需要一段时间。对于电视广播来说，每个频道一台编码器就可以服务亿万用户，因此编码器复杂度高、价格高不是大问题。但是，视频监控与数字电视恰恰相反，解码器需求不多(很多视频可能从未解码查看过)，但每个摄像头都需要一颗编码器，这就要求在提高压缩效率的同时，编码算法复杂度应该保持较低的水平。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/146816.htm

　　在面向数字电视的视频编码国家标准于2006年颁布后，我国AVS工作组开始着手面向行业应用对已颁布国标进行了定向扩展。从2007年开始，在2006年国标的基准档次(面向数字电视)基础上，相继扩展出加强档次(面向高清电影等应用)、伸展档次(面向视频监控等应用)和移动档次(面向手机流媒体等应用)三个部分。其中伸展档次(简称AVS-S)是全球第一个针对视频监控应用制定的视频编码标准。

　　AVS-S制定工作起始于2007年开始，需求分析是在国家有关部门和视频监控行业多家企业共同参与下完成的。经过两年的努力，通过在基准档次的基础上增加适合监控视频特点的专用工具，于2009年完成了“伸展档次”(简称AVS-S)。该标准针对视频监控全天候工作的特点，以监控现场的视频序列为测试基准，通过竞争方式选择、评估合适的视频编码技术制定而成。AVS-S不仅能够提高典型监控场景的编码效率，支持单色、彩色、红外序列编码，而且具有更强的抗误码特性和网络适应性，具有时域可伸缩性，能够满足视频监控网络传输条件复杂的要求。更进一步，该标准还提供了基于灵活条带和条带集的感兴趣区域编码方法，能够支持图像区域标记、区域事件标记、摄像机标记等监控要求，并为感兴趣区域检测、对象分割、对象跟踪等智能应用和标准扩展预留了空间。

　　我国数字电视产业广泛使用AVS的重要原因是国外组织对采用国际标准的企业和运营商征收高额专利费，这个问题在视频监控行业并不明显，因此监控产业界转换到这样一个效率相当的新标准的动力不足。通过与视频监控行业的企业和应用单位的交流和调研，AVS工作组判断，只有编码效率大幅度超越H.264，才能大幅度直接降低监控系统成本，新标准才有得到应用的可能。基于这个原因，2010年3月，AVS工作组启动了第二代视频监控标准(AVS-S2)的制定工作。AVS-S2针对监控场景固定的特点，在传统基于块划分的混合编码框架的基础上，添加了基于背景帧的预测编码技术，形成了新的编码框架。与传统基于块划分的混合编码框架相区别，AVS-S2的编码框架中包含新加入的背景建模单元、更新的基于背景帧的帧间运动补偿预测单元、背景帧缓存以及与背景建模和背景帧预测相关的控制逻辑，并在2011年底完成了标准起草工作。2012年，面向立体电视和高清电视的AVS+标准制定完成，并被国家广电总局颁布为行业标准，AVS+新增的一个重要工具是高级熵编码，这个工具也同样可以用于AVS-S2。包含所有这些工具的新版AVS标准于2012年10月通过了IEEE标准委员会设定的会员投票程序，于2013年3月获得IEEE标准委员会会议的审核通过，2013年6月上旬印刷颁布为IEEE 1857标准。

　　AVS-S2监控视频编码背景建模技术

　　AVS标准的一个重要技术特色是针对应用需要制定简洁高效的标准方案和算法组合，2006年颁布的AVS国家标准是针对数字电视需要而设计的，在变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测、环路滤波等方面提出了一系列的新技术，在解码复杂度只有H.264的70%、编码复杂度只有H.264的30%的情况下，获得了与H.264相当的编码效率。

　　与H.265再次提高编码复杂度的做法不同，AVS-S2大幅度提高编码效率的主要“秘诀”是针对监控视频场景长期不变的特点，通过背景建模的方式去除了大量存在的“场景冗余”。监控视频与传统影视视频最大的不同在于其拍摄范围限定在一定场景中，“场景”冗余是传统视频编码方法没有深挖的“大金矿”。AVS-S2通过对监控背景和前景进行建模，大幅度提高了编码效率。对于固定摄像机拍摄的监控视频，通过背景建模和前景学习能够将编码效率提高一倍左右，这是编码领域的一个重要创新，下面具体介绍AVS-S2增加的背景建模技术。

　　首先，AVS-S2在传统基于块划分的混合编码框架的基础上，添加了纯背景帧预测编码技术，形成了新的编码框架。与传统基于块划分的混合编码框架相区别，AVS-S2的编码框架中包含新加入的背景建模单元(其目的是构造一个不含前景对象的纯背景，从而为后续图像的编码提供更好的参考)、更新的基于背景帧的帧间运动补偿预测单元、背景帧缓存以及与背景建模和背景帧预测相关的控制逻辑(蓝色标记)，如图1所示。　　