《视频压缩技术介绍》
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。
随着有线电视网络的发展、视频压缩技术还在节目采集、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)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DVR产品使用的视频压缩算法主要有：
MOTION-JPEG；小波Engine-k；MPEG 即（MPEG-1；MPEG-2；MPEG-4）；H.26X 即（H.261;;H.263;以及H.264）；
下面我们将几种压缩算法简单的介绍一下，供大家学习参考：
一、JPEG/MOTION-JPEG（动态JPEG）
极少数DVR厂商采用JPEG压缩技术，大多采用MJPEG（Motion-
JPEG） 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，也就是我们常说的软压缩。
JPEG/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比较大的。
二、小波变换（WAVELET）
压缩比50-70，分辨率可达到720*576，对静态画面处理较好。和MOTION-JPEG类似，所占用的带宽和硬盘空间仍然较大，网络传输要求仍然较高。
三、MPEG
MPEG
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标准分成三个阶段：第一阶段（MPEG—1）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；第二个阶段目标则是对每秒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。第三阶段，直到为了继续解决传输码流和压缩质量发展到现在应用较多的 （MPEG-4）。因为，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，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MPEG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。
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接受的
（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。
MPEG-2：
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）
但是它有个致命的缺陷，就是压缩率较低（40：1），这样就需要很大的硬盘容量来满足长时间的录像存储。硬盘存储容量一直都是硬盘录像主机的瓶颈所在，要
想使录像文件保存的时间更长，就只有增加硬盘容量，但这无疑增加了成本，硬盘数量增加也会造成系统的不稳定，另外，硬盘的散热也是不容忽视的问题。
MPEG-2对于压缩PAL制25帧/秒的画面，需要3-10Mbits/s传输率，占用如此高的带宽只能做到在局域网内传输。
MPEG-2由于要更多的消耗硬盘资源或者网络带宽虽然清晰度可以达到DVD画质一
般主流厂家未见采用。目前有一种方案将四路视频信号首先采用原有图象四分割的模拟方式复合为一路视频信号经MPEG-2的压缩来实现视频的A/D的转换，
其实是一种比较落后的技术，而且实测也未见图象质量改善，反而在四幅画整合为一幅画面后增加了图象管理和处理的难度，一些原本很轻易能实现的功能如图象放
大，检索单幅图象的调用等等变得很难操作。
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-4
以上几种压缩方式看来，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需要。尤其在硬盘造价已经接近DVR整机成本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。
MPEG4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MPEEG——4的制定努力工作。MPEG
——4标准主要应用于视像电话（Videophone）,视像电子邮件（VideoEmail）和电子新闻（ElectronicNews）等，其传输速
率要求较低，在4800—64000bits/sec之间，分辨率为176*144。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更适于交互AV服务以及远程监控。MPEG—4是第一个使使用者由被动变为主动（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：A、低比特率下的多媒体通信；B、是多工业的多媒体通信的综合。据此目标，MPEG4引入AV对象（Audio/visual
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住处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，基于对象的变化而高速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设计，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。
MPEG4在DVR系统中应用
MPEG4在压缩方法上远远优于MPEG1，更是MJPEG不能比拟的。MPEG4基于场景描述和面向带设计的要领使MPEG—4在视频监控录像领域中在录像存储容量、录像清晰度、录像帧率可调、网络传输几个方面具有巨大的优势。
四、H.26X
H.261
H.261图像编解码标准是CCITT(现ITU-T)国际联合电信于1990年制定的针对活动图像的P×64Kbps的编码协议。它同MPEG1的区别在于H.261是传送屏幕区域的更新信息,大幅度地降低了数据流的瞬时变化,在带宽有障碍的信道上传输是一种理想的方案。H.261可使数据速率压缩至P×64Kbps(P=1～20),一般在32～384Kbps时图像可达CIF、QCIF15帧每秒(F/S),总体上图像质量略逊于MPEG1,
适合在ISDN、DDN、PSTN网上传输运动的图像。
H.263
H.263是CCITT(现ITU-T)于1995年提出的更低比特率的视频编码方案,可将图像最低编码到20Kbps,通
过电话线上以22.8Kbps的V.34Modem传输,图像质量达到176×144或128×96分辨率下5～15F/S的水平。H.263非常适合在
固定带宽的信道中传输视频信号。MPEG1、H.261、H.263三种编码方式都是针对低成本的编码方案。MPEG1编码方式实现在
400Kbps～2Mbps速率上传输CIF格式、每秒5～30帧的活动图像,在三种编码方式中图像质量最高;H.261编码方式采用了区域更新的方法,
进一步降低了码流速率,实现在128～768Kbps的速率上传输CIF或QCIF格式、每秒5～25帧的活动图像,图像质量略逊于
MPEG1;H.263编码方式是三种方式中数据流速率最低的一种,它在H.261的基础上增加了四种编码选项,将码流速率降到128Kbps以下,在
9.6～128Kbps的速率上传输CIF或QCIF格式、每秒1～15帧的活动图像,特别适合在电话线上传输质量要求不高的活动图像。
H.264
在MPEG风头正劲的时候，H.264/AVC
是ITU-T与ISO/IEC两大国际标准组织联手，启动了一项旨在进一步提高视频编码性能的下一代视频编码标准的工程,并成立了由双方专家组成的工作
组,即JVT(JointVideoTeam)。希望通过JVT的工作在视频编码效率方面带来实质性的提高,新的标准预期用在所有传输带宽或者存储容量受
限的领域。 在ITU-T增强型多媒体通信标准H.26L基础上在2003年5月份推出了H.264压缩标准推出的能够为ITU-T与ISO/IEC共同使用的单一的下一代视频编码标准,并且在技术上同MPEG标准形成体系。
在实际使用中我们发现它比MPEG-4压缩率更高，更加适合在有限带宽的环境下传输视频数据，而画面质量与MPEG-4基本相同
其标准可分为三档：
基本档次（其简单版本，应用面广）；
主要档次（采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等）；
扩展档次（可用于各种网络的视频流传输）。
H.264不仅比H.263和MPEG-4节约了50％的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输。
H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264以低码流传输，高清晰画质，能适应于不同网络中的视频传输，网络亲和性好。如电话线传输等等，因此，在DVR远程视频视频监控领域得到了广泛应用。
D-one( D1 )与H.264的区别：
继H.264技术发展进步，目前，DVR行业市场中，出现了D1这个词，而D1似乎让人们确定为比H.264更高的技术，因此，我们就此区别大概介绍一下：
D-one 是一种压缩视频显示分辨率，即704x576，类似的还有CIF，352x288。
H.264是一种压缩算法，即MPEG-4/part10。
我们可以称谓为D1格式的H.264压缩算法，或CIF格式的H.264压缩算法。D1的格式是可以很形象的看得到，它是一个image的大小，它主要体现在图像显示分辨率上，而H.264只是压缩程序的算法，只能体现在压缩比例和压缩文件占存储空间的多少以及传输码流的大小。
现在DVR市面上也出现了Half-D1，只是指准D1，因此压缩分辨率也只能达到704*576的一半，即704*288分辨率，但这种分辨率已经能够较好的满足我们监控的画面要求。
一、视频压缩录像存储量对比
经过测试表明，对静止、一般活动场景、剧烈活动场景三种情况下、在相同清晰度对应MPEG1（500K bits/sec）码流情况下，存储容量测试结果见下表：
| |
MJPEG |
MJPEG |
MJPEG |
MPEG1 |
MPEG1 |
MPEG1 |
MPEG4 |
MPEG4 |
MPEG4 |
| |
1帧 |
1分钟 |
1小时 |
1帧 |
1分钟 |
1小时 |
1帧 |
1分钟 |
1小时 |
| 静止画面 |
6K |
9M |
540M |
2.4K |
3.6M |
216M |
0.68K |
1.02M |
61.2M |
| 一般活动 |
7.2K |
10.8M |
648M |
2.4K |
3.6M |
216M |
1.07K |
1.6M |
96M |
| 剧烈活动 |
11K |
16.5M |
990M |
2.4K |
3.6M |
216M |
1.68K |
2.52M |
151.2M |
注意：该测试结果随场景变化有所出入
二、视频显示及图像传输要求对比
| |
原始图像（320×240） |
H.261 |
MPEG1 |
MPEG2 |
MPEG4 |
M-JPEG |
WAVELET |
| 压缩比例 |
1 |
80 |
20 |
5 |
100 |
20 |
15 |
| 文件大小/帧/秒 |
230K |
2.8K |
11K |
44K |
2.2K |
11K |
14.7K |
| 带宽 K bit/秒 |
1,767 |
22 |
83.3 |
353 |
16.7 |
83.3 |
118 |
| 图像质量 |
极好 |
差 |
可以 |
极好 |
好 |
可以 |
好 |
| 应用 |
|
视像会议 |
本地网 |
本地 |
远程传输 |
本地网 |
本地网 |
| 备注 |
|
不适合于数码录像系统 |
|
要求储存量大 |
当前的行业趋势 |
|
|
三、MPE1、MPEG4、H.263几种标准，在普通电话线路上、宽带网上传输视频测试结果对比
| 网络类型 |
H.263 |
MPEG1 |
MPEG4 |
| PSTN |
5-9帧/秒，图像质量较差 |
无法传输 |
5-15帧/秒，图像质量好 |
| LAN |
25帧/秒，需256Kbits带宽 |
25帧/秒，需500Kbits带宽 |
25帧/秒，需256Kbits带宽 |
因此选择一宽即经济符合自己要求的DVR产品，要根据监控环境的需要而定，具体可参考以下步骤：
- 显示/录像总资源：- 选择单路：实时25帧/s； 准实时12.5帧/s左右； 非实时6帧/s；根据摄像机数量总和计算总资源
- 存储时间周期：确定硬盘容量的大小
- 画面画质：确定监视及回放画面分辨率的要求
- 网络带宽：确定网络监控的传输环境
- 系统扩展及操作方式
- 稳定性及保密性
- ......
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