視頻編碼技術(shù)是一門非常復(fù)雜的信息科學(xué)，視頻監(jiān)控技術(shù)就是基于視頻編碼技術(shù)并將之實(shí)用化的應(yīng)用科學(xué)，安防監(jiān)控中常用的視音頻編碼器就是典型的視頻編碼技術(shù)應(yīng)用載體。本文結(jié)合目前市場上主流的編碼器產(chǎn)品，對視頻編碼的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行解析，并簡要描述它們之間的關(guān)系。

    視頻編碼技術(shù)是一門復(fù)雜的信息科學(xué)，其本質(zhì)是將一種數(shù)碼信息形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種便于傳輸和保存的形態(tài)。在其實(shí)現(xiàn)過程中，需要采用很多復(fù)雜的算法和變換，涉及眾多參數(shù)。但在視頻監(jiān)控應(yīng)用中，為盡可能實(shí)用化和便利化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者往往將眾多復(fù)雜參數(shù)進(jìn)行搭配組合，形成幾個或幾類主要參數(shù)。本文主要目的就是對這幾類參數(shù)進(jìn)行分解說明，并探討各種參數(shù)所起的作用和相互關(guān)系。

    目前主流的視頻編碼器的各種參數(shù)中與視頻直接相關(guān)的歸納起來有六類，分別是分辨率、位率、位率類型、碼流類型、圖像質(zhì)量和幀率。下面分別解釋其作用和用途。

分辨率
    分辨率表示圖像的尺寸大?。ɑ蛳袼?cái)?shù)量），用于設(shè)置錄像的圖像尺寸。在監(jiān)控中常用的分辨率有CIF、2CIF、DCIF和4CIF這幾種，其具體的尺寸參見表1。

    用戶根據(jù)對圖像清晰度的要求來選擇相應(yīng)的分辨率，通常而言，分辨率越高，錄像的數(shù)據(jù)容量越大，相應(yīng)的硬件成本也會越高。

位率
    位率又稱為“碼率”。指單位時間內(nèi)，單個錄像通道所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，其單位通常是bps、Kbps或Mbps?？梢愿鶕?jù)錄像的時間與位率估算出一定時間內(nèi)的錄像文件大小。

    位率是一個可調(diào)參數(shù)，不同的分辨率模式下和監(jiān)控場景下，合適的位率大小是不同的。在設(shè)置時，要綜合考慮三個因素： [nextpage]
1、分辨率
    分辨率是決定位率（碼率）的主要因素，不同的分辨率要采用不同的位率，它們之間的關(guān)系如圖1所示。
總體而言，錄像的分辨率越高，所要求的位率（碼率）也越大，但并不總是如此，圖1說明了不同分辨率的合理的碼率選擇范圍。所謂“合理的范圍”指的是，如果低于這個范圍，圖像質(zhì)量看起來會變得不可接受；如果高于這個范圍，則顯得沒有必要，對于網(wǎng)絡(luò)資源以及存儲資源來說是一種浪費(fèi)。

2、場景
    監(jiān)控的場景是設(shè)置碼率時要考慮的第二個因素。在視頻監(jiān)控中，圖像的運(yùn)動劇烈程度還與位率有一定的關(guān)系，運(yùn)動越劇烈，編碼所要求的碼率就越高。反之則越低。因此在同樣的圖像分辨率條件下，監(jiān)控人多的場景和人少的場景，所要求的位率也是不同的。

3、存儲空間
    最后需要考量的因素是存儲空間，這個因素主要是決定了錄像系統(tǒng)的成本。位率設(shè)置得越高，畫質(zhì)相對會越好，但所要求的存儲空間就越大。所以在工程實(shí)施中，設(shè)置合適的位率即可以保證良好的回放圖像質(zhì)量，又可以避免不必要的資源浪費(fèi)。

位率類型
    位率類型又稱為碼率類型，共有兩種——動態(tài)碼率（VBR）和固定碼率（CBR）。所謂動態(tài)碼率是指編碼器在對圖像進(jìn)行壓縮編碼的過程中，根據(jù)圖像的狀況實(shí)時調(diào)整碼率高低的過程，例如當(dāng)圖像中沒有物體在移動時，編碼器自動將碼率調(diào)整到一個較低的值。但當(dāng)圖像中開始有物體移動時，編碼器又自動將碼率調(diào)整到一個較高的值，并且實(shí)時根據(jù)運(yùn)動的劇烈程度進(jìn)行調(diào)整。這種方式是一種圖像質(zhì)量不變，數(shù)據(jù)量變化的編碼模式。

    固定碼率是指編碼器在對圖像進(jìn)行編碼的過程中，自始至終采用一個固定的碼率值，不論圖像情況如何變化。這種方式是碼率量不變，而圖像質(zhì)量變化的編碼模式。

    在動態(tài)碼率模式下，我們在硬盤錄像機(jī)上設(shè)置的位率值稱為“位率上限”。意思是我們?nèi)藶樵O(shè)定一個編碼碼率變化的上限，可以低于，但不能高于。根據(jù)這個位率值，我們可以估算出一定時間內(nèi)的存儲容量的上限值。

    在固定碼率模式下，在硬盤錄像機(jī)上設(shè)置的位率值就是編碼時所使用的位率值，根據(jù)這個數(shù)值，我們可以精確地估算出一定時間內(nèi)的存儲容量。

碼流類型
    所謂碼流指的就是編碼器在對圖像進(jìn)行編碼的過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流。為了方便對這個數(shù)據(jù)流進(jìn)行量化評估，所以產(chǎn)生了“位率（碼率）”這個概念。

    碼流類型根據(jù)所包含的數(shù)據(jù)類型，可以分為三種：復(fù)合流、視頻流和音頻流。因?yàn)镈VR的主要目的是記錄圖像，因此在DVR的設(shè)置菜單中并沒有“音頻流”這一項(xiàng)。

·復(fù)合流：指包含了視頻和音頻數(shù)據(jù)的碼流，在這個數(shù)據(jù)流中，通過時間戳確保視頻和音頻的嚴(yán)格同步，避免出現(xiàn)回放時的口型不對的情況；
·視頻流：只有視頻數(shù)據(jù)的碼流；
·音頻流：只有音頻數(shù)據(jù)的碼流。 [nextpage]

圖像質(zhì)量
    圖像質(zhì)量參數(shù)只有在位率類型選擇為“變碼率”時才有效。

    變碼率狀態(tài)下，圖像質(zhì)量參數(shù)對編碼器的取值范圍進(jìn)行微調(diào)，共有六檔可選，分別是：最好、次好、較好、一般、差、較差。圖像質(zhì)量參數(shù)設(shè)置得越好，編碼器在生成碼流的過程中，所取的值就會越高，即最終得到的錄像數(shù)據(jù)量越大。例如，將圖像質(zhì)量設(shè)置為“最好”，那么實(shí)際錄像碼率是接近或達(dá)到碼率的上限。

    圖像質(zhì)量參數(shù)對最終的圖像效果并不起決定性作用，它只是通過對動態(tài)碼率的取值策略進(jìn)行微調(diào)來間接調(diào)整。

幀率
    幀率表示單位時間內(nèi)，從圖像中所能獲取的完整圖片數(shù)量，單位是fps（幀每秒）。

    上面詳細(xì)介紹了與視頻編碼相關(guān)的6個參數(shù)，下面簡要介紹它們與回放質(zhì)量間的關(guān)系。

    首先引入一個概念——回放效果。所謂回放效果就是使用人的肉眼在顯示設(shè)備上看到的錄像回放圖像，并對之產(chǎn)生相應(yīng)的主觀評價，稱之為回放效果。也就是說，與“圖像清晰度”、“圖像質(zhì)量”等概念不同，“回放效果”是一個主觀性很強(qiáng)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

    在建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，用戶最為關(guān)心的效果之一就是回放效果?；胤判Чc很多環(huán)節(jié)有關(guān)，例如攝像機(jī)的采集效果（線數(shù)、信噪比等）、傳輸效果（傳輸線路質(zhì)量、干擾程度）、編碼質(zhì)量（碼率大小、分辨率大小等）、顯示設(shè)備的顯示效果（顯示分辨率、顯示質(zhì)量等）。回放效果是一個廣義的概念，它與圖像的清晰度、流暢性、連貫性有關(guān)，有時甚至與實(shí)時性有關(guān)。在這里，只討論編碼質(zhì)量對回放效果的影響。

    從視頻編碼的角度出發(fā)，回放效果好的標(biāo)準(zhǔn)要符合兩個條件：首先是圖像所包含的信息量要充分，就是說要確保用戶盡可能多地獲取現(xiàn)場的信息；其次是盡可能確保畫面中的細(xì)節(jié)清晰。

    在上文介紹的六個參數(shù)中，與回放效果直接相關(guān)的參數(shù)有三個——分辨率、碼率、幀率。分辨率和幀率主要是確保圖像信息量充分，碼率則主要是確保畫面細(xì)節(jié)清晰。它們之間的關(guān)系可以用一個代數(shù)式來表示，假設(shè)：回放效果=P，分辨率=x，碼率=y，幀率=z，那么有下面的關(guān)系式： P= f（x ，y ，z） 

    首先看分辨率。從通常的認(rèn)識來說，分辨率越高，圖像質(zhì)量越好，分辨率越低，圖像質(zhì)量越差。但如果拋開了碼率來談的話，上述觀點(diǎn)是站不住腳的。實(shí)際上為了獲得好的回放質(zhì)量，除了提高分辨率以外，更重要的還要同時提高編碼碼率，否則效果可能適得其反。

    其次看碼率。一般而言，碼率越高，圖像質(zhì)量相對越好，碼率越低，圖像質(zhì)量相對越差，但這個說法也只在一定范圍內(nèi)成立。所謂的范圍，就是圖1中所標(biāo)示的碼率范圍，因?yàn)閳D像質(zhì)量的提升并不與碼率的提升成線性關(guān)系。

    最后看幀率。事實(shí)上，幀率對圖像質(zhì)量并不起直接的作用，幀率的高低只是影響圖像的連貫性。在某些場合下，圖像的連貫性也會被作為回放效果的評測標(biāo)準(zhǔn)之一（注意回放效果與圖像質(zhì)量的區(qū)別）。[nextpage]但在某些特殊情況下，通過調(diào)整幀率，也能在有限的碼率下獲得好的圖像質(zhì)量。例如在ADSL線路上傳輸圖像，上行帶寬只有512Kbps，但要傳輸4路CIF分辨率的圖像。按照常規(guī)，CIF分辨率建議碼率是512Kbps，那么照此計(jì)算就只能傳一路，降低碼率勢必會影響圖像質(zhì)量。那么為了確保圖像質(zhì)量，就必須降低幀率，這樣一來，即便降低碼率也不會影響圖像質(zhì)量，但在圖像的連貫性上會有影響。
最后，本文討論一個經(jīng)常被提起的問題——碼流是如何產(chǎn)生的呢？

    這就要從數(shù)字視頻監(jiān)控的最基礎(chǔ)概念說起。眾所周知目前的錄像和存儲技術(shù)是基于數(shù)字技術(shù)發(fā)展起來的。但視頻圖像是屬于模擬技術(shù)的領(lǐng)域，那么數(shù)字視頻監(jiān)控就是解決從模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、存儲和傳輸?shù)募夹g(shù)。

    模擬圖像信號要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程才能形成數(shù)字信號，這個過程稱之為“A/D轉(zhuǎn)換”，或稱之為“采集”過程。經(jīng)過采集，模擬信號已經(jīng)“變成”數(shù)字信號了，是不是就可以直接進(jìn)行存儲和傳輸了？答案是否定的，因?yàn)檫@個時候的數(shù)字信息容量特別巨大，例如，以CIF分辨率，25幀/秒進(jìn)行采集，1個小時的數(shù)據(jù)量就達(dá)到25.5GB。也就是說，一塊1TB容量的硬盤只能錄制不到兩天的錄像，這樣的成本是誰也承受不起的，因此需要對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。

    所謂壓縮就是采用特定的算法，將一種數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量要小于轉(zhuǎn)換前的數(shù)據(jù)量。視頻壓縮就是采用某種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)（例如H.264、MPEG4等）將采集得到的原始圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行壓縮，得到最終所需要的產(chǎn)品——錄像數(shù)據(jù)。

    壓縮算法有個特點(diǎn)——它是可逆的。如果對壓縮算法進(jìn)行逆運(yùn)算，可以還原出它壓縮前的狀態(tài)，這個過程在視頻編碼技術(shù)中稱之為“解壓縮”或“解碼”。所看到的錄像回放就是解壓縮的結(jié)果，這個過程類似于在電腦中對某個文件進(jìn)行壓縮，然后又解壓縮還原。如圖2、圖3所示：

    但與電腦中對文件進(jìn)行壓縮的過程不同，視頻解壓縮的過程并不能100%還原出圖像的原始狀態(tài)，只是盡可能完整地還原出原始圖像。還原越完整，說明采集和編碼過程中丟失的信息越少，看到的圖像質(zhì)量就越好，所需要的數(shù)據(jù)量就越大。解碼還原越不完整，說明采集和編碼過程中所丟棄的信息越多，看到的圖像質(zhì)量就越差，但是所需要的數(shù)據(jù)量就越少。
這個過程就體現(xiàn)在錄像碼率的設(shè)置上。當(dāng)設(shè)置的錄像碼率越高，說明壓縮編碼的過程中保留的信息越多；錄像碼率越低，說明壓縮編碼的過程中丟棄的信息越多，這是一個量化控制的過程。 (作者：廣東省從化市公安局 郭軍)