MPEG4视频压缩在数字安防领域中的应用
(2005-1-13 10:17:14) 人气：224
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1、MPEG4视频压缩/嵌入式技术发展的最新动态
1.1.从近期安防展览会上看
从今年多届安全防范展览会会上，尤其是近期举行的全国最大规模的安防展览会上可以明显感觉到国内数字录像监控产品开发的厂家已经非常多，竞争也非常激烈，从涉及厂家来看大致可分为三类：整机供应商、套件供应商（板卡+软件）、压缩板卡供应商，其中整机供应商占了绝大部分；从DVR压缩技术来看大致也可分为三类： MJPEG、MPEG1、MPEG4，MJPEG技术主要被南韩、台湾产品所采用，MPEG1技术主要被国内厂家所采用，而MPEG4技术以硬压缩和软压缩两种不同技术实现的方式，普遍被市场所接受。
嵌入式数字视频系统是目前数字安防领域发展最快的一个部分，是数字视频技术发展的最新方向。嵌入式技术的采用，使DVR脱离了传统的PC结构和WINDOWS操作系统，系统在稳定性、适用性、可维护性上有根本性的改善，是DVR从工程类产品走向消费类产品的必然步骤。目前国内的嵌入式视频系统主要分为以下几部分：嵌入式硬盘录像系统、嵌入式视频服务器、网络摄象机。从操作系统上来看主要由Uclinux、VxWorks、PSOS、UcOS等RTOS组成。
多媒体监控系统也是目前视频监控领域继续发展的一个方向。90年代出现的多媒体监控技术曾经在视频监控领域吹进一股新风，随着DVR系统的出现，多媒体监控技术也在不断发展。目前由于DVR系统普遍缺乏电视墙显示和矩阵视频切换能力，数字矩阵和DVR的完美结合，既可以保证系统强大的矩阵切换能力同时有可以充分利用DVR强大的录像和网络传输能力，尤其适合大型视频监控系统的应用。1.2.从市场应用来看目前从DVR的应用对象来看主要分为两大类，即环境保安监控、银行柜员制监控，尤其是通过两年来的市场培养、技术宣传、实际应用，数字硬盘录像技术的优越性已经逐步被国内银行系统所认可，众多的省份的各大银行也逐步在柜员制上引入硬盘录像系统，单从这点来看DVR系统具有广阔的市场应用前景，将来在电信、电力、公安、海关、司法等部门还将得到更大的应。
从视频压缩角度来看，两种应用场合对DVR的技术要求水准不一样。保安监控要求路数多、不要求实时录像，而银行柜员制要求路数不多，但要求清晰度高，能够实时录像。综合目前的DVR产品来看MJPEG压缩标准的DVR主要应用于保安领域、MPEG1压缩标准主要应用于银行柜员制领域。
1.3.MJPEG、MPEG1技术分析及缺陷
无论采取何种压缩技术，对最终用户来言他最为关心的无非几大要素：清晰度、存储量、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。
MJPEG
MJPEG（Motion JPEG）压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的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。
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，受处理速度所限，无法完成实时压缩，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空间较大，目前流行的MJPEG技术最好的也只能做到3K/帧，通常要8~20K！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，甚至远远超过采用MPEG1实时录像技术产品。相信使用过该技术产品的用户对此有深刻印象。
MPEG1
MPEG1实时视频压缩技术是目前市场DVR产品主流。
MPEG-1压缩标准制定于1992年，为工业级标准而设计，可适用于不同带宽的设备，如CD-ROM、Video-CD、CD-i。它可针对SIF标准分辨率(对于NTSC制为352X240；对于PAL制为352X288)的图像进行压缩，传输速率为1.5Mbits/sec（最低192Kbits/sec），每秒播放30帧，具有CD(指激光唱盘)音质，质量级别基本与VHS相当。MPEG1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。
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，MPEG1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忍受的（8路以下）。目前国内DVR厂商MPEG1产品基本都采用以色列或台湾公司的压缩芯片，通过硬件压缩技术可以有效降低计算机负担，解决多路视频同时录像计算机资源有限的问题。但MPEG1也有较多不利地方，其一是存储容量还是过大，尤其当DVR主机超过8路时，为了保存一个月的存储量，通常需要10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最大清晰度仅为352*288，考虑到容量、模拟à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，例如关键帧设定、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。其四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远程视频传输。其实单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MPEG2（DVD）、MPEG4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，可以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需要。尤其在硬盘造价已经接近DVR整机成本价50%情况下，容量与清晰度矛盾更为突出。MPEG4技术的出现，可以有效解决以上诸多问题。
2、MPEG4技术剖析
2.1. MPEG4---压缩技术的革命
MPEG-4与MPEG1、MPEG2不同。
MPEG4于1998年11月公布，原预计1999年1月投入使用的国际标准MPEG4不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG专家组的专家们正在为MPEG-4的制定努力工作。MPEG-4标准主要应用于视像电话(Video Phone)，视像电子邮件(Video Email)和电子新闻(Electronic News)等，其传输速率要求较低，在4800-64000bits/sec之间，分辨率为176X144。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。
与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控。MPEG-4是第一个使你由被动变为主动(不再只是观看，允许你加入其中，即有交互性)的动态图象标准；它的另一个特点是其综合性；从根源上说，MPEG-4试图将自然物体与人造物体相溶合(视觉效果意义上的)。MPEG-4的设计目标还有更广的适应性和可扩展性。MPEG4试图达到两个目标：
一、低比特率下的多媒体通信；
二、是多工业的多媒体通信的综合。 据此目标，MPEG4 引入AV 对象（Audio/Visaul Objects），使得更多的交互操作成为可能。
可见MPEG4压缩技术原本是一种适用在低带宽下进行信息交换的音视频处理技术，它的特点是可以动态的侦测图像各个区域变化，基于对象的而调整压缩方法可以获得比MPEG1更大的压缩比，压缩码流更低。尽管MPEG4并不是专为视频监控压缩领域而实际，但同样也适合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。
2.2. MPEG4---压缩标准构成
1) DMIF（The Dellivery Multimedia Integration Framework）
DMIF 即多媒体传送整体框架，它主要解决交互网络中、广播环境下以及磁盘应用中多媒体应用的操作问题。通过传输多路合成比特信息来建立客户端和服务器端的交互和传输。 通过DMIF，MPEG4可以建立起具有特殊品质服务（QoS）的信道和面向每个基本流的带宽。
2) 数据平面
MPEG4中的数据平面可以分为两部分：传输关系部分和媒体关系部分。
为了使基本流和AV对象在同一场景中出现，MPEG4引用了对象描述（OD）和流图桌面（SMT） 的概念。OD 传输与特殊AV对象相关的基本流的信息流图。桌面把每一个流与一个CAT（Channel Assosiation Tag）相连，CAT可实现该流的顺利传输。
3) 缓冲区管理和实时识别
MPEG4定义了一个系统解码模式（SDM），该解码模式描述了一种理想的处理比特流句法语义的解码装置，它要求特殊的缓冲区和实时模式。通过有效地管理，可以更好地利用有限的缓冲区空间。
4) 音频编码
MPEG4的优越之处在于--它不仅支持自然声音，而且支持合成声音。MPEG4的音频部分将音频的合成编码和自然声音的编码相结合，并支持音频的对象特征。
5) 视频编码
与音频编码类似，MPEG4也支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D 动画和人面部表情动画等。
6) 场景描述
