视频压缩技术
目录
1. 视频压缩技术简介 (1)
2. 国际音视频压缩标准发展历程 ............................. .. (1)
2.1 JPEG标准..................................... .. (2)
2.2 H.261标准 ............................. ... .. (2)
2.3 H.263标准 (2)
2.4 MPEG-1/2标准 ............................. .. (3)
2.5 MPEG- 4标准................................ .. .. (4)
2.6 JVT标准 .................................... . (4)
2.7 H.264/AVC标准 ......................................... .. (4)
3．监控与视频压缩 ........................................... . (5)
3.1 分辨率的选择 (5)
3.2最佳方式 (5)
4. 视频压缩技术的若干应用 (6)
5. 视频压缩技术的市场背景 (6)
6. 结束语 ....................................... (7)
视频压缩技术发展现状
摘要
随着计算机技术、微电子技术和通信技术的不断进步．人们己不仅仅满足于语音、电报、电子邮件等的通信方式．视频通信因为其直观性、可靠性等一系列优点．成为新的应用需求热点。例如远程监控、远程教学、远程医疗诊断、远程购物、远程探视、电视电话会议等应用都迫切需要高质量的网络视频传输的支持。近年来, 视频压缩技术的进展已经进入多媒体领域的前沿。新的应用和新的产品几乎每天都会出现, 所以在多媒体世界中要订立标准来保证一个制造商提供的设备和服务可以成功地与其他制造商的类似设备一起工作。现在已经妥善地确立了这方面的一些标准, 包括JPEG、MPEG1、MPEG2和H. 330。现在, 大多数采用ISDN 的视像会议系统都符合IT U -T H. 320标准, 而MPEG2 则用在更高档的广播系统。除JPEG 之外, 这些标准确定了储存和传送频和音频信号时压缩这些信号的规则。现在已经形成这些新标准和压缩算法来减少视频传输所需的带宽。
视频标准具有一些共有的特性, 尤其是它们都采用分立余弦变换。但这些标准又是截然不同的,针对不同的用途,新的标准还会出现,以满足更多的用途。例如, H. 263 是和H. 261 有许多相似之处的视频标准, 它可以通过普通的电话线进行优质的电视会议。MPEG4 具有新功能改进的压缩比和图像质量。
1.视频压缩技术简介
什么是视频压缩技术？视频压缩技术就是指通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件的方式。目前视频流传输中最为重要的编解码标准有国际电联的H.261、H.263，运动静止图像专家组的M-JPEG和国际标准化组织运动图像专家组的MPEG 系列标准，此外在互联网上被广泛应用的还有Real-Networks的RealVideo、微软公司的WMV以及Apple公司的QuickTime等。
视频压缩技术用于录像、资料收集、整理、储存，高性能的视频压缩技术甚至用于远程视频网络传输，因此，在安防监控市场DVR（数字化硬盘录像监控）技术中，成为先进的数字化网络监控，不论是在监视、录像存储、画面检索、网络传输、信息安全保密以及控制技术方面相比传统的模拟监控技术，大大提高了视频监控领域的效率。
2.国际音视频压缩标准发展历程
随着有线电视网络的发展，视频压缩技术还在节目的采集、制作、播出及存储构成中的大量使用，欣的电视业务（如视频点播、准视频点播）已经实现，人们可以随时调看想看的电视节目和录像片。
目前，市面上的DVR产品使用的视频压缩算法主要有: JPEG、H. 261、H.263、MPEG-1/2、MPEG- 4、JVT、H.264/AVC。
2.1 JPEG标准
JPEG 是几种标准中最简单的, 因为它处理的是静止图像, 所以不需要帧的预测和移动补偿, 因而不需反馈回路。它依次使用的处理方法是: 分立余弦变换、量化、之字形扫描以及行程编码和不变长度编码。不过, 在JPEG 标准中有一些不同的选择可以让用户使其系统适应不同程度的压缩和图像质量。涉及的技术为无损耗和有损耗的编码技术。无损耗的编码可以依照编码之前的画面把画面重组。JPEG 中的无损耗编码技术不是依靠分立余弦变换, 而是依靠“预测”。但是, 无损耗编码受压缩程度的限制。医疗用的成像就是需要无损耗编码的一个例子。有损耗的编码技术则采用分立余弦变换。现有的选择是: 串行编码、渐进编码以及分级编码。串行编码是简单分立余弦变换。渐进编码可以逐渐形成画面的质量。这种方式分段地传送量化系数。最初先储存或传送较低的频率成分, 然后是较高的频率成分。另一种方法是有选择地提高系数的分辩率, 先处理最高位, 然后是最低位。分级编码逐步建立画面的清晰度。JPEG 的渐进和分级方法的好处是让用户可以用静止图像选择可变的质量水平, 这对于把JPEG 画面从一个地点传送到另一地点很重要。
2.2 H.261标准
H.261标准是为ISDN设计，主要针对实时编码和解码设计，压缩和解压缩的信号延时不超过150ms，码率px64kbps(p=1~30）。H.261标准主要采用运动补偿的帧间预测、DCT变换、自适应量化、熵编码等压缩技术。只有I帧和P帧，没有B帧，运动估计精度只精确到像素级。支持两种图像扫描格式：QCIF和CIF。目前最适合会议系统视频缩部分的标准是ITU-T标准H. 261。当前商业上使用最多的系统都采用H. 261指定的技术。H. 261标准的压缩算法对YCrCb数字数据发挥作用。与H.261兼容的解码器必须使QCIF为其数据源的位流解码,不过CIF却是选用项。大多数系统都适应这两种分辩率。一个把CIF 数据编码到单独一个ISDNB信道的系统,可以把视频信号压缩大约60∶1。H. 320和H. 261可以适应ISDN, 所以已编码的音频/视频数据通常是以64kdps(一个ISDN信道的带宽)的倍数传送。通常,由于视频和音频信号必须共用信道,所以要在音频和视频质量之间作出一些取舍平衡,尤其是在低位速率下。通常在单独一条ISDN信道中,音频要求16kbps,而48kbps则留给视频。
2.3 H.263标准
H.263标准是甚低码率的图像编码国际标准，它一方面以H.261为基础，以混合编码为核心，其基本原理框图和H.261十分相似，原始数据和码流组织也相似；另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些国际标准中有效、合理的部分，如：半像素精度的运动估计、PB 帧预测等，使它性能优于H.261。H.263使用的位率可小于64Kb/s，且传输比特率可不固定
（变码率）。H.263支持多种分辨率：SQCIF(128x96）、QCIF、CIF、4CIF、16CIF。
2.4 MPEG-1/2标准
MPEG-1标准用于数字存储体上活动图像及其伴音的编码，其数码率为1.5Mb/s。MPEG-1的视频原理框图和H.261的相似。MPEG-1视频压缩技术的特点：1.随机存取；2.快速正向/逆向搜索；3.逆向重播；4.视听同步；5.容错性；6.编/解码延迟。MPEG-1视频压缩策略：为了提高压缩比，帧内/帧间图像数据压缩技术必须同时使用。帧内压缩算法与JPEG压缩算法大致相同，采用基于DCT的变换编码技术，用以减少空域冗余信息。帧间压缩算法，采用预测法和插补法。预测误差可在通过DCT变换编码处理，进一步压缩。帧间编码技术可减少时间轴方向的冗余信息。MPEG-1是国际接受的有关压缩数字音频和视频信号的标准。实际标准是ISO-IEC标准,而MPEG(活动图像专家小组)则代表开始制订该标准的小组。这标准有三个部分:音频、视频以及系统。MPEG-1本来是为数字储存媒体储存音频和视频信息而制订的标准。这个标准在大约 1. 5Mbps下工作是最佳的。这个速率很重要,因为它是未压缩CD 的数据速率,而且也适合数字录音带。通常,音频信号在这个带宽采用大约192kbit/s,而系统的数据流也需要某一带宽。结果,视频信号大约要 1. 15Mbit/s。存取储存的视频和音频信息的某些要求对制订这个标准起了很大的作用。存取储存的材料是重要的,而在内部也为随机存取、快进和倒转以及反向重播安装设备。和视像会议的标准不同, MPEG倾向于控制质量而不是控制位速率。规定了某些参数来获得一定的质量水平而不是调节该系统在特定的位速率( 例如ISDN 信道的带宽)下工作。MPEG-1和H. 261所用的编码方法有显著的差别。举例说, H. 261有两种帧: intra(帧内)和inter(帧间),但在MPEG-1则有三种。MPEG 中的intra帧称为I帧,和其他标准中的intar帧类似。MPEG中的inter帧好像H. 261中的inter帧,基本上要对现行帧进行预测,而且这种预测帧要对移动作出补偿。取得这种预测和实际的现行帧之间的帧差异就可以产生预测帧P。MPEG-1中所用的第三种帧称为双向帧B。在前后出现的I帧和P帧之间插入一些B帧。产生这些双向帧的方法会影响到随机存取视频信号的能力以及该视频信号的质量。视频信号流中I帧之间的距离影响随机存取的性能,而P帧之间的距离则影响系统的复杂性和视频信号的质量, MPEG-1另一个有趣的特点是, 帧的传送并不依照这些帧的产生次序,所以解码器需要存储器以便解码器可以产生双向帧。之间插入一些B帧。产生这些双向帧的方法会影响到随机存取视频信号的能力以及该视频信号的质量。视频信号流中I帧之间的距离影响随机存取的性能,而P帧之间的距离则影响系统的复杂性和视频信号的质量, MPEG-1另一个有趣的特点是, 帧的传送并不依照这些帧的产生次序, 所以解码器需要存储器以便解码器可以产生双向帧。
MPEG-2被称为“21世纪的电视标准”，它在MPEG-1的基础上作了许多重要的扩展和改进，但基本算法和MPEG-1相同。MPEG-2在MPEG-1基础上进行了扩充和提升，和MPEG-1向下兼容，主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域，分辨率为：低（352x288），中（720x480），次高（1440x1080），高（1920x1080）。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率，
满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得存储容量还是太大，也不适合网络传输。
2.5 MPEG- 4标准
MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF（352*288）或者更高清晰度（768*576）情况下的视频压缩，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。另外MPEG-4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。
MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现，这一点有点偏离原来地初衷。另外对于中国企业来说还要面临高昂的专利费问题，目前规定：
－每台解码设备需要交给MPEG-LA 0.25美元。
－编码/解码设备还需要按时间交费（4美分/天=1.2美元/月 =14.4美元/年）。
2.6 JVT标准
新一代的视频压缩标准 JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG成立的联合视频工作组（Joint Video Team），致力于新一代数字视频压缩标准的制定。JVT标准在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4 AVC(part10）标准；在ITU-T中的名称：H.264（早期被称为H.26L）
2.7 H.264/AVC标准
H.264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验，采用简洁设计，使它比MPEG4更容易推广。H.264创造性了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量（1/4、1/8）和新一代的环路滤波器，使得压缩性能大大提高，系统更加完善。
H.264主要有以下几大优点：
－高效压缩：与H.263+和MPEG4 SP相比，减小50%比特率；
－延时约束方面有很好的柔韧性；
－容错能力；
－编/解码的复杂性可伸缩性；
－解码全部细节：没有不匹配；
－高质量应用；
－网络友善。
3．监控与视频压缩
3.1 分辨率的选择
目前监控行业中主要使用以下分辨率：SQCIF、QCIF、CIF、4CIF。
SQCIF和QCIF的优点是存储量低，可以在窄带中使用，使用这种分辨率的产品价格低廉；缺点是图像质量往往很差、不被用户所接受。
CIF是目前监控行业的主流分辨率，它的优点是存储量较低，能在普通宽带网络中传输，价格也相对低廉，它的图像质量较好，被大部分用户所接受。缺点是图像质量不能满足高清晰的要求。
4CIF是标清分辨率，它的优点是图像清晰。缺点是存储量高，网络传输带宽要求很高，价格也较高。
分辨率新的选择－528x384。
2CIF（704x288）已被部分产品采用，用来解决CIF清晰度不够高和4CIF存储量高、价格高昂的缺点。但由于704x288只是水平分辨率的提升，图像质量提高不是特别明显。
经过测试，我们发现另外一种2CIF分辨率528x384，比704x288能更好解决CIF、4CIF 的问题。特别是在512Kbps－1Mbps码率之间，能获得稳定的高质量图像，满足用户较高图像质量的要求。目前这一分辨率已被许多网络多媒体广播所采用，被广大用户所接受。比如杭州网通网上影院是采用512x384分辨率，在768k下能稳定地获得近似DVD的图像质量。
3.2最佳方式
目前视频编码正处于一个技术日新月异的时期，视频编码的压缩性能在不断得到提升。
在监控中主要使用ASCI和DSP两种方案。由于ASIC芯片的设计、生产周期过长，使它已跟不上视频编码的发展速度。而DSP芯片，由于它的通用设计，使它能实现各种视频编码算法，并且可以及时更新视频编码器，紧跟视频编码的发展速度。另外使用DSP芯片可以比ASIC更灵活的配置编码器，使编码器达到最佳性能。
海康威视产品目前达到的技术水准。
海康威视产品采用最先进的H.264视频压缩算法和高性能的DSP处理器。
强大的H.264视频压缩引擎使产品获得极高的压缩比、高质量的图像质量和良好的网络传输性能。高性能的DSP处理器能灵活的配置视频编/解码器：动态设置分辨率、帧率、码率、图像质量等；可以双码流输出，达到本地存储和网络传输分别处理的功能。
使用TM130X DSP的产品，单个芯片能实时压缩一路以下分辨率的视频：SQCIF、QCIF、
CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384）。
使用DM642 DSP的产品，单个芯片能实时压缩4路以下分辨率的视频：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384）。单个芯片能实时压缩2路4CIF视频。
4. 视频压缩技术的若干应用
视频压缩技术用于录像资料收集、整理及储存。几年前, 人们通常是把录像资料以模拟信号记录在各种尺寸的录像带上, 由于磁粉脱落、磁头划痕等原因, 造成录像资料损坏。现在, 通过视频压缩设备把录像资料的图像信息经压缩后保存在数字存储介质上, 反复使用图像质量不会降低, 交流方便, 保存时间长。MPEG- 1 在 1. 2Mb/ s 这一低分辨率下只能在双绞线上传输较短的距离, 不适用网络在上传输频, 但很容易将影片以CD- I 或CDVideo 的格式存储在光盘CD- ROM 上。一张直径12cm 的光盘容量为650M, 可记录74 分钟视频图象。因此, 一部两小时的电影可以记录在两张光盘上。视频压缩技术用于电视目编辑制作。MPEG- 2 视频设备的应用, 使传统的AB 卷对编模式大多由非线性编辑系统和编辑网络替代。由于视频制作的特点是, 在前期设备中,需要一个能够提供高质量和较低数码率的系统, 以方便数据的记录和传输。为了能够满足这种要求, Sony 公司于1996 年推出了世界上第一种采用MPEG 压缩技术的录像机格式)Betacam SX, 它使用MPEG- 2 图象帧( I-帧) 和双向预测帧( B - 帧, ) 产生一个18Mbps 的数据流, 既满足了电视新闻前期采集和制作对高品质图象质量的要求, 又满足了进行素材回转时对低数码流的要求。MPEG- 2 不仅能提供视频采集、制作的整体解决方案, 也正在成为数字电视播出、发射和接收的国际标准。这是其它的压缩方式做不到的。
随着有线电视网络的发展、视频压缩技术在节目集制作、播出及存储过程中的大量使用, 新的电视业务( 如视频点播、准视频点播) 将会实现, 人们可以随时调看想看的电视节目和录像片。
5. 视频压缩技术的市场背景
伴随着计算机及网络技术的飞速发展，尤其视频编解码技术的日益成熟、计算机处理能力的快速提高、以及宽带的逐渐普及，基于Internet的视频网络实时应用在许多行业和政府部门被大范围采用，尤其是银行、广电、石油、电力等行业，出现了许多成功案例。
提到基于Internet的视频网络实时应用，我们可能更多地会想到可视电话及视频会议系统、电视网络实况转播、远程教育等。这些Internet视频实时应用对软硬件的性能要求很高，要求既达到较高的帧率，又达到较低的码率，所以需要足够强大的处理能力（包括算法及芯片处理能力）。而要具备这种处理能力，往往需要昂贵的专用设备。
对于安防所涉及的数字视频网络监控系统，由于行业特性所决定，数据采集点较多，需要相应配置大量的编码设备，因此，与其他视频网络实时应用相比，价格成为一个相对比较
敏感的因素。
以往的数字视频网络监控系统，基本上都是基于局域网或者专网。但是实际应用环境却很难保证这样的网络条件，因此系统集成商无法给用户提供一个完整的解决方案。
例如银行的ATM机数字集中式监控系统，就可能需要提供基于Internet的解决方案：宽带为主，窄带为辅。
首先ATM机原来预留的专网入口需要传输业务数据，考虑到ATM机24小时在线的业务服务和24小时视频监控的要求，我们很难提供一种解决方式，在同一个专网上，既保证业务数据传输稳定，又保证监控画面流畅，因此，我们需要考虑从宽带运营商租用线路，通过宽带传输视频数据。而且，从运行模式和成本上考虑，很多ATM机并不需要随时传输视频数据，往往只在异常发生的情况下，主动要求监控中心切换监控点；或者在监控中心定时巡查各监控点的时候才需要在线。这种情况下，就不需要为ATM机常年租用线路，只需要开通ADSL、ISDN、甚至通过电话线连接的方式。
近两年，国内厂商不断推出高性能、高性价比的视音频压缩卡和嵌入式网络监控设备，使得基于Internet的数字视频网络监控系统成为可能，如上述ATM机数字集中式监控系统。
6. 结束语
近几年来, 由于多媒体数据压缩技术取得了巨大进展, 使得许多陷人困境的多媒体通信行业焕发了活力, 特别是多媒体视频电视会议系统的研究成果令人瞩目, 目前国内外已有许多相应的实用化产品面市,可以相信,多媒体数据压缩技术与视频压缩技术及网络技术相结合的应用前景十分可观, 它将对今后的社会进步产生重大影响。
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