压缩技术用于数字监控系统的探讨
敏通企业股分有限公司 陈惠德
摘要：介绍了在CCTV领域中图像存储压缩技术的几种格式。针对模拟图像存储与数字图像存储的差别讨论了常用的数字影像压缩技术。对常用的图像存储技术的几种模式，即对MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7、MPEG21和JPEG系列的JPEG、Motion-FPEG以及H320系列的H261、H263和新兴的Wavelet、JPEG2000、ML-FPEG、Hybrid MPEG/Wavelet、D-VHS、DV等进行了比较。根据目前的发展趋势，Wavelet可以说是数字监控系统中最被广泛应用的技术。ISO根据Wavelet的功能，推出了JPEG2000压缩的新规格。结论是，JPEG2000将成为Web、数字相机、打印机、传真机、无线传输以及CCTV的主要数字影像存储压缩格式。
1.数字存储与模拟存储
在CCTV的世界里，数字监控（Digital Monitoring）系统正逐渐取代传统的模拟监控（Analog Monitoring）系统。与模拟数据存储相比，由于数字信息存储不受周围环境的干扰，所以在理论上数字影像将会具有比较高的图像质量，也更容易做长久保存。影像信息在影像的放大缩小、画面锐利化、画面平滑、明暗度处理、对比度处理、移动侦测（Motion detection）、加密解密、信息搜索等方面的处理和应用也更加便利。
2.利用网络达到远程监控的效果
数字监控系统最大的好处是可以将数字影像信息透过网络，如局域网络（Local Area Network）、广域网络（Wide Area Network）、企业内网络（IntraNet）、网际网络（Internet）等，传到世界上任何一个有与网络相连的地方，供人们远程监控。远程监控的功能将完全改变传统安防产业的作业形态，很可能会创新全新的网络安防（Internet Security）业务。
3.压缩技术的应用
虽然高速网络系统统正逐渐的在全球各地普及，但监控系统所获取的数字影像信息量极为庞大，如果直接传送到网络系统上的话，则将对网络系统产生极大的传输负担，且负担的程度随着数字监控系统所支持的监控摄影机数目的增多而大幅度提升。同样，如果把数字监控系统所获取的数字影像全部储存在硬盘上，则储存容量再大的硬盘也会被充满。所以如何利用压缩技术来降低数字监控影像的信息量就成为数字监控系统发展的重要课题。
目前常用的数字影像压缩技术有：MPEG系列的MPEG1、MPEG2、MPEG7、MPEG21；JPEG系列的JPEG、Motion-JPEG；H320系列的H261、H263；新兴的Wavelet、JPEG2000、ML-JPEG、Hybrid MPEG/Wavelet、D-HVS、DV等。
4.MPEG1
MPEG1是用来压缩实时动态影像的。主要原理是找出前后画面的差异，并且只传输和储存有差异的部分，这样就可以大幅度地精简动态数字影像的信息量。在MPEG1中，由于每一幅画面的产生都必须依赖前一幅画面，所以每一幅画面很难单独存在，这一特性使得很多数字监控系统的移动侦测在MPEG1的环境中变得很不容易开发。MPEG1要求信息的处理速度为1.5～3.5Mbit/s，每一幅画面的分辨率为352×288pixel，每秒30个画面（按NTSC制式），这样的画面品质将与S-VHS、VCD（Video CD）相当。目前已有相当多的监控系统正应用MPEG1技术来压缩监控影像，这是因为具有MPEG1功能的芯片在市场上相当的多，而且价格低廉。
假设MPEG1每秒产生1.5Mbit的数字影像信息，那么一个监控摄影机每一小时所产生的监控影像信息就会超过600Mbit。目前一般硬盘的储存容量为20Gbit，那么20h的存储时间硬盘就被充满了。所支持的监控摄影机越多，硬盘的储存空间消耗的就越快。比较好的解决方案就是应用Disk Array，同时串连多个硬盘，只有这样才能提供足够的数字储存空间，但这样的数字监控系统的价格就有可能远高于传统的模拟式监控系统。更麻烦的是MPEG1的数字影像信息的解读问题，由于在解读时必须要参考前面的画面，如果要在网络上传输一个监控摄影机的MPEG1数字影像信息的话，就必须将所有画面信息依次在网络上传送，也就是说每秒要在网络上传输大约1.5Mbit的信息，支持监控摄影机越多，传输的信息量越大，所以就算是高速网络系统，应用MPEG1的数字监控系统到底能支持多少个监控摄影机恐怕也是一个问题。
数字监控系统可以让用户自行降低监控影像的品质，也就是说不必达到VCD的影像品质，这样可以降低获取数字监控影像的信息量，同时也可以大幅度地降低硬盘及网络系统的负担。如果数字监控影像品质下降的太厉害的话，常常会使所获取的影像充满一大堆的马赛克，不仅看不清楚，而且也不能做事后追踪，这样就失去了监控的意义。所以目前支持MPEG1功能的数字监控系统主要都是在同阶应用领域，监控所获取的影像必须是实时的，也就是说每秒所显示的监控影像至少要在15个画面以上。即使这样，数字监控系统所支持的监控摄影机也不能太多，如果超过16个，则系统的成本是相当高的，没有实际应用价值。
5.MPEG2
MPEG2是MPEG1的改变产品之一，要求的影像品质更高，也就是说必须要达到DVD、HDTV等的画面质量。MPEG2的分辨率为720×480pixel，影像信息的处理速度为3.5～20Mbit/s。现有的MPEG2规格有两个版本：MPEG2 MP@ML（Main Profile@Main Leve）和MPEG2 422P@ML（Profile@Main Leve）。MPEG2 MP@ML主要应用在DVB（Digital Video Broadcasting）和DVD等领域。MPEG2 422P@ML是经过特别设计后制作的，主要特性是“1-frame only”，这就使得前后画面之间的依赖程度大幅度地降低了。所以无论是在移动侦测还是在网络运输方面都会比较容易开发。
从MEPG2所要求的画质来看，所需要的储存空间及传输频宽都远高于MPEG1，而且目前提供MPEG2芯片的厂商也很少，芯片价格也相当昂贵。所以目前把MPEG2技术应用在数字监控系统上的厂商仍然相当少。
在现有的微软操作系统上已提供了MPEG1 player，但是没有MPEG2 player。所以Power DVD（MPEG2 Player）的台湾迅连科技（Cyerlink）能够依靠此项技术赢得市场。
6.其它压缩技术格式
MPEG4不仅将动态影像作为连续性的信息来处理，而且也将动态影像作为对象（Object）来处理，这样动态影像的编辑将会更方便。MPEG4主要应用在数字电视、交互式图形应用程序（Interactive Graphic Application）、交互式多媒体（Interactive Multimedia）等领域。
MPEG7是通过多媒体信息来描述接口的（Multimedia Content Description Interface）。H320主要在电视通讯会议中应用，是用来支持电视通讯会议的（Video Conference），尤其是在ISDN的环境下，传输频宽要求为112kbit～1.5Mbit。其中H261和H263是用来规范压缩影像的，H263要求的影像品质比H261还要高。由于电视通讯是实时传输的，所以当频宽不足时，常常会降低传输影像的品质，而监控的主要目的是做事后的追踪，监控影像能否实时传输常常是次要的，所以现有的数字监控系统很少应用H261或H263。基中所使用的影像格式CIF（Common Interchange Format）和QCIF（Quarter CIF）以及SQCIF（Sub QCIF）在数字监控系统中常常被使用，它们的分辨率分别为352×288pixel、176×144pixel和128×96pixel。
7.Wavelet
JPEG是用来压缩静态影像的。由于JPEG是对一个一个的画面进行单独储存，所以在数字监控系统中常常被应用。能连显现一序列JPEG影像的Motion JPEG也适合用于数字监控系统。JPEG首先将整个影像切成很多个8×8的方格，然后使用DCT（Discrete Cosine Transform）来加以转换。为了增大信息量，人眼不能分辨的色相（Chrominance）常常被省略掉。
Wavelet可以说是目前在数字监控系统中最被广泛应用的压缩技术，几乎所有不需要达到实时动态影像效果的系统，也就是说每一秒中传输的画面少于20幅的系统，都用到了Waelet。与JPEG使用DCT不同，Wavelet是根据不同的分辨率，通过使用不同的频率（frequency）来分析和压缩数据的，也就是说使用很多的频波（Wave），所以被称为Wavelet。为了有别于JPEG将影像分成一个个小方块来进行压缩，Wavelet在压缩的同时考虑到了整体影像特性及其影像的细节，所以同JPEG处理后的影像相比，用Wavelet技术处理后的影像能真实地得到保存。ISO已经根据Wavelet的功勇，推出了JPEG2000压缩的新规格。可以相信，未来JPEG2000将成为Web、数字相机、打印机、传真机、无线传输和CCTV的主要数字影像存储格式。
8.数字录像带信息搜寻
市场上许多厂商也推出了数字版本的VHS，也就是D-VHS，使用的是S-VHS的录像带，其中使用的压缩技术是JPEG。另外，数字录像带的规格还有Mini DV、DVCAM和DVCRPO（Panasonic）等。原有的模拟监控系统，如数字录像带所面对的阻力可能比较小，但是数字录像带继承了录像带先天性的缺点，也就是信息的读写必须是连续性（线性）的，不能随机读写，这样的话，录像带中的信息搜寻就会变得非常慢或者极不方便。
