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视频采集压缩格式概论

发布时间:2020-02-03 06:58:56 阅读: 来源:玻璃棉复合板厂家

在安全防范领域,数字化已成不可逆转之趋势.关于这一点,业内人士基本上达成了共识.在此种风潮下,新兴的以计算机技术为依托的Dvr系统大有一举取代录像机加画面分割器的传统模拟电视监控之势.各厂商为了能抓住这难得一见的机遇,纷纷使出浑身解数,倾全力推出各自的Dvr系统,以期能在激烈的市场竞争中先人一步 、抢占先机.Dvr系统的研发与推出速度极快,目前已形成了一个多元化的布局.市面可见的Dvr系统品牌不下几十种之多.

在名目众多的Dvr系统中进行筛选与鉴别找到适合具体应用的产品就需要在Dvr系统的本质属性上进行比较.Dvr系统的本质是图像的压缩与存储,之所以这么说,是因为对于一个Dvr系统来说,如果知道了其采用的图像压缩技术,那么,该Dvr系统其他的一些属性皆可推断出来.

如果对市面上几十种Dvr系统按照所采用的图像压缩技术来分类则不外乎有以下几种: 1、MOTION -JPEG  2、MPEG I  3、MPEG IV4、另类压缩格式 最早应用于DVR系统的格式 -- MOTION -JPEG

JPEG格式在计算机图形图像领域最为常见,它于1990年公布其全称为JointPictureExpertGroup即静止图像专家小组.JPEG是连续色调静止图像的压缩标准它的压缩率为2.5-0.6位比特 (二进制位,或者是一个0,或者是一个1) /像素,所以一幅20X240分辨率的图像以JPEG格式保存其大小在23K字节(320X240(像素)X2.5(位/像素)/8(位/字节)/1024(字节/KB)=23.4375 K字节)到5K字节(320X240(像素)X0.6(位像素)/(位/字节)/1024(字节/KB)=5.625K字节).由于JPEG格式本身为处理静止图像而设计,所有的处理只发生在被处理图像内部,即帧内编码压缩.其压缩比率不是太大,尤其是当色彩艳丽、层次清晰的时候,受算法所限压缩比更难做到很高.由于JPEG格式主要摒弃的是对人眼不敏感的部分所以其处理后的图像质量比较不错,因此,在Dvr系统兴起之初大部分设备制造商选择了该种处理方式.为了能够应用于运动图像领域,发展了运动JPEG技术即MOTION- JPEG,它利用连续保存独立的JPEG图像来实现运动图像技术.这也是第一代运动图像压缩技术.目前该技术大量应用于韩国产Dvr系统.

下面,简单谈一下JPEG格式应用于Dvr系统的一些特点.

首先,MOTION- JPEG格式保存的是单帧图像,任何当前帧可以保存,也可以不保存因此,应用该种格式可以轻易实现丢帧录像、指定帧数/秒录像.这一点是下面将要谈到的MPEG I、II格式难以匹敌的.

其次,MOTION- JPEG格式可以方便的实现动态录像功能.

最后,其不足之处就是压缩比小,存储空间要求较多. 更具有实用性的MPEG I 、II

MPEG的全称是MovingPictureExpertsGroup意即活动图象专家组,专门为活动图像处理开发压缩技术制定标准,研究数字存储媒体上的活动图象及其伴音的编码表示.该组织在1988年由ISO与CCITT组建,在此之前视频处理领域已经存在NX384Kbps电视会议H.120、PX64Kbs视频编码标准H.261、 连续色调静止图象压缩标准JPEG、PSTN等低比特率活动图象压缩标准H.263,MPEG组织于1992年通过1.5Mbps编码标准MPEG-1,1994年通过2Mbps、30Mbps高质量视频音频编码标准MPEG-2.显而易见,将30Mbps高质量视频音频编码标准MPEG-2应用于Dvr系统既不现实又没有实际意义,因为Dvr系统毕竟不是在做公共视频广播需要如此之高的图像质量(MPEG-2高质量视频编码可轻易将输出图像的水平清晰度提升到1000TV线甚至更高.而目前普通家用电视的水平清晰度一般在500线以下).而为了图像质量的提高需要的存储空间剧增为原来的10倍以上.以目前的存储设备状况来讲,需方很难承担如此之高的存储费用.2Mbps的MPEG-2视频编码到是可以应用到Dvr系统中,与前者相比不会带来存储需求的剧增,但是图像质量的提高又不明显了.所以说,个人认为某些Dvr厂商所宣称的MPEG-2标准很难排除炒作与迎合客户心理的嫌疑.

在对MPEG格式进行了一些初步介绍后,再来看一下MPEG格式的特点.由于MPEG格式采用了帧间压缩技术,压缩比相对于JPEG而言提高不少,在0.8位/像素到0.4位/像素之间.典型的VCD应用是0.6位/像素.所以一幅320X240分辨率的图像以MPEG I格式"保存"其大小在7.5K字节(320X240(像素)X0.8(位/像素)/8(位/字节)/1024(字节/KB)=7.5 K字节)到3.75K字节(320X240(像素)X0.4(位/像素)/8(位/字节)/1024(字节/KB)=3.75K字节)显而易见,采用该种图像压缩格式比较MOTION- JPEG技术而言会大幅度节省存储空间,而且MPEG I格式可以方便的加入声音部分,所以在Dvr系统研发方面起步较晚的中国厂商大都选择了该图像处理技术,有研发实力的厂商还对成熟的MPEG I算法进行了进一步的优化使其压缩效率更高.由于MPEGI技术本身的极度成熟和通过VCD机在大众中的普及,该技术应用于Dvr系统应该是非常具有前景.目前,在本公司自行开发的TOYA 7S(II)系列Dvr系统都采用了MPEG I压缩方式,而且带有同步声音功能.

结上所述可以看出,MPEG I格式应用于Dvr系统具有以下特点: 1、 相比较MOTION- JPEG格式而言,压缩比大为提高,节省了存储空间,一般情况下可以节省一半的存储空间,这一点不论是对于Dvr系统制造商来说还是对于使用方来说都具有非常世实际的意义. 2、 MPEG I 格式本身就带有音频压缩标准,可以极为方便的加入同步声音功能这一点MOTION-JPEG格式是无法与其相比的. 3、 不支持丢帧纪录功能. 4、 图像的清晰度受算法所限,不会超过300TV线.但这一点不足以影响其在Dvr系统中的应用.对于采用MPEG I图像压缩格式的Dvr系统在选用时还需考虑其实现方式问题.MPEG I图像压缩格式的编码与解码是不对称的,编码速度慢,解码快.这也就解释了为什么586级别的计算机可以流畅的播放VCD影碟却无法胜任MPEG I编码的工作.有鉴于此,在选择时就要考虑该系统的编码部分是否过多的依赖计算机CPU运算.如果是,系统的稳定性就值得商榷了本公司的开发人员认为,最好是由专用IC来负责编码工作,但是,这样做会带来设计上的难度的大幅提升和成本的增加.所以,综合以上考虑,我们在本公司自行开发的TOYA 7S系列Dvr系统中使用可编程通用DSP处理器来负责编码工作.这样做有以下好处: 1、 由于DSP处理器具有极快的速度,所以足够应付MPEG I的编码工作,从而不会给计算机CPU带来大量的运算工作,从而提高系统的稳定性. 2、 DSP处理器支持编程,从而可以对可能出现的问题进行方便的修改,甚至可以通过刷新DSP内的程序使以前的板卡具有最新的功能. 风头正劲的 MPEG IV

MPEG组织于1991年5月提出关于视频音频编码的MPEG-4项目,设系统、音频视频、需求实现研究、测试及自然合成混合编码(SNHC)子组,1998年11月成为国际标准.与前两代MPEG标准相比MPEG-4提供更强的交互能力.场景中的每个对象独立编码,用户可以选择性地与其中某(几)个对象交互,具有良好的重用性重新组合音视对象AVO(AudioVisualObject)构造新场景,可以集成各种对象无缝地集成自然信息与合成信息,实时信息与存储信息,AVO可以是单/双/多声道音频信息、单/双/多镜头2D/3D视频信息.可以透明地访问信息,通过各种网络传输的信息最终映射为本地信息,整个过程给用户的感觉就如同访问本地信息.而且允许基于内容(比特率、分辨率、帧率、防错保护和解码优先级)的可伸缩性和服务质量(QoS)参数,更加灵活,可扩展,充分考虑未来技术的发展及应用需求,将解码器可编程能力分为:不可编程的标准工具集合(Flex-0);由标准化工具及其接口灵活配置的算法(Flex-1);多种工具构成可能算法的标准化可扩展机制(Flex-2).

与MPEG I、II 不同,MPEG组织并没有同时公布MPEG-4的编码方法,而只是规定了框架,遵循该框架的编码方法都可以称作MPEG-4.由于MPEG-4设计思想的先进性,谁若是率先实现了MPEG-4编码方法,并且成为公认的标准,谁就将获得极大的利益.(其实,MPEG组织在公布框架时,就已经实现了编码方法,只是因为美国的原因,没有公布罢了)

可能是因为这个 MPEG-4 的编码方法是属于保密内容的原因吧,所以虽然 MPEG-4 于1998 年11月就已经公布,但大家在计算机多媒体应用方面接触到的时候已经是 1999 年了是微软吃了这个螃蟹,把MPEG-4 的编码驱动做程序放入 Windows Media Encodec 4.1这个多媒体开发包里面,对应不同的编码方案,还分为Microsoft MPEG-4 Video Codecversion 3 和 Microsoft MPEG-4 Video Codec version 2 两个版本.但非常可惜,旧版本的 Microsoft MPEG-4 Video Codec 只能生成支持"视频流"技术的 ASF 格式文件,虽然这种格式方便在网络上实时收看节目(和 RM 格式差不多),但对于在单机上播放高质量视频图象或者Dvr应用来说,这个格式就不太合适了.于是不久 DivX ;-) CODEC就应运而生了,它是根据 Microsoft MPEG-4 Video Codec version 3 修改而来的,对应也有 Low-Motion和 Fast-Motion 两个版本.它和 Microsoft MPEG-4 Video Codec的最大区别就是支持 AVI 格式,也就是说它生成的视频文件是 AVI 格式的,当然,和原来那个大家都熟悉的 AVI 是不同的,内部编码方法的不同.DivX ;-) 音频部分使用的是MP3 ,而且最近已经可以支持比 MP3 更优秀的 WMA 格式了.(新版本的 MicrosoftMPEG-4 Video Codec version 3 其实和 DivX ;-) 已经没什么区别)由于 DivX ;-) 在视频和音频方面都采用了先进的压缩方法,所以,如果使用它把DVD 上面用MPEG-2格式制作的节目进行压缩,其文件大小就只是 DVD 原来的 3 分 1 左右了,这个时候图象的质量不会有明显的下降,用两张 CD-R 就可以把生成的文件装下,也就是说,可以用 CD-ROM 欣赏到接近DVD 画面质量的视频节目了.最近市面上已经开始大量有这些所谓的 MPEG-4 碟卖了,其实准确来说这些都是 DivX 碟.

由上所述,可以看出DivX ;-)的MPEG-4编码格式已经产生了较大的影响,但是距形成标准还有一段距离.加上MPEG-4本身公布的就只是框架,所以一些业界的巨头们肯定不会束手,就是具有视频格式编码经验的新兴公司也有心在这个市场上拚杀一番.比如说在中国上海就有汉唐科技公司公布自己的MPEG-4编码方法在视频采集领域一直具有着良好表现的PHILIPS是绝不会轻易放弃这么一个有可能形成标准的机会,于不久前推出了基于自身MPEG-4编码方法的专用IC.本公司在第一时间拿到了基于该IC的工程样板,并进行了一系列的测试,总体感觉极佳其稳定性、即时性决非基于通用计算机体系的软件压缩方法所能比拟.但是,如果把其应用于Dvr系统,就目前而言,时机尚未成熟,这主要是因为价格的原因. 由于MPEG-4编码方法本身的复杂性,依赖于计算机的软件压缩很难保证系统的稳定性于是人们很自然的想到利用通用DSP处理器的高速度、可编程性来承担复杂的MPEG-4编码方法的实现.并且这一点已经在基于MPEG I 格式的Dvr系统中得到了很好的应用.但是在本公司技术人员实现该设想时却发现事情不是那么简单,编码方法本身的复杂性导致了DSP处理器内部错误控制上的困难,在这个问题没有得到很好的解决之前,只好一次又一次的重启DSP处理器.因为以上原因,本公司决定暂不推出基于MPEG-4编码方法的产品.并且将继续密切关注这一优秀视频格式的进展,一旦时机成熟,本公司一定不负广大新老客户的期望,及时推出相应的产品!

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