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澳门皇家赌场55533网址:高清监控摄像机的应用分

原标题:高清监控摄像机的应用分析

当大家看电影追剧时,是看的高清还是标清?

摘要: 这一次的世界杯,与以往世界杯最大的区别在于,有很多互联网用户观看直播,而不是在电视上。在互联网观看直播,互联网的网络条件不一样,观众会看不同码率的视频。所以主要分享下阿里云在直播中怎么做码率控制。

基于IP的高清监控 IP方案是网络技术与视频监控系统的完美融合,打破了以往人们对闭路电视监控系统的固有思维,彻底打开了监控系统与外界的大门。 IP高清监控系统的优势在与IP网络的开放性和管理软件的功能强大,视频分发、浏览、存储非常方便,设备接入只需一根网线即可使用,同时资源共享更加方便,多个用户浏览不需要建立多个物理连接,系统开放性好,扩容方便。 采集系统 对于标清IP系统,可以选择模拟摄像机加视频编解码器的方式,或者直接IP标清摄像机输出。当然,采用视频编解码器的方式能有更多的摄像机选择,比如可以选择宽动态摄像机,低照度摄像机等。对于高清IP系统,采用直接IP信号输出的方式。 传输系统 传输网络信号的媒介主要有两种,网线和光纤。一般距离小于80M时,可以采用网线直接传输;大于80M时,建议采用光纤代替。对于远距离的独立点位,建议采用点对点的IP光端机,对于布点较多的系统,建议采用双光口、多光口级联式IP光端机传输,方便组成链网,星网等多种网络结构,方便客户组网。 控制中心 不再需要传统的视频分频器,模拟矩阵和DVR等设备,统一由网络管理平台实现实时查看和录像等功能。用户在客户端电脑上可以查看到实时图像和录像文件,如果需要可以通过视频解码器实现解码上大屏,当然高清IP需要选择高清解码器和高清显示设备。对于存储有两种方式,NVR服务器加磁盘阵列或者独立式的NVR存储器。 随着视频监控技术的高速发展,客户对视频监控产品的要求也在不断提高,让我们看的更清楚已经成为客户一致的诉求。然而,如何才能构建出满足高清监控传输的方案,也成为安防设备厂商、设计单位、工程商亟待解决的问题。 高清视频的标准 对于普通的标清视频显示格式,业内一般以H.263CIF(352×288,普通VCD图像标准),H.264CIF,H.2634CIF(704×576,普通DVD图像标准)等作为图像优劣的评判标准,并且将H.2634CIF作为标清视频会议的最高图像标准。而对于高清视频图像,则可从以下两个指标来分析: 分辨率 分辨率一般有两个概念,一个是可支持分辨率,它不是平板电视显示屏幕的实际指标,是指电视内部图像驱动芯片可以驱动的图像分辨力;另一个是物理分辨率,是可以看得到的实物指标。 高清分辨率就主要由物理分辨率来决定。全高清的分辨率是水平1920个像素数,垂直1080个像素数,一般表述为分辨力为1920×1080,采用隔行扫描方式,简写为1080/50i,另外全高清的表述还有分辨力为1920×1080,采用逐行扫描方式,简写为1080/50P--全高清的像素数为1920×1080,约等于200万像素。普通高清的分辨率是水平1280个像素数,垂直720个像素数,一般表示为分辨力为1280×720,采用逐行扫描方式,简写为720/60P--普通高清的像素数为1280×720,约等于100万像素。 幅型比 幅型比即是屏幕的长度与宽度的比例。高清标准要求电视屏幕幅型比为16:9,而不是传统电视机标准的4:3比例。高清标准的宽幅型比,更增加了观看的临场感,而且更符合人眼观看的习惯,该标准更适合应用于大屏幕尺寸的显示屏。

YAMAKO镜头——高清监控摄像机指定镜头品牌。

图鸭君觉得只要网速够得上的小伙伴应该没有人愿意再看标清了吧!毕竟高清视频的高分辨率和清晰画质观影体验更好。

在本月的重庆云栖大会飞天技术汇专场中,阿里云高级算法专家黄海宇分享了题为《超大规模直播码率控制》的议题,从生产的链路角度来说世界杯怎么让观众看到更加清晰的视频。

近年来,随着人们对安防监控摄像机需求的不断提高,安防监控产业得到快速发展。监控摄像机的应用已经从个别行业发展为大众市场的需求,从本地监控到跨区域、跨省的远程监控,从模拟监控摄像机发展到具有多重优势的IP监控摄像机。随着人们对图像清晰度的不断追求,高清监控已逐步成为行业的发展趋势。

伴随着用户对高清视频需求量的增加,视频多媒体的视频数据量也越来越大。如果不经过压缩,这些视频将很难应用于实际的存储和传输。视频压缩解码技术可以有效地去除视频数据中的冗余信息,实现视频数据在互联网中的快速传输和离线存储。因此,视频压缩解码技术是视频应用中的一项关键性技术。

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高清监控的优势

视频编码的背景

在过去的几十年中,一系列视频编码标准被推出并广泛应用。现有的视频压缩标准就有很多种,包括国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)/国际电工技术委员会(International ElectrotechnicalCommission, IEC)制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4标准;国际电信联盟电信标准化部门(InternationalTelecommunication Union-Telecom, ITU-T)制定的H.261、H.263等。

2003年3月,ITU-T和ISO/IEC正式公布了H.264/MPEG-4 AVC视频压缩标准。H.264作为目前应用最为广泛的视频编码标准,在提高编码效率和灵活性方面取得了巨大成功,使得数字视频有效地应用在各种各样的网络类型和工程领域。为了在关键技术上不受国外牵制、节约专利费用支出,中国制定了AVS系列标准,可以提供与H.264/AVC相当的编码效率。

近年来随着用户要求的不断提升,高清(1920x1080)和超高清(3840x2160)视频的应用越来越广泛。相比于标清视频,高清视频分辨率更大更清晰,但是相应的数据量也随之增加。在存储空间和网络带宽有限的情况下,现有的视频压缩技术已经不能满足现实的应用需求。为了解决高清及超高清视频急剧增长的数据率给网络传输和数据存储带来的冲击,ITU-T和ISO/IEC联合制定了具有更高压缩效率的新一代视频压缩标准HEVC(High Efficiency Video Coding)。

这一次的世界杯,与以往世界杯最大的区别在于,有很多互联网用户观看直播,而不是在电视上。在互联网观看直播,互联网的网络条件不一样,观众会看不同码率的视频。所以主要分享下阿里云在直播中怎么做码率控制。

对于监控摄像机而言,图像清晰度无疑是zui关键的技术指标。图像越清晰,细节越明显,辨识效果才能更佳。其优势主要有以下几点:

简说HEVC

HEVC基于传统的混合视频编码框架,采用了更多的技术创新,包括灵活的块划分、更精细的帧内预测、新加入的Merge模式、Tile划分、自适应样点补偿等。灵活的块划分对编码性能提升最大,块划分包括编码单元(CU)、预测单元(PU)和变换单元(TU)。这些技术使得HEVC编码性能比H.264/AVC提高了一倍。但是,这些技术也使得HEVC编码器的复杂度大大增加,不利于HEVC编码器的实时应用和推广。

澳门皇家赌场55533网址,HEVC高性能的获得是以巨大的计算复杂度为代价的:HEVC是通过递归对每个编码单元进行率失真优化过程(RDO)来选择最优的模式划分,这种方法的复杂度很高。因此,降低HEVC编码复杂度的研究工作具有重要的实际应用价值和广泛的应用前景。

分享分三个部分,首先讨论一下为什么要关注码率控制、其次是宏观上怎么做码率控制,最后是介绍下微观上怎么做码率控制。

以提供高分辨率图像获得更多的视频信息

视频解码的意义

视频转码技术是一种解决视频发送端与接收端兼容性问题的技术,它能实现不同的视频标准、视频分辨率、视频帧率和视频码率等之间的相互转换。釆用视频转码技术只需要改变发送端的系统结构或者在网关处增加相应的转码器即可,无需对接收端做任何修改。

视频转码技术不仅能调整视频流的分辨率、帧率、码率等各种属性去适应不同的终端用户和网络带宽,还可以对视频流的压缩格式、语法结构等进行转换,因此视频转码技术应用广泛。

总体来说,该技术研究实用价值非常高,它将用来满足更多领域的数字视频转换需求,不仅覆盖包括媒体网管多会议单元、视频监控、视频广播转码和医疗设备等商用产品中,还可以用于包括高清视频会议终端数字媒体适配器、高清网络摄像机、视频电话和高级数字机顶盒等产品。

我们先看一下个直播的一个简单的过程。

高清摄像机一般可以做到1280x960、1920x1080、2048x1536甚至2560x1920的分辨率,在同样的环境下,高清可以提供清晰细腻的图像,能够更好地捕捉细节,实现目标清晰可辨。

HEVC关键技术研究

近年来,伴随着HEVC编码标准在开发过程中一步步的完善,国内外相关组织和科研机构在HEVC编码算法方面也给出了很多有效的建议,陆续有科研论文发表于视频图像领域顶级期刊和会议,包括IEEE Trans. CSVT、IEEE Trans. Multimedia、ICIP、ICME、PCS、VCIP等。

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视频覆盖面更广

HEVC帧间编码优化

灵活的数据划分方式,是HEVC标准非常显著的特点之一。借助于遍历搜索确定CU,PU和TU划分方式等编码参数,HEVC的率失真性能显著优于之前的编码标准,但这也引入了大量的计算复杂度。帧间CU快速选择算法是根据相邻CU深度信息或编码中间参数等对CU大小和帧间PU模式进行提前判断,从而降低编码复杂度的过程。根据利用的信息不同,帧间CU的快速选择方法可以分为基于相邻CU深度信息、基于编码中间参数、基于率失真代价的快速选择方法。

世界杯通常会拿到一个非常高清的直播源,它的码率非常大,不太适合在互联网上直接传输。所以整条链路中会有一个视频内容的再生产的过程,这个再生产的过程最重要的就是视频的转码,将这个转成不同分辨率的几个档位。比如说我们看视频有流畅的、标清、高清、超清的视频,这些都是为了让不同网络的用户可以流畅的观看视频。在进行转码以后,视频流会经过CDN放大,很多用户会进行观看。

在监控范围覆盖区域相同的条件下,一台百万像素网络摄像机可以替代原有的2或3台标清摄像机,甚至更多。对于广视角大范围监控密集型场所,如机场、交通、卡口、银行、周界等,只需部署少量的百万像素网络摄像机就可以达到以前的效果。

HEVC帧内编码优化

帧内CU的快速选择算法是对CU的纹理复杂程度进行评估或根据相关CU深度信息等,实现CU尺度和帧内预测模式的快速选择,从而降低编码复杂度的过程。根据使用信息的不同,帧内CU的快速选择方法可以分为基于纹理复杂度、基于相邻CU信息、基于子CU信息和基于率失真代价的快速选择方法。

其中,码率控制是发生在转码这个环节,就是把高清视频进行解码再进行重新编码,视频的转码是一个有损的压缩的过程,把原来的视频进行处理,将里面的细节进行忽略,这样能够以一个更低的带宽去满足用户播放流畅的需求。

支持更高的帧率,图像流畅度高

HEVC码率控制研究

在实际应用场合,传输带宽通常都是有限的,如何在有限的带宽下尽可能保证视频的质量,即码率控制,是视频编码技术需要解决的一个重要问题。对于以高清、超清视频作为主要编码对象的HEVC标准来说,如何在有限的带宽资源下合理分配码率,使视频质量达到最佳,也就成为了编码时需要考虑的重要问题。

目前码率控制模型可以分为三大类:Q域,ρ_域和λ_域。此外,还有很多相关码率控制方面的算法,包括针对帧层比特分配问题提出的改进算法、通过调整拉格朗日因子来改进码率控制的算法、根据初始量化参数选取问题提出新的初始量化参数预测算法、针对场景切换问题提出新的算法、考虑图像复杂度以建立更准确的码率控制等等。还有一些针对特定应用所提出的码率控制算法,例如无线应用、高清应用等。对新一代的H.265/HEVC,如何有效的从各个方面来改进码率控制也逐渐成为研究热点。

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720p和1080i/1080p都可以支持60帧/秒,其图像流畅度比标清要高一倍。支持大屏显示,16:9宽屏显示,可以大大增强用户的观看体验。

总结与展望

随着互联网和移动网络的快速发展,市场对更高分辨率视频的需求越来越大,高质量视频服务在网络数据中占据比例越来越高,虽然网络带宽在不断增加,依然无法满足用户对于视频质量的需求,使得更高压缩效率的编码技术成为工业级和学界研究的热点。

在这种背景下,HEVC应运而生,虽然HEVC保持了高压缩比,但是其复杂运算也限制了其推广和应用。所以在保持转码视频质量的前提下,大幅度优化转码过程的复杂度是一个值得大家共同研究的课题。

第一,码率控制对清晰度有影响。我们通常的概念是清晰度越高码率越高,要求用户的下行的带宽更高。

高清晰画质为智能监控提供有利条件

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高清监控可以提供更多内容,更多细节的高清晰的画面,从而为智能监控的应用创造条件。

第二,码率控制影响用户流畅度的影响,用户播放的网络各不相同,当用户的带宽大于视频码率时,才够流畅播放。

高清监控应用中的问题分析

第三,码率控制的影响是成本的影响,在整个世界杯直播的过程中,最大的费用在CDN带宽上,CDN的总带宽消耗为不同的码率以及这种码率并发在线人数的乘积之和。

高清网络摄像机使图像清晰度有了质的飞跃,但是也给高清监控系统带来了一系列现实的问题。高清监控要解决的三大核心问题是:带宽问题、显示问题、存储问题。

所以我们的问题是用户的网络是有限的,我们如何在有限的网络下最好的控制码率,提供给用户最清晰的视频。

带宽问题

下图是一个在世界杯期间直播的例子,左边是另外一个直播平台做的一个视频直播,右边是优酷上面的。可以清楚的看到左边的视频在抢角球的场景是很模糊的,而右边的视频是看起来比较光滑和细腻的,这两个视频是相同的码率,左边是1080P的2.5M,右边是720P的2.5M,但是为什么会出现这样的场景?

由于目前网络带宽有限,高清视频带来的高码率成为其zui大的推广瓶颈。如何用尽可能低的码率传输尽可能高质量的视频是高清监控需要解决的首要问题。同时由于网络的异构性,不同的网络具有不同的信道特性,不同的用户享受到的网络带宽也不相同,甚至同一用户的带宽也可能是随时变化的。随着监控领域的发展,各种用户终端都有连接监控视频的需要,如局域网监控网络带宽较为理想,用户希望浏览高质量的视频;而手机监控领域由于带宽有限,用户更看重的是低码率下的视频流畅性。如何适应这些不同的带宽环境也是高清监控设备需要解决的问题。

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显示问题

我们先看一下整个视频编码的过程是怎么样的:

相对于标清视频,高清视频的信息量大为丰富,相应的对解码显示性能要求也大大提高,如目前主流的PC机可以轻松实现8路D1标清视频的解码显示,但若前端是1080P高清视频,只能勉强解码显示1路。

下图上面这条线是一个1080P的视频转成1080P的视频进行播放的一个流程,首先是解码,这一步是不会有视频清晰度的损失的;然后是视频的编码,比如说一个视频25帧,需要把这25帧的图像编码成3M的1080P的图像,在这个过程中,为了保证输出码率为3M,有大量的细节损失;第三步是这个视频经过了CDN网络的传输到达用户的播放器,用户会进行解码播放,这一步是没有信息的损失。最后一步是播放器的渲染,这一步也没有信息损失。

对于大型监控摄像机平台,若全部使用高清视频,服务器解码压力会很大。

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存储问题

我们再来看720P转码,经过1080P的视频解码,下采样到720P,720P编码,传输,解码,最后在播放器端进行上采样,重新编成1080P以及渲染的过程。这个过程中有两次的视频清晰度的损失,第一次是发生在上采样以及下采样的过程中,这个信息实际上是一个固定的损失,它和我们的采样算法有关系;第二是在720P的图像编码成3M的视频中发生的。为什么1080P不如720P清晰,是因为在720P编码中,我们可以把720P的每一个象素都描述得非常清晰,这部分的信息损失加上采样的信息损失只和小于1080P编码时的信息损失。

图像分辨率的提升,必然会消耗更大的存储空间。利用H264的编码算法,为保证清晰度,码流需保持在6Mbps以上,约为标清视频的4-8倍。在标清视频条件下,一台16路DVR内置8快2T硬盘即可满足长时间视频存储需求,而在高清监控中,这一时间将被大大缩短,即会带来存储成本的增加。

所以总结一下我们需要控制码率。码率控制的目的就是在一定的带宽条件下,需要使每一个比特都能够发挥它的作用,把它分配到最需要他的地方,从而提升用户的观看体验。

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说到把每一个比特分配到最需要它的地方,通常会有很多方式,在整个编码过程中什么地方有信息的损失,就可以在哪里做。比如:

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第一是在分辨率做文章,对给定的码率,可以选择不同的分辨率进行调整。

第二是在帧率做文章,对给定的码率,可以选择不同的帧率。

第三是在视频中码率在不同的帧间进行码率分配,对于复杂的场景,分配更多码率,对于简单的场景,分配较少的码率。

第四是在帧内进行码率分配,在一帧之内,根据图像的复杂程度和人眼敏感程度进行码率分配。

在世界杯实现的场景中,要考虑到播放器的兼容性,使用的是分辨率、帧间码率,帧内码率的优化手段。

首先看一下在宏观的码率选择上,如何去根据码率选择一个最佳的分辨率。

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这是一个对世界杯的视频做的试验,采用不同的分辨率来进行编码,相同的码率进行编码。上图可以看到信息的损失量,我们可以在相同的码率下,随着我们的分辨率的增高,实际上视频的清晰度逐渐升高。到了一个最高点以后,反而会由于视频的分辨率的增加,它的清晰度会降低。这也验证了之前我们看到例子。

所以根据这样一条曲线可以得到分辨率和码率的模型,对于任何一个分辨率可以找到一个最佳的码率。在实际上世界杯的这个场景中,我们把视频分成了很多码率,在给定的任意一个码率上我们都能找到相应的分辨率。

如果关注过阿里云的直播,会看到转码的建议上会给出很多不常见的分辨率,比如说432P、648P这样的分辨率,这些分辨率通常能在相应档位的码率上得到很好的清晰度。

说到微观上的码率控制的时候,第一件事情就是如何将码率在很多帧间进行分配。

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上图给出了多种码率分配的算法,第一个算法是传统的CBR,就是说不管视频的变化是怎么样,统一采用相同的码率对视频进行编码,尽量做到每一秒的码率是相同的。CBR是途中的红线,我们可以看到实际上视频清晰度的损失波动非常大,在红线中可以看到高的时候可以非常高,低的时候非常低。在播放的时候肯定不希望能够看到一个清晰度剧烈抖动的视频,这对人眼的观看是极其糟糕的,于是我们尝试用一种叫CQP的方式进行视频编码,这实际是确定了视频编码的量化步长,这个情况下可以得到清晰度相对稳定的视频。但是采用这种编码不是没有代价的,采用CBR时码率比较稳定,但是采用CQP,在画面比较复杂的地方,为了把这个清晰度提高,码率就会非常高,可以看到,在右图中,CQP的码率飙到了12mbps,这对普通用户来说显然是不可以接受的。所以最终采用了VBR VBV的方式。当使用VBR VBV的控制策略以后,蓝线比红线的码率质量波动会稍微好一点,VBV模型也能保证用户带宽在达到VBV指定最大码率时,视频一定能够流畅播放。

VBR在大规模直播中也会带来一些问题,这张图是在世界杯的开幕式的时候一张CDN的带宽的分布图,横坐标是时间,纵坐标是CDN的带宽。

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这个图就可以看到两个非常明显的波动,第一个发生在中场休息,第二个发上在23:00,开幕式结束,比赛正式开始前。第一个波动很好解释,因为中场休息时很多观众离开,中途的精彩进球会回来一部分观众,下半场开始又有很多观众继续观看。在前面的波谷就不太好解释了,通过观察了码率的分布图,我们发现当时码率非常低,实际上,在这段时间正好是普京讲话,这是一个相对静止的画面,由于采用了VBR,码率发生了剧烈的波动,从而引起带宽剧烈波动。

这种波动对通常的直播是没有问题的,不同的用户在看不同的直播,所以码率的峰值叠加起来会趋向于码率的平均值。但是世界杯的场景下,有70%的流量都观看相同的直播内容, CDN的带宽非常高,这使得CDN的带宽随着码率的波动而波动。通常的CDN通常会使用当前的水位来评估一个新进用户应该放在什么CDN节点,或者说根据一些历史的状况估计CDN放在什么节点。在世界杯中,这个问题通过CDN引入新型的调度策略来解决。

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帧内码率分配考虑的是如何在一帧图像内对码率分配,以得到最好的视觉效果,我们会根据人眼的关注点来调整码率分配。在上图中,人眼关注的重点毫无疑问是梅西的头像,人眼可能会对后面虚化的内容不关注。所以在做转码处理的时候,会优先考虑这个图像的聚焦区在那里,在这些地方提高它的码率。另一方面,人眼对规则的纹理非常敏感,这部分也需要分配更多的码率,而在脱焦区域,我们会适当的减少一些码率。通过上述手段,整个视频的码率没有上升,但人眼的主观感觉会更清晰。

本文作者:樰篱

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