MPEG4視頻壓縮在數字安防領域中的應用
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企業：控制網
領域：機器視覺
行業：電子制造
- 點擊數：1539 發布時間：2005-09-07 18:28:43
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1、MPEG4視頻壓縮/嵌入式技術發展的最新動態
1.1.從近期安防展覽會上看
從今年多屆安全防范展覽會會上，尤其是近期舉行的全國最大規模的安防展覽會上可以明顯感覺到國內數字錄像監控產品開發的廠家已經非常多，競爭也非常激烈，從涉及廠家來看大致可分為三類：整機供應商、套件供應商（板卡+軟件）、壓縮板卡供應商，其中整機供應商占了絕大部分；從DVR壓縮技術來看大致也可分為三類： MJPEG、MPEG1、MPEG4，MJPEG技術主要被南韓、臺灣產品所采用，MPEG1技術主要被國內廠家所采用，而MPEG4技術以硬壓縮和軟壓縮兩種不同技術實現的方式，普遍被市場所接受。
嵌入式數字視頻系統是目前數字安防領域發展最快的一個部分，是數字視頻技術發展的最新方向。嵌入式技術的采用，使DVR脫離了傳統的PC結構和WINDOWS操作系統，系統在穩定性、適用性、可維護性上有根本性的改善，是DVR從工程類產品走向消費類產品的必然步驟。目前國內的嵌入式視頻系統主要分為以下幾部分：嵌入式硬盤錄像系統、嵌入式視頻服務器、網絡攝象機。從操作系統上來看主要由Uclinux、VxWorks、PSOS、UcOS等RTOS組成。
多媒體監控系統也是目前視頻監控領域繼續發展的一個方向。90年代出現的多媒體監控技術曾經在視頻監控領域吹進一股新風，隨著DVR系統的出現，多媒體監控技術也在不斷發展。目前由于DVR系統普遍缺乏電視墻顯示和矩陣視頻切換能力，數字矩陣和DVR的完美結合，既可以保證系統強大的矩陣切換能力同時有可以充分利用DVR強大的錄像和網絡傳輸能力，尤其適合大型視頻監控系統的應用。1.2.從市場應用來看目前從DVR的應用對象來看主要分為兩大類，即環境保安監控、銀行柜員制監控，尤其是通過兩年來的市場培養、技術宣傳、實際應用，數字硬盤錄像技術的優越性已經逐步被國內銀行系統所認可，眾多的省份的各大銀行也逐步在柜員制上引入硬盤錄像系統，單從這點來看DVR系統具有廣闊的市場應用前景，將來在電信、電力、公安、海關、司法等部門還將得到更大的應。
從視頻壓縮角度來看，兩種應用場合對DVR的技術要求水準不一樣。保安監控要求路數多、不要求實時錄像，而銀行柜員制要求路數不多，但要求清晰度高，能夠實時錄像。綜合目前的DVR產品來看MJPEG壓縮標準的DVR主要應用于保安領域、MPEG1壓縮標準主要應用于銀行柜員制領域。
1.2.MJPEG、MPEG1技術分析及缺陷
無論采取何種壓縮技術，對最終用戶來言他最為關心的無非幾大要素：清晰度、存儲量、穩定性還有價格。采用不同的壓縮技術，將很大程度影響以上幾大要素。
MJPEG
MJPEG（Motion JPEG）壓縮技術，主要是基于靜態視頻壓縮發展起來的技術，它的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮。目前的基于該技術的視頻卡也主要是完成數字視頻捕獲（Capture）功能，在后臺由CPU或專門的JPEG芯片完成壓縮工作。
MJPEG壓縮技術可以獲取清晰度很高的視頻圖像、而且可以靈活設置每路視頻清晰度、壓縮幀數，但付出的代價是在保證每路都高清晰度的情況下，受處理速度所限，無法完成實時壓縮，有很強的丟幀現象，同時由于沒有考慮到幀間變化，造成大量冗余信息被重復存儲，因此單幀視頻的占用空間較大，目前流行的MJPEG技術最好的也只能做到3K/幀，通常要8~20K！簡單計算可以發現即使是丟幀錄像，也將耗費大量的硬盤空間，尤其在保安監控領域，由于監控攝像機較多（16路通常），同時進行高清晰度錄像，保證一個月的錄像存儲量是十分驚人的，甚至遠遠超過采用MPEG1實時錄像技術產品。相信使用過該技術產品的用戶對此有深刻印象。
MPEG1
MPEG1實時視頻壓縮技術是目前市場DVR產品主流。
MPEG-1壓縮標準制定于1992年，為工業級標準而設計，可適用于不同帶寬的設備，如CD-ROM、Video-CD、CD-i。它可針對SIF標準分辨率(對于NTSC制為352X240；對于PAL制為352X288)的圖像進行壓縮，傳輸速率為1.5Mbits/sec（最低192Kbits/sec），每秒播放30幀，具有CD(指激光唱盤)音質，質量級別基本與VHS相當。MPEG1的編碼速率最高可達4-5Mbits/sec，但隨著速率的提高，其解碼后的圖像質量有所降低。
較MJPEG技術，MPEG1在實時壓縮、每幀數據量、處理速度上有顯著的提高。例如在國內PAL制式下，MPEG1可以滿足多路25幀/秒的壓縮（16路）速度，在500Kbit/sec壓縮碼流（352*288）下，每幀大小僅為2K。簡單計算可以表明，MPEG1產品的錄像容量是目前硬盤容量可以忍受的（8路以下）。目前國內DVR廠商MPEG1產品基本都采用以色列或臺灣公司的壓縮芯片，通過硬件壓縮技術可以有效降低計算機負擔，解決多路視頻同時錄像計算機資源有限的問題。但MPEG1也有較多不利地方，其一是存儲容量還是過大，尤其當DVR主機超過8路時，為了保存一個月的存儲量，通常需要10個80硬盤，或更多，硬盤投資大，而由此引起的硬盤故障和維護更是叫人頭疼；其二是清晰度不夠高，由于MPEG1最大清晰度僅為352*288，考慮到容量、模擬à數字量化損失等其他因素，回放清晰度不高，這也是市場反應的主要問題；其三是不夠靈活，只能25幀/秒，不能夠丟幀錄像，從目前廣泛采用的壓縮芯片來看，也缺乏有效的調控手段，例如關鍵幀設定、取樣區域設定等等，造成在保安監控領域應用不適合，造價也高。其四MPEG1由于數據量大，不適合網絡傳輸，尤其是在常用的低帶寬網絡上無法實現遠程視頻傳輸。其實單單從民用市場上來看就知道，盡管MPEG1曾經是VCD的主要壓縮標準，但目前MPEG2（DVD）、MPEG4等先進的壓縮標準大有取而代之的趨勢。
總體看來MPEG1與MJPEG壓縮技術由于技術成熟，可以DVR開發廠家的壓縮板卡也較多，是目前DVR市場的主流技術，但兩者的致命弱點就是硬盤耗費量大，且不能同時滿足保安與實時錄像場合的需要。尤其在硬盤造價已經接近DVR整機成本價50%情況下，容量與清晰度矛盾更為突出。MPEG4技術的出現，可以有效解決以上諸多問題。
2、MPEG4技術剖析
2.1. MPEG4---壓縮技術的革命
MPEG-4與MPEG1、MPEG2不同。
MPEG4于1998年11月公布，原預計1999年1月投入使用的國際標準MPEG4不僅是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼，更加注重多媒體系統的交互性和靈活性。MPEG專家組的專家們正在為MPEG-4的制定努力工作。MPEG-4標準主要應用于視像電話(Video Phone)，視像電子郵件(Video Email)和電子新聞(Electronic News)等，其傳輸速率要求較低，在4800-64000bits/sec之間，分辨率為176X144。MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術，壓縮和傳輸數據，以求以最少的數據獲得最佳的圖像質量。
與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特點是其更適于交互AV服務以及遠程監控。MPEG-4是第一個使你由被動變為主動(不再只是觀看，允許你加入其中，即有交互性)的動態圖象標準；它的另一個特點是其綜合性；從根源上說，MPEG-4試圖將自然物體與人造物體相溶合(視覺效果意義上的)。MPEG-4的設計目標還有更廣的適應性和可擴展性。MPEG4試圖達到兩個目標：
一、低比特率下的多媒體通信；
二、是多工業的多媒體通信的綜合。 據此目標，MPEG4 引入AV 對象（Audio/Visaul Objects），使得更多的交互操作成為可能。
可見MPEG4壓縮技術原本是一種適用在低帶寬下進行信息交換的音視頻處理技術，它的特點是可以動態的偵測圖像各個區域變化，基于對象的而調整壓縮方法可以獲得比MPEG1更大的壓縮比，壓縮碼流更低。盡管MPEG4并不是專為視頻監控壓縮領域而實際，但同樣也適合CIF（352*288）或者更高清晰度（768*576）情況下的視頻壓縮，無論從清晰度還是從存儲量上都比MPEG1具有更大的優勢。
2.2. MPEG4---壓縮標準構成
1) DMIF（The Dellivery Multimedia Integration Framework）
DMIF 即多媒體傳送整體框架，它主要解決交互網絡中、廣播環境下以及磁盤應用中多媒體應用的操作問題。通過傳輸多路合成比特信息來建立客戶端和服務器端的交互和傳輸。 通過DMIF，MPEG4可以建立起具有特殊品質服務（QoS）的信道和面向每個基本流的帶寬。
2) 數據平面
MPEG4中的數據平面可以分為兩部分：傳輸關系部分和媒體關系部分。
為了使基本流和AV對象在同一場景中出現，MPEG4引用了對象描述（OD）和流圖桌面（SMT） 的概念。OD 傳輸與特殊AV對象相關的基本流的信息流圖。桌面把每一個流與一個CAT（Channel Assosiation Tag）相連，CAT可實現該流的順利傳輸。
3) 緩沖區管理和實時識別
MPEG4定義了一個系統解碼模式（SDM），該解碼模式描述了一種理想的處理比特流句法語義的解碼裝置，它要求特殊的緩沖區和實時模式。通過有效地管理，可以更好地利用有限的緩沖區空間。
4) 音頻編碼
MPEG4的優越之處在于--它不僅支持自然聲音，而且支持合成聲音。MPEG4的音頻部分將音頻的合成編碼和自然聲音的編碼相結合，并支持音頻的對象特征。
5) 視頻編碼
與音頻編碼類似，MPEG4也支持對自然和合成的視覺對象的編碼。合成的視覺對象包括2D、3D 動畫和人面部表情動畫等。
6) 場景描述
MPEG4提供了一系列工具，用于組成場景中的一組對象。一些必要的合成信息就組成了場景描述，這些場景描述以二進制格式BIFS（Binary Format for Scene description）表示，BIFS與AV對象一同傳輸、編碼。場景描述主要用于描述各AV對象在一具體AV場景坐標下，如何組織與同步等問題。同時還有AV對象與AV場景的知識產權保護等問題。MPEG4為我們提供了豐富的AV場景。
2.3.MPEG4---在DVR系統中應用
MPEG4基于場景描述和面向帶寬設計的概念，使起在視頻監控錄像領域中在以下幾個方面具有巨大的優勢：錄像存儲容量、錄像清晰度、錄像幀率可調、網絡傳輸
2.3.1大幅度降低錄像存儲容量
MPEG4在壓縮方法上遠遠優于MPEG1，更是MJPEG不能比擬的。
經過測試表明，對靜止、一般活動場景、劇烈活動場景三種情況下、在相同清晰度對應MPEG1（500Kbits/sec）碼流情況下，存儲容量測試結果見下表：
采用CIF（352*288）格式
MJPEG MPEG1 MPEG4
1幀 1分鐘 1小時 1幀 1分鐘 1小時 1幀 1分鐘 1小時
靜止 6K 9M 540M 2.4K 3.6M 216M 0.68K 1.02M 61.2M
一般活動 7.2K 10.8M 648M 2.4K 3.6M 216M 1.07K 1.6M 96M
劇烈活動 11K 16.5M 990M 2.4K 3.6M 216M 1.68K 2.52M 151.2M
注意：該測試結果隨場景變化有所出入
由此可見在靜止情況下MPEG4比MPEG1節省了2/3的硬盤空間！在一般活動場景下也節省近一般的容量。單從這項指標來看就能節省大量的硬盤投資，或者保留更長的存儲時間。值得說明的是，目前市面MPEG1壓縮芯片通常只支持定碼流壓縮，因此在場景活動加劇情況下存儲容量不便，但是回放畫面可以發現馬賽克顯著增加，同時運動部分圖像清晰度下降。而MPEG4可以根據場景變化自動調整壓縮方式，保留較好的存儲圖像。
2.3.2較高的錄像清晰度
盡管MPEG4從標準指定之處是瞄準在低帶寬上的音視頻解決方案，但是它獨特的壓縮方式同樣也適合CIF或更高清晰度（768*576、640*480）的視頻壓縮，這樣它就有效突破了MPEG1最大清晰度CIF（352*288）限制，獲得更好的視頻壓縮質量。
在銀行柜員制監控中可以得到更好的應用。MPEG1受最高清晰度和存儲容量的限制，很難設定較小的壓縮比獲取較高質量的圖像，在柜員制點鈔過程中，鈔票的圖像還是比較模糊，利用MPEG4應有很大的改善，同時MPEG4基于AV對象壓縮的模式也決定了它對運動物體可以保證較好的錄像清晰度。
尤其隨著計算機CPU和視頻專用DSP芯片處理能力的大幅度增強，目前出現了一種向高端D1（768*576）格式清晰度發展的趨勢，圖象清晰度明顯增高，同時硬盤容量的不斷增大、價格不斷降低，也客觀提供了合適的存儲媒介，可以滿足目前金融系統1個月的錄像存儲要求。
2.3.3錄像幀率可調
相信很多用戶對于MJPEG幀率可調的使用方式非常熟悉，也有很多客戶會提出能否降低MPEG1幀率獲取更長錄像時間的要求。MPEG4可以非常容易的實現這個功能。與MJPEG方式有什么不同呢?想想看吧，使用了高壓縮比的MPEG4算法，又結合丟幀功能，硬盤的使用空間將降低到什么程度！MPEG4的優越性可以更加好的體現出來。現在你可以將MPEG1與MJPEG優點都集合起來啦，在同一臺DVR上，可以對柜員制攝像機設置為25幀/秒的錄像幀率，對ATM、保安監控攝像機設置為1~25幀/秒的錄像幀率啦！
尤其目前金融等專業客戶已經意識到以前的要求每秒25幀的錄像能力，在實際應用中意義是不大的，從國外的DVR應用狀況來看，不是非常特別的場合，通常每秒10幀左右的錄像能力就已經能夠滿足實際應用的要求！因此采用D1高清晰度錄像格式，同時對錄像的場景進行合理的分析，采用幀率可調的方式，可以有效的滿足實際的需要，同時降低系統的負荷和減少對硬盤容量過于苛刻的要求。
2.3.4網絡傳輸
MPEG4優越的視頻壓縮方式，也決定了其在低帶寬網上具有優秀的表現。在中國實際應用場合，網絡應用環境還遠不能國外相比，尤其在銀行系統，不可能花昂貴的租金去申請一條1M的DDN線路用于每個網點的遠程監控，可以被廣泛利用的只有ISDN（綜合業務數字網<128K）和PSTN（公共普通電話線網<64K）。如何在如此低的帶寬上傳輸視頻，正是MPEG4大顯身手的地方。目前在低帶寬上傳輸活動視頻的另一個解決方案就是采用H.263通訊標準，盡管H.263也具有較高的壓縮比，但是圖像質量差于MPEG4。
我們根據MPEG1、MPEG4、H.263幾種標準，在普通電話線路上、寬帶網上傳輸視頻測試結果如下：
采用CIF（352*288）格式
網絡類型 MPEG1 H.263 MPEG4
PSTN普通電話線 無法傳輸 5~9幀/秒圖像質量較差 5~15幀/秒圖像質量好
LAN局域網 25幀/秒需500Kbits帶寬 25幀/秒需256Kbits帶寬 25幀/秒需256Kbits帶寬
3、嵌入式DVR技術剖析
嵌入式DVR（embed-DVR）和傳統的DVR（PC-based DVR）體系完全不相同。
典型的嵌入式DVR體系結構：
ARM（CPU）+DSP視頻處理芯片+RTOS嵌入式操作系統
典型的PC-based DVR體系結構
CPU（X86）+PCI視頻壓縮板卡+WINDOWS操作系統
客觀的說嵌入式DVR和PC-DVR在視頻壓縮、存儲、網絡傳輸、檢索、報警控制等DVR典型功能上并無根本性的差別，主要是采用了嵌入式的方案設計可以在成本、穩定性、可操作性、可維護性上有根本的突破，同時嵌入式操作系統的軟件往往免費或非常便宜，同WINDOWS操作系統相比有著無可比擬的優勢。
所謂嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件（要求實時和多任務操作）和應用程序編程。有時設計人員會把這兩種軟件組合在一起。嵌入式操作系統可以廣泛應用于PDA、掌上電腦、手機、信息家電（網絡冰箱、機頂盒）等嵌入式設備。嵌入式操作軟件及其應用軟件的共同特點是：
1. 軟件要求固化存儲在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中；
2. 軟件代碼的高質量、高可靠性；
3. 系統軟件的高實時性和多任務操作要求。
典型嵌入式DVR操作系統介紹
Windows CE
Microsoft Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統。它的模塊化設計允許它對于從掌上電腦到專用的工業控制器的用戶電子設備進行定制。操作系統的基本內核需要至少200K的ROM。
Windows CE 主要用于PDA，界面優美，功能強大，程序移植性好，但在國內嵌入式DVR領域沒有介入。
VxWorks
VxWorks是目前嵌入式系統領域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統。它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、POWER PC等等。大多數的VxWorks API是專有的。采用GNU的編譯和調試器。
Vxworks被廣泛應用與要求最高的軍用場合，功能強大、開發便利，但由于版權和價格問題，在國內嵌入式DVR領域使用較少。
pSOS
ISI公司已經被WinRiver公司兼并，現在pSOS屬于WindRiver公司的產品。這個系統是一個模塊化、高性能的實時操作系統，專為嵌入式微處理器設計，提供一個完全多任務環境，在定制的或是商業化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以讓開發者根據操作系統的功能和內存需求定制成每一個應用所需的系統。開發者可以利用它來實現從簡單的單個獨立設備到復雜的、網絡化的多處理器系統。
目前國內部分嵌入式DVR開發廠商采用了基于Philips Tremedia1301(DSP+CPU)+pSOS操作系統的結構。
Palm OS
3Com公司的Palm OS在PDA市場上占有很大的市場份額，它有開放的操作系統應用程序接口（API），開發商可以根據需要自行開發所需要的應用程序。
Linux
經過幾年的發展，Linux技術和產品日趨成熟，有越來越多的公司了解Linux的優點，而選用Linux作為主要的平臺，安全監視(Surveilliance)應用亦不例外。Linux以其獨特的特性，已經深入數位影像監控市場多時；其可針對不同硬體設備(PC或單晶片)與數位影像監控應用需求而量身訂制，不僅可免去制式系統的復雜度，并可有效減少對硬體資源的需求；為了有效降低數位影像監控、安全管理系統的整體運作成本，Linux作業系統應是最適當的選擇。以下簡述Linux所具備的特性∶
1. Linux提供多人使用(Multiuser)、多工(Multitask)的完整作業環境，只要很少的硬體支援，便能在多種不同電腦設備(或是單晶片)上運作。
2. Linux具備高解析度與優秀的圖形介面(GUI)，大幅提升數位監控系統應用的親和力。
3. Linux完全免費，可任意在網路上下載、復制、使用，同時它的程式碼也完全公開，可以任意開發、更改。這樣的特點使得全世界已超過千萬人使用Linux，更由於許多廠商投入開發核心程式、發展相關軟體以及硬體周邊驅動程式，使Linux功能和完整性日益壯大。
4. Linux本身開放性的架構與彈性(Scalable)設計，可針對數位影像監控應用量身訂作，去除與監控無關的多馀功能，在提升系統效能的同時，也減少了出問題的機率。
5. Linux從頭到尾即針對網路作業設計，可支援TCP/IP、WWW等多項國際標準，能迎合新一代DVR產品網際網路/通信網路連結的所有需求。
由於數位影像監控系統是很專門的領域，其中又牽涉到大量I/O作業的影像擷取/儲存以及CPU運算的影像壓縮/解壓縮，因此，為能滿足每天24小時、每周7天的線上服務需求，以及有效減少整體作業營運的成本，除功能面的考量外，作業平臺的選擇亦十分重要。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號
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