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1、大易工作室一弱電工程技術(shù)文章 版權(quán)所有大易工作室 1997 2003 sdayi@ 用于安全技術(shù)的數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn) 過去幾年，為了歸檔和傳輸，人們越來越多地把來自監(jiān)視攝象機(jī)的模擬視頻信號(hào)數(shù)字化。 本文概述當(dāng)前用于數(shù)字化和數(shù)據(jù)壓縮的方法，并分析它們在 CCTV系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。 數(shù)字視頻信號(hào)相對模擬信號(hào)有許多優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字視頻信號(hào)可以用計(jì)算機(jī)或信號(hào)處理器處 理并通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸。最重要的是，采用現(xiàn)有（電話）線路的傳輸和不會(huì)磨損的硬盤記錄 正在推動(dòng)數(shù)字視頻信號(hào)的趨向。但是，由于數(shù)字視頻信號(hào)依照 CCIR601、具有216Mbit/s的 很高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率，實(shí)現(xiàn)處理和傳輸

2、必須使用適合的數(shù)據(jù)壓縮方法。 國際上已經(jīng)為各種應(yīng)用開發(fā)了壓縮算法，并經(jīng)各種組織測試和標(biāo)準(zhǔn)化。這些不同的方 法在某種程度上只是可供選擇的辦法， 因?yàn)樗鼈兪菫椴煌康拈_發(fā)的， 因此只適合于特定應(yīng) 用。大體說來，這些標(biāo)準(zhǔn)化的視頻壓縮方法實(shí)際所用的方法也應(yīng)該基于國際標(biāo)準(zhǔn)， 特殊應(yīng)用 除外。在這些壓縮算法中， 有些允許在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)有一定程度的變化， 因此可以最佳地適應(yīng)安全 技術(shù)的需求。最常用的視頻壓縮方法使用臨近像素的統(tǒng)計(jì)類似性。 通常使用DTC離散Cosine 轉(zhuǎn)換）把圖像逐塊轉(zhuǎn)換為頻率間隔。使用了人視覺的心理視覺特性。在視頻編碼中，也能夠 使用強(qiáng)大的連續(xù)幀的時(shí)間相關(guān)， 亦即所表現(xiàn)的對像通常是靜

3、態(tài)的或多少以恒定方式運(yùn)動(dòng)。 如 果用運(yùn)動(dòng)評估計(jì)算圖像之間的差別， 只需要從幀到幀地轉(zhuǎn)換這些改變。 安全技術(shù)中使用的攝 象機(jī)在正常分辨率時(shí)有 512 X 576個(gè)活躍像素，在較高分辨率時(shí)通常有 752X 582個(gè)活躍像素。 按照CCIR601,用彩色信息 YUV4 2: 2將720X 576個(gè)像素?cái)?shù)字化。這等效于使用大約 6到 7MHz模擬帶寬的S-VHS質(zhì)量。由于對于許多應(yīng)用來說 VHS質(zhì)量就足夠，定義了標(biāo)準(zhǔn)圖像格 式CIF （普通中間格式）：亮度信號(hào)Y使用352X 288個(gè)像素，色度信號(hào)U和V使用176X144 個(gè)像素。使用CIF分辨率大大減小了數(shù)據(jù)量，同時(shí)又提供足夠的圖像質(zhì)量。

4、JPEG JPEG 標(biāo)準(zhǔn)是由聯(lián)合照相專家組（ISO的1部分）開發(fā)的，用于有效存儲(chǔ)個(gè)別的幀。壓 縮因數(shù)在0道0之間時(shí)，單幀中沒有可以感覺到的可見質(zhì)量損失。壓縮因數(shù)加大到 40時(shí)， 量化的非自然信號(hào)明顯可見。 這一標(biāo)準(zhǔn)在該標(biāo)準(zhǔn)本身中沒有定義。 根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)格式，為了 版權(quán)所有大易工作室 1997 2003 sdayi@ 獲得質(zhì)量和存儲(chǔ)要求之間的良好折中, 353X 288個(gè)像素的CIF分辨率也在安全技術(shù)中變得 普遍起來。 M-JPEG 一個(gè)視頻序列包括許多單獨(dú)的幀。 通過把上述JPEG方法反復(fù)應(yīng)用于視頻序列的幀， 能 夠減少攝象機(jī)信號(hào)的數(shù)據(jù)量；這一方法稱為運(yùn)動(dòng) JPE

5、G即M-JPEG因此它不是一種新的獨(dú)立 的方法。由于對于M-JPEG來說不考慮單獨(dú)的幀之間的關(guān)系，這一方法與H.320/H.261或MPEG 方法相比只能獲得比較低的壓縮率。但是， M-JPEG在安全技術(shù)領(lǐng)域十分流行，特別是在視 頻序列存檔方面，因?yàn)樵L問單獨(dú)的幀很容易、而且所需要的硬件成本較低。一個(gè)難題是 M-JPEG方法還么有實(shí)現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)化，而且 JPEG不包括傳輸標(biāo)準(zhǔn)。因此不同廠家的實(shí)施是不 兼容的。作為一種變型，通常用 JPEG方法對連續(xù)圖像之間的差別進(jìn)行編碼進(jìn)一步減少數(shù)據(jù) 量。這一微分幀方法也沒有標(biāo)準(zhǔn)化，因此需要同一廠家的解碼器來進(jìn)行解碼。 H.320/H.261 H.32

6、0 標(biāo)準(zhǔn)是一種ITU-T建議（國際點(diǎn)心聯(lián)盟），不久前才最終定案。 H.320包括一系 列子標(biāo)準(zhǔn)，用以處理一個(gè)完全系統(tǒng)的各個(gè)部分。例如， H.261描述視頻編碼，H.221負(fù)責(zé)音 頻、視頻、數(shù)據(jù)和控制信息的多路技術(shù)。 H.320建議主要用于電視會(huì)議系統(tǒng)和電視電話，而 且通過ISDN （遺體化服務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)）傳輸可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。 在128kbit/s （2ISDN B信道），可以獲得很好的圖像質(zhì)量和很好的更新率。由于從 64 到1920kbit/s 的帶寬范圍很大，使用任何其他媒介（ LAN WAN幾乎都是可能的。 具體而言，由于 H.320是為人之間的雙響視頻通信開發(fā)的，這一標(biāo)準(zhǔn)可用于安全

7、技術(shù) 的時(shí)時(shí)傳輸。在人對人的通信中，延遲保持在十分之一秒內(nèi)十分重要， 因?yàn)椴贿@樣就很難進(jìn) 行自然談話。這一短延遲趨向在安全技術(shù)中十分有用， 例如，在動(dòng)作是通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視觸 發(fā)或攝象機(jī)只能遠(yuǎn)程控制的時(shí)候。 大易工作室一弱電工程技術(shù)文章 可以使用H.320按照該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的另一重要特征正在影響圖像質(zhì)量。用戶可在視力優(yōu) 化傳輸和運(yùn)動(dòng)優(yōu)化傳輸之間進(jìn)行選擇、并確定適當(dāng)?shù)恼壑小? H.261 通常以上述 CIF分辨率（352X 288）傳輸圖像，但是也能以這一分辨率的四分 之一 QCIF （176X 144）傳輸。在該標(biāo)準(zhǔn)的附錄 D中，還描述了 704X 576個(gè)像素的高分辨率 模式。

8、H.320不只限于圖像編碼，她還對整個(gè)傳輸系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。因此， H.320的最大優(yōu)點(diǎn)是它在不同廠家終端之間的兼容性。例如，一個(gè)廠家 ISDN電視電話可以 與另一廠家ISDN電視會(huì)議系統(tǒng)或ISDN視頻發(fā)射機(jī)進(jìn)行視聽通信，只要兩者都支持 H.320 標(biāo)準(zhǔn)就行。 H.263 H.263 是H.261方法的進(jìn)一步發(fā)展， 而且已經(jīng)專門為 H.324內(nèi)64kbit/s 以下的低數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換率進(jìn)行優(yōu)化，例如，用于通過調(diào)制解調(diào)器連接和模擬電話線路。 H.320展望用H.263 代替H.261，只要兩個(gè)終端都支持這一標(biāo)準(zhǔn)。特別上兆秒毫移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò) GSM（9600bit/s ） 或

9、模擬電話網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸，使用H.263改善圖像質(zhì)量和圖像更新率。在更高的數(shù)據(jù)率下，質(zhì)量 可以與H.261相比較。 MPEG MPEG （運(yùn)動(dòng)圖像專家組）是有 ISO專家組制訂的標(biāo)準(zhǔn)。MPEG1初是作為MPEG-1開發(fā) 的，用于在CD-ROMt進(jìn)行視頻存儲(chǔ)，旨在提供可以與 VHS想比較的質(zhì)量。MPEG-1定義SIF 圖像格式，具有 352X 288個(gè)像素和1.5Mbit/s 的典型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。這一方法具有和 H.320 類似的結(jié)構(gòu)，盡管它面向存儲(chǔ)視頻信號(hào)， 但是卻沒有考慮延遲。相反， 為支持錄象機(jī)的諸如 快進(jìn)和倒帶的功能，I幀（JPEG編碼的單幀）被分配給整個(gè)數(shù)據(jù)六以便能夠在記錄內(nèi)隨機(jī) 訪

10、問。因此導(dǎo)致的效率降低通常由兩個(gè)雙向內(nèi)插的幀（ B幀）按編碼的微分幀（P幀）補(bǔ)償。 由于記錄中與實(shí)時(shí)沒有直接關(guān)系，這一 “訣竅”沒有進(jìn)一步的結(jié)果。但是在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，這 一非異國的正向關(guān)系引起延遲， 因?yàn)橄乱痪幋a圖像必須在它能夠開始插入許可的圖像之前傳 輸。除了要求存儲(chǔ)幾個(gè)圖像之外，使用這一方法不能對攝象機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 如果使用MPEG 而沒有B幀和分散的I幀，它實(shí)際上與 H.320相同。 MPEG-1 標(biāo)準(zhǔn)的延伸一一MPEG-2是專門為數(shù)字TV開發(fā)的。MPEG-濤慮TV信號(hào)使用的 隔行掃描；此外，MPEG-2好似提供若剛質(zhì)量級(jí)別和選擇，稱為簡檔文件和級(jí)別，可以進(jìn)行 專業(yè)圖像傳輸。定義了

11、可達(dá) 15Mbit/s的書率轉(zhuǎn)換率。 MPEG-4 最初發(fā)起的目的是為極低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率（ 〈〈64kbit/s ）開發(fā)視頻編碼。但是，最 初的結(jié)果即使與 H.324比較也不令人信服，因此注意力逐漸轉(zhuǎn)向與圖像內(nèi)容和現(xiàn)場 （由自然 內(nèi)容和計(jì)算機(jī)生成的內(nèi)容構(gòu)成）描述交互作用的工具。 MPEG-4定義一個(gè)可以描述任何相鄰 圖像分區(qū)的工具包，因而應(yīng)該成為安全技術(shù)的數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)， 用于編輯圖像和視頻。MPEG-4 的標(biāo)準(zhǔn)化還沒有完成。 子波 與JPEG一樣，子波方法也是為給單獨(dú)幀編碼而開發(fā)的。 JPEG方法中，圖像首先被分 成8X8的數(shù)據(jù)塊，然后再分別編碼。但是子波方法還包括過濾整個(gè)圖像，以

12、便把它分成不 同級(jí)別的分辨率。圖像因此被奉承低通和高通部分（分辨率金字塔） ，這對人的感知也十分 重要。不同形狀的波稱為“子波”，用來進(jìn)行過濾，而它們的系數(shù)描述圖像內(nèi)容。 與JPEG比較，子波轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)至少在理論上是描述更簡潔。 此外，在較高壓縮率在不 可避免的人工效應(yīng)物使用子波方法時(shí)通常主觀感覺上可以接受： 在較高壓縮率時(shí)，子波編碼 的圖像變得模糊，圖像邊緣因?yàn)闉V波而有拖影， 而使用JEPEG寸，由于圖像數(shù)據(jù)塊得分別編 碼，會(huì)出項(xiàng)特別討厭的“阻塞”效果。實(shí)際上，子波和 JEPEGT法并沒有表現(xiàn)出任何明顯的 性能差別，盡管市場的看法與此相反。 所使用的大量基于子波的功能妨礙標(biāo)準(zhǔn)化，

13、 因而在不 同的編碼器和解碼器之間沒有兼容。 不規(guī)則碎片形圖像壓縮 JPEG 一樣，這不是一種沒有損失的壓縮方法，而是基于碎片幾何學(xué)的壓縮方法。這一 方法的基礎(chǔ)是人們觀察到：自然目標(biāo)表現(xiàn)出“自相似性” ，而且服從碎片幾何學(xué)（按照這一 學(xué)說，海岸結(jié)構(gòu)的微細(xì)結(jié)構(gòu)完全相像，亦即它們重復(fù)） 。編碼的任務(wù)是要發(fā)現(xiàn)數(shù)字圖像內(nèi)的 這種類似性、并有效地描述這些碎片和它們的重復(fù)。 這一方法因?yàn)榉治鰪?fù)雜壓縮速度十分慢， 而且還沒有標(biāo)準(zhǔn)化。 結(jié)論 在安全技術(shù)中，圖像壓縮大多用于本地存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸。在本地存儲(chǔ)中，可以達(dá)到的 壓縮因數(shù)并不十分重要，只要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化率可以用今天的硬盤處理即可， 而且數(shù)據(jù)量并不過

14、分 地限制記錄持續(xù)時(shí)間。因此直接訪問記錄圖像的單獨(dú)幀十分重要。諸如（ M）JPEG或子波的 凍結(jié)幀編碼方法適合與這一應(yīng)用。 由于各個(gè)廠家分別優(yōu)化了這一方法， 因此他們之間的不相 容是自由數(shù)據(jù)交換的障礙。如果你要使用標(biāo)準(zhǔn)圖像觀察器觀察這種圖像， 通常首先必須損失 速度將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn) JEPEG格式。對于實(shí)時(shí)傳輸，兩種方法都不適用，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^ ISDN 傳輸時(shí)壓縮率低，重放更像是快速幻燈片，而不是電影。 如果你的要求很高，需要速度大 25幀/秒的遠(yuǎn)程視頻傳輸，H.320是正確的標(biāo)準(zhǔn)。通 過ISDN的傳輸經(jīng)過優(yōu)化以后，即使在較低的傳輸率比如 GSMF,也能夠提供有益的結(jié)果。 有趣的

15、是，H.320效率決不比JPEG低。但是，有可能按照該標(biāo)準(zhǔn)控制 H.320,這樣只 對單幀進(jìn)行編碼并因此生成 JPEG性能。這一點(diǎn)與能夠達(dá)到 704 X 576個(gè)像素的不同等級(jí)分辨 率意味著，H.320注定是用于安全技術(shù)、甚至視頻記錄的通用方法。 在H.320的基礎(chǔ)上，同時(shí)確立了用于模擬電話網(wǎng)絡(luò)的 H.324標(biāo)準(zhǔn)和用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) （TCP/IP）的H.323標(biāo)準(zhǔn)。由于這些標(biāo)準(zhǔn)都是基于同一方法， H.320是一種將來使用不同種 類網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐顿Y。 由于在H.320的ISDN傳輸中已經(jīng)包括了音頻標(biāo)準(zhǔn) G.711、G.722和G.728,沒有用于視 聽傳輸?shù)钠渌x擇。 例如，在播放地鐵站的實(shí)況圖像時(shí)， 可以進(jìn)行通告。特別是對于執(zhí)行視 頻 版權(quán)所有大易工作室 1997 2003 sdayi@ 大易工作室一弱電工程技術(shù)文章 來源：中國安防產(chǎn)品信息 版權(quán)所有大易工作室 1997 2003 sdayi@