MPEG视频压缩标准介绍

视频压缩基本概念

    在过去的几年里，关于视颇压缩的争论己成为-个极其热门的话题，但有趣的是，视频信号的压缩并不是一个新问题。许多人并没有意识到，伴随着1950年彩色电视的引入，视频压缩第一次商品化了。三幅分别显示红，蓝，绿的最高分辨率的图象，共占用15MHZ的总带宽；但被压缩成一路仅占5MHZ的复合信号--3：1的带宽压缩率被引入了。这种方式虽然简单，但毕竟是压缩了。 当然，这种早期的压缩方式是通过模拟技术实现的。今天，更稳定连续的图象质量，更高的压缩率可以通过把模拟信号转换为数字信号，利用一些高度复杂的技术来完成的。这些技术最终带来了更高的压缩效率和更精细的压缩图象处理方法。这些数字技术需要极为强大的计算能力，直到最近在经济上仍然是不可行的。然而，今天，情况有了变化。

    一般地讲，数字视频压缩是从分量视频表达开始的，此时信号是以一个亮度分量，两个色度分量来表达的。最广为接受的数字分量视频格式就是Rccommendation601，该建议使用了"共结点"模型的4：2：2采样结构。所谓"共结点"，是指每个彩色象素点由3个采样来描述：一个亮度采样，两个色差形成的色度采样。因为这三个采样在时间上是重合的，所以 称作"共结点"。在525行的系统中，每帧有483个有效行，每行有720个象素点；在625行的系统中，每帧有576个有效行。

    压缩基本上是这样一个过程：通过消除存在于视频信号里的冗余成分，来减少图象或图象组的内容信息。这可以通过分析视频信号的统计预知性来实现。信号的主要部分是有一定的可预知性的。一个极端的例子是正弦波信号，它有高度的可预知性，因为每个周期都是相同的，且只有一个频率，这样就不需占用带宽。另一个极端的例子是，噪声信号完全不可预测。当然，实际上所有的信号都界于这两者之间。压缩技术总的来说就是要识别并去除这些冗余， 从而减少存储量和所需带宽。

　　三种MPEG标准的比较
　　MPEG-1制定于1992年，它是将视频数据压缩成1~2Mb/s的标准数据流，它对动作不激烈的视频信号可获得较好的图像质量，但当动作激烈时，图像就会产生马赛克现象。它没有定义用于额外数据流进行编对码的格式，因此这种技术不能广泛推广。它主要用于家用VCD，它需要的存储空间比较大，下面的例子可说明这点。

    对于清晰度为352×288的彩色画面，采用25帧/秒，压缩比为50：1时，实时录像一个小时，经计算可知需存储空间为600MB左右，若是8路图像以每天录像10小时，每月30天算，则要求硬盘存储容量为1440GB，则显然是不能被接受的。

    MPEG-2制定于1994年，它是为了力争获得更高的分辨率（720×486），提供广播级视频和CD级的音频，它是高质量视频音频编码标准。传输速率在3~10Mbit/s之间。作为MPEG-1的兼容性扩展，MPEG-2支持隔行扫描视频格式和其它先进功能，可广泛应用在各种速率和各种分辨率的场合。但是MPEG-2标准数据量依然很大，不便存放和传输。

    与前两者不同，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，以求得最少的数据获得最佳的图象质量。

    　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：

　　低比特率下的多媒体通信；
　　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。
    MPEG-4的视频质量分辨率比较高，而数据速率相对较低。主要原因在于，MPEG-4采用ACE（高级译码效率）技术，它是一套首次使用于MPEG-4的编码运算规则。与ACE有关的目标定向可以启用很低的数据率。它与MPEG-2相比，可节省90%的储存空间。MPEG-4还可以在声频与视频流中广泛的升级。当视频在5kb/s与10Mb/s之间变化时，声频信号可以在2kb/s与24kb/s之间进行处理。特别要强调的是MPEG-4标准是面向对象的压缩方式，不是像MPEG-1和MPEG-2简单地将图像分为一些像块，而是根据图像内容，将其中的对象（物体、人物、背景）分离出来分别进行帧内、帧间编码压缩，并允许在不同的对象之间灵活分配码率，对重要的对象分配较多的字节，对次要的对象分配较少的字节，从而大大提高了压缩比，使其在较低的码率下获得较好的效果。MPEG-4的面向对象的压缩方式也使图像探测功能和准确性更充分体现，该图像探测功能使硬盘录像机系统具有较好的视频移动报警功能。总之MPEG-4是一种崭新的低码率、高压缩比的视频编码标准，传输速率为4.8~64kbit/s，使用时占用的存储空间比较小，例如：对于清晰度352×288的彩色画面，其每帧占用空间为1.3KB时，选25帧/秒，则每小时需120KB、每天10小时、每月30天，则每路每月需36GB。若是8路则需288GB，这显然是能接受的。
　　图像的质量与压缩比的关系

    在大数的模拟CCTV系统中，画面质量是取决于分辨率或（TV线），而数字CCTV系统的图像分辨率则还需要参考下列因素。了解影响质量的可变因素及懂得如何从说明书中查找它们，将对你的产品挑选会有相当的帮助。

　　一．原始画面图像质量或图像大小：一旦对画面进行数字化、压缩、传输或储存，整个画面将会受到画面质量的影响。高分辨率摄像机的视频信号能在DVR中转换为画质较好的数字图像。数字化后的模拟视频图像是由像素构成的，数字化图像的画面质量取决于该图像的总像素。原始画面的大小是通过纵横像素的数目来表示的，例如，分辨率为352x240，则总像素是84,480。图像的像素越高，就有越多的信息供压缩，建议在安全系统中不使用低于352x240像素的图像。 注意：有些厂家会给出计算机监视器的显示分辨率而捕捉到图像的分辨率。但它们是完全不同的两码事，我们关心的是捕捉到图像的分辨率，而不是PC机的显示分辨率。
　　二．压缩比-当图像被捕捉到并进行数字话化后，就需要对视频进行压缩。现行几种不同的压缩方法，其目的都是要减少原始数字化视频像的大小。由于受到当前带宽和存贮媒体容量的限制，目前尚不能做到传输或存贮未经压缩的数字图像。压缩进程从去除视频图像的冗余部分开始，然后去除其它冗余成分，直至达到预定的压缩比。压缩比越大，图像就被压缩得越厉害，画面质量也就越逊色。