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1、几种视频压缩技术概述 （返回）（一）、JPEG静止图像压缩标准1、 JPEG国际标准化组织（ID）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）联合成立的专家组织JPEG（Joint Photographic experts group 经过五年艰苦细致地工作后，于是 1991 年3 月提出了 ISO CDIO918 号建议草案：多灰度静止图像的数字压缩编码（简称 JPEG 标准）。这是一个适用于彩色和单多多灰度或连续色调静止数字图像的压缩标准。它包括基于 DPCM（差分脉冲编码调制）、DCT（离散余弦变换）和 Huffman 编码的有损压缩算法两个部分。前者不会产生失真，但压缩比很小；后一种算法进行
2、图像压缩住处虽有损失但压缩比可以很大，压缩 20 倍左右时，人眼基本上看不出失真。JPEG 标准有三个范畴：A、基本顺序过程 Baseline sequential processes 实现有损图像压缩。重建图像质量达到人眼难以实现图像质量达到人眼难以观察出损失的要求。采用 8*8 像素自适应 DCT算法、量化及 H uffman 型的熵编码器。B、基于 DCT 的扩展过程（Extended DCT Based Process）使用累进行工作方式，采用自适应算术的编码过程。C、无失真过程（Lossless Process） 采用预测编码及 Huffman（或算术编码），可保证重建图像数据与原始
3、图像数据完全相同。基中的基本顺序过程是 JPEG 最基本的压缩过程：符合 JPEG 标准的硬软件编码/解码器都必须支持和实现这个过程。另两个过程是可选扩展，对一些特定的应用项目有很大实用价值。（1）、JPEG 算法基本 JPEG 算法操作可分成以下三个步骤：通过离散余弦变换（DCT）去除数据冗余；使用量化表对 DCT 系数进行量化，量化表是根据人类礼堂系统和压缩图像类型的特点进行优化的量化系数矩阵；对量化后的 DCT 系数时行编码使其熵达到最小，熵编码采用Huffman 可变字长编码（2）、离散余弦变换JPEG 采用 8*8 子块的二维离散余弦变换算法。在编者按码器的输入端，把原始图像（对彩色
4、图像是每个颜色成分）顺序地分割成一系列 8*8 的子块，在 8*8 图像块中，像素什一般变化较平缓，因此具有较低的空间频率。实施三维 8*8 离散余弦变换可以将图像块的能量集中在极少数儿个系数上，其它系数的值与这些系数相比，绝对值要小得多。与 Fourier 变换类似，对于高度相关的图像数据进行这样变换的效果使能量高度集中，便于后续的压缩处理。（3）、量化为了达到压缩数据的目的，对 DCT 系数需作量化处理，量化的作用是在保持一定质量前提下，丢弃图像中对视觉效果影响不大的信息。量化是多对一映射，是造成 DCT 编码信息损失的根源。JPEG 标准中采用线性均匀量化器，量化过程为对岸 64 个 D
5、CT 系数除以量化步长并四舍五入取整，量化步长由量化表决定。量化表元素因 DCT 系数位旰和彩色分量的不同而取不同值。量化表为 8*8 矩阵，与 DCT 变化系数对应。量化表一般由用户规定，JPEG 标准中给出了参考值，并作为编码器的一个输入。量化表中元素为 1到达 255 之间的任意整数，其值规定了其所对应 DCT 系数的量化步长。（4）、游程编码64 个变换数经量化后，左上角系数是直流分量（DC 系数），即空间域中 64 个图像采样值的均值。相邻 8*8 块之间的 DC 系数一般有很强的相关性，JPEG 标准对 DC 系数采用DPCM 编码（差分编码）方法，即对相邻像素块之间的 L 系数的
6、差值进行编码。其余 63 个交流分量（AC 系数）使用游程编码，从左上角开始沿对角线方向，以 Z 字形（Z Ig-Zag）进行扫描直至结束。量化后的 AC 系数通常会有许多零值，以 Z 字形路径进行游程编码有效地增加了连续出现的零值个数。2、PEG/MJPEG 在 DVR 系统中应用极少数 DVR 厂商采用 JPEG 压缩技术，大多采用 MJPEG（Motion JPED） 压缩技术，它主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。目前的基于该技术的视频卡也主要是完成数字视频捕获（Capture） 功能，在后台由 CPU 或专门的 JPEG 芯片完成压缩工作。JPEG/
7、MJPEG 压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像、而且可以灵活设置每路视频清晰度、压缩帧数，但付出的代价是在保证每路都高清晰度的情况下，受处理速度限制，无法完成实压缩，有很强的丢帧现象，同时由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用窨较大，目前流行的 MJPEG 技术最好的也只能做到3K/帧，通常要 820K！简单计算可以发现即使是丢帧录像，也将耗费大量的硬盘空间，尤其在保安监控领域，由于监控摄像机较多（16 路通常），同时进行高清晰度录像，保证一个月的录像存储量是十分惊人的，甚至远远超过条用 MPEG1 实的录像技术产品，想念使用过该技术产品的用户对此有深刻印象。
8、（二）、MPEG运动图像压缩标准1、 MPEGMPEG 是 Movyig pictures experts group(运动图像专家组)的英文缩写，这个专家组始建于 1988 年，专门负责为 CD 建立视频和音频标准，其成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。MPEG 是 ISO/IEC/JTC/SC2/WG11 的一个小组。它的工作兼顾了 JPEG 标准和 CCITT 专家组的 H261 标准，于 1990 年形成了一个标准草案。MPEG 标准分成两个阶段：第一阶段（MPEG1）是针对传输速度为 1MP/s 到 1.5Mb 的普通电视质量的视频信号的压缩；第二个阶段（MPEG-2）目标则是对
9、每秒 30 帧的720*576 分辨率的视频信号进行压缩，在扩展模式下，MPEG-2 可以对分辨率达成1440*1152 高清晰度电视（HDTV）的信号进行压缩。总体来说，MPEG 在三方面优于其他压缩/解压缩方案。首先，在一开始它就是作为一个国际化的标准来研究制定，所以MPEG 具有很好的兼容性；其次，MPEG 能够比其他算法提供更好的压缩比，最高可达200：1；更重要的是，MPEG 在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。MPEG-1 制定于 1992 年，为工业级标准的设计，可适合于不同带宽的设备，如 CD-ROM、Video-CD、CD-I。它可针对 SIF 标准分辨（对于 NTSC
10、制为 325*240；对于 PAL 制为 325*288）的图像进行压缩，传输速率为 1.5Mbits/sec,每秒播放 30(25)帧,具有CD(指激光唱盘)音质,图像质量级别基本与 VHS 相当。MPEG 的编码速率最高可达 4-5Mbits/sec，但随着速率的提高，其解码后的图像质量有所降低。MPEG-1 也被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路（ADSL），视频点播（VOD），以及教育网络等。同时，MPEG-1 也可被用做记录媒体或是在 INTERNET 上传输音频。MPEG-2 制定于 1994 年，设计目标是高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。MPEG-2 所能
11、提供的传输率在 3-10Mbits/sec 间，其在 NTSC 制式下的分辨率可达720*480，MPEG-2 也可以提供广播级的视像和 CD 级的音质。MPEG-2R 的音频编可提供左右中及两个环绕声道，以及一个加重低音声道，和多达个伴音声道。由于 MPEG-2 在设计时的巧妙处理，使得大多数 MPEG-2 解码器也播放 MPEG-1 格式的数据，如 VCD。同时，由于 MPEG-2 的出色性能表现，已能适用于 HDTV，使得原打算为 HDTV 设计的 MPEG-3，还没出世就被抛弃了。（MPEG-3 要求速率在 20Mbits/sec-40Mbits/sec 间，但这将使画面有轻度扭曲），
12、除了作为 DVD 的指定标准外，MPEG-2 还可以用于为广播，有线电视网，电缆网络以及卫星直播（Direvt broadcast satellite）提供广播级的数字视频。MPEG-2 的另一特点是，可提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量，存储容量，以及带宽的要求。对于最终用户来说，由于现存电视机分辨率限 MPEG-2 所带来的高清晰度画面质量（如 DVD 两面）在电视上效果并不明显，倒是其音频特性（如加重低音，多伴音声道等）更引人注目。MPEG 算法除了对单幅图像进行编码外，还利用图像序列的相关特性去除帧间图像冗余，大大提高了视频图像的压缩比，在保持较好的图像视觉效果的前提下，
13、压缩比可以达到60-100 倍左右。MPEG 压缩算法复杂、计算量大，其实现一般要专门的硬件支持。MPEG 标准有三个组成部分：MPEG 视频；MPEG 音频；视频与音频的同步。MPEG 视频是NPEG 标准的核心。为满足高压缩比和随时机访问两方面的要求，MPEG 采用预测和插补两种帧间编码技术。MPEG 视频压缩算法中包含两种基本技术：一种是基于 16*16 子块的运动补偿，用来减少帧序列的空域冗余，在帧内压缩及帧间预测中均使用了 DCT 变换。运动补偿算法是当前视频图像压缩技术中使用最普遍的方法之一。（1）、运动补偿预测帧序列的相邻画面之间的运动部分具有连续性，即当前画面上的图像可以乍成是
14、前面某时刻的图像对当前画面图像进行预测的方法，称为前向预测。反之，根据某时刻的图与位移住处预测刻时之前的图像，称为后向预测。MPEG 的运动补偿将画面分成若干 16*16 的子图像块（称为补偿单元或宏块），并根据一定的条件分别进行帆内预测、前后预测、后向预测及平均预测。（2）运动补偿插值以插补方法裣运动住处是提高视频压缩比的最有效措施之一。在时域中插补运动补偿是一种多分辨率压缩技术。例如 1/15 秒或 1/10 秒时间隔选取参考子图，对时域较低分辨率子图反映运动趋势的附加校正信息（运动夭量）进行插值，可得到满分辨率（帧率1/30 秒）的视频信号。插值运动补偿也称为双向预测，因为它既利用了前面
15、帧的信息用了后面帧的信息。2、 MPEG 在 DVR 系统中应用MPEG1 实时视频压缩技术是目前市场 DVR 产品主流。较 MJPEG 技术，MPEG1 在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。例如在国内 PAL 制式下，NPDG1 可以满足多路25 帧/秒的压缩（16 路）速度，在 500kbit/sec 压缩码流（352*288）下，每帧大小仅为 2k 简单计算可以表明，MPEG1 产品的录像容量是目前硬盘容量可以妨受的（16 路以下）。 目前国内 DVR 厂商 MPEG1 产品基本都采用以色列 Zapex 或台湾 Winbond 公司的压缩芯片，通过硬件压缩技术可以有效降低计算
16、机负担，解决多路视频同时录像计算机资源有限的问题。MPEG1 也有较多不利地方，其一是存储量，通常需要 8 个 80 硬盘，或更多，硬盘投资大，而由此引起的硬盘故障和维护更是叫人头疼；其二是清晰度不够高，由于 MPEG1 最大清晰度仅次 352*288，考虑到容量、模拟/数字量化损失等其他因素，回放清晰度不高，这也是市场反应的主要问题；其三是不够灵活，只能 25 帧/秒，不能够丢帧录像，从目前广泛采用的压缩芯片来看，也缺乏有效的调控手段，例如关键帧设计、取样区域设定等等，造成在保安监控领域应用不适合，造价也高。基四 MPEG1由于数据量大，不适合网络传输，尤其是在常用的低带宽网络上无法实现过程视频传输。其实单从民用市场上来看就知道，尽管 MPEG1 曾经是 VCD 的主要压缩标准，但目前MPEG 等先进的压缩标准大有取而代之的趋势。总体看来 MPEG1 与 MJPEG 压缩技术由于技术成熟，所以 DVR 开发厂家的压缩板卡也较多，是目前 DVR 市场的主流技术，但两者的致命弱点就是硬盘耗费量大，且不能同时满足保安与实时录像场合的
