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监控视频压缩技术解析

2008-08-11   www.AV110.net / 点击: 标签:视频监控
  

    数字视频信号比模拟信号有更多的优势。数字信号可以用电脑或信号处理器进行加工,还可以通过数字网络进行传输。经由现有的(电话)有线或无线可以促进向数字视频信号转变这一趋势。因为数字视频信号有高达216Mbit/s的数据传递速度(根据CCIR601编码标准),合适的数据压缩方法必须能被加工和传输。想象一下,如果不压缩的话,一个可以存储量约为8GB的DVD只能存储不到五分钟的电影。
    通过在国际化水平上的不同应用,压缩算法已经得到了很大的发展,并经过了不同机构的测试与标准化。这些方法是可供选择的,在很大程度上是由于各种压缩算法按照不同的目的发展,而且能适应于某些特殊应用领域。整体来看,可选择的视频压缩方法的标准也覆盖了各个应用领域。由于技术限制的问题,一些压缩算法也允许有一定程度的不同。
    目前最广泛的视频压缩方法采用的是相邻像素的相似程度统计。通过使用DCT(离散余弦变换),图像被转换到一个频率间隔区。在视频编码上,也有可能采用时间关联性很强的连贯图像——物体显示通常呈静态或者以一种或多或少持续的方式移动。如果图像之间的差异能通过运动被计算出来,那就只需要一帧一帧的传递图像间的变化了。

    存储空间vs.传输宽带

    选择视频压缩的几个基本理由:
    1. 为了减少视频存储空间,从而使视频图像能在不同的介质上存储,包括硬盘驱动、固体存储器以及其他。存储的量度标准一般是字节(B),千字节(kB),兆字节(MB),十亿字节(GB),千兆字节(TB)。
    2. 为了减少通过数字传递视频图像所需要的宽带,包括本地或广域网、英特网、SCSI线路和USB线路。宽带的量度单位是比特每秒(bps),千比特每秒(kbps),兆比特每秒(Mbps),千兆比特每秒(Gbps)。
    在第一代数字系统中,DVR取代了VCR,因此,人们也对反映存储需求的单位比较熟悉,比如KB和MB。但是,在第二代系统中,通过网络的传输变得越来越重要,因而kbps和Mbps也显得关键了。
    思考数据流速时需要做一些小小的思维转换,但很多人不愿去想数学上的差异。为了了解视频压缩,你需要掌握一些基础知识。

    比特与字节:就CCTV而言,一个字节就是8比特。因此,1MB压缩型闪卡能存储1MB(1兆字节)或8Mb(8兆比特)的数据。它们完全一样。类似于一个800Mb的以太网线路,能承担100Mbps(100兆比特每秒)或12.75Mbps(12.75兆字节每秒)的数据量。
    这个例子马上就证明了,不管你倾向于选择哪种,结果都是一样的。在谈论网络时,“比率”是经常用到的词,而涉及到存储能力时,则经常提到“字节”。理解二者的差异是很关键的。
    如果一个摄像机一秒钟记录十张图像,每个图像15KB,那么,在经过一个100兆比特每秒的以太网线路时,有多少摄像机能够共享?而另一个终端上,记录满一个200GB的硬盘驱动需要多长时间?考虑一下下面所说的公式吧。

    空间vs.时间压缩

    压缩技术围绕着两个基本概念:空间压缩和时间压缩。
空间压缩用在单个图像上,这个图像是完全独立的,与其他图像没有任何联系,并且剔除掉对描述图像没有用处的数据。
    时间压缩则注重存储连续图像中的变化而不是单独的完整画面。如果连续图像中出现微小的变化,那么这一变化也需要占据一定的存储空间。一些算法,如MPEG,是二者的结合——压缩单个图像同时也记录图像的变化。
    压缩技术还可以分为遗失部分原始图像技术与无遗失技术。
看起来,毫无疑问应该选择无遗失算法。但是,考虑到它们将占据更多的存储空间这一点也是很重要的。遗失算法也是智能的,你可以调整遗失的数量,这就意味着一些信息将被丢失,但仍能被控制在不被眼睛所察觉的范围内。

    结论

    对安防和监控来说,图像压缩主要应用在存储和宽带传输上。在这项技术的发展过程中,为了能通过LAN和相对高速的WAN传输,人们需要更高帧率和更清晰的视频。
    JPEG和M-JPEG适用于低帧率,而微波则适合高宽带但高压缩的环境,这种环境中视频图像需要显得更为流畅,但事实上,很多细节遗失了。MPEG-2的价格最优,但在目前所能利用的网络中,MPEG-4压缩算法的质量仍然是最好的。
     JPEG依然很流行,因为它相当的符合标准,而且能与不同的生产厂家互通。MPEG-4是一种标准的设置工具,这意味着不同的厂家可以而且已经实现了差异化。同时这也意味着,你首先要做的该是仔细选择你的MPEG-4资源(IP摄像机,视频解码器/服务器)和MPEG-4目标文件(网络浏览器,视频管理软件或硬件解码器),以便于它们的兼容。
    到本十年末,这将成为不可避免的趋势——标准的CCTV系统将是纯IP形式的。网络摄像机将在LAN和WAN线路上,以高帧率(7.5-30IPS)和高清晰(2或4CIF)将视频图像传递到视频管理器系统或存储系统。考虑到LAN和WAN,以及局部和中心存储系统的不同存储能力,视频的双重流动就很关键了,它们为了不同的目的一个在高带宽上流动,一个在低带宽上流动。

    每秒所传输的数据量为
    10个图像*15kB(每个图像)=150KB每秒
    150 kBps*8bps=1200 kbps
    1200 kbps/1024=1.17Mbps
    一个100Mbps的线路可以传输100Mbps/1.17Mbps=85
    因此,一个100Mbps的线路能连接85个摄像机

    方法一:(以比特率为导向)
    一个200GB硬盘驱动相当于200GB*1024=204,800MB
    204,800MB*8bps=1,638,400Mb
    当以1.17兆比特每秒的速度传输时,驱动器就被填满,因此
    1,638,400Mb/1.17Mbps=1,400,340秒
    1,400,340/60/60/24=16.2天
    因此,200GB的驱动器只能记录16天

    方法二:(以比特为导向)
    一个200GB的硬盘驱动相当于200GB×1024=204,800MB
    204,800×1024=209,715,200kB
    当以150比特每秒的速度传输时,驱动器就被填满,因此
    209,715,200KB/150kBps=1,398,101秒
    1,398,101/60/60/24=16.2天,
    因此,200GB的驱动器只能记录16天

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