網路攝像機—影象壓縮方式—JPEG、MJPEG

 JPEG（英文全稱：Joint　Photographic　Experts　Group）壓縮技術可以說是所有影象壓縮技術的基礎。它適合靜態影象的壓縮，直接處理整個畫面，壓縮倍數為20-80倍，解析度沒有選擇的餘地。所以要等到整個壓縮檔案傳輸完成才開始進行解壓縮成影像畫面，而這樣的方式造成傳輸一個高解析畫面時須耗時數十秒甚至數分鐘。  

      而MJPEG(Motion JPEG)是在JPEG基礎發展起來的動態影象壓縮技術，它只單獨的對某一幀進行壓縮，而基本不考慮視訊流中不同幀之間的變化。使得可獲取清晰度很高的視訊影象，而且可靈活設定每路的視訊清晰度和壓縮幀數。其壓縮後的畫面還可任意剪接。但它的缺陷也非常明顯，其一：丟幀現象嚴重、實時性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實時壓縮。其二：壓縮效率低，儲存佔用空間較大。 

      後來又出現了多層式JPEG（ML-JPEG）壓縮技術，它採取漸層式技術，先傳輸低解析的圖檔，然後再補送更細節的壓縮資料，使畫面品質改善。這種方式所需的時間雖然與原先的方式一樣。但由於可以先看到畫面，所以使用者會覺得這種方式較好。 

 

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  JPEG壓縮技術可以說是所有影象壓縮技術的基礎。它適合靜態影象的壓縮，直接處理整個畫面，壓縮倍數為20-80倍，解析度沒有選擇的餘地。所以要等到整個壓縮檔案傳輸完成才開始進行解壓縮成影像畫面，而這樣的方式造成傳輸一個高解析畫面時須耗時數十秒甚至數分鐘。 而MJPEG(Motion JPEG)是在JPEG基礎發展起來的動態影象壓縮技術，它只單獨的對某一幀進行壓縮，而基本不考慮視訊流中不同幀之間的變化。使得可獲取清晰度很高的視訊影象，而且可靈活設定每路的視訊清晰度和壓縮幀數。其壓縮後的畫面還可任意剪接。但它的缺陷也非常明顯，其一：丟幀現象嚴重、實時性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實時壓縮。其二：壓縮效率低，儲存佔用空間較大。 後來又出現了多層式JPEG（ML-JPEG）壓縮技術，它採取漸層式技術，先傳輸低解析的圖檔，然後再補送更細節的壓縮資料，使畫面品質改善。這種方式所需的時間雖然與原先的方式一樣。但由於可以先看到畫面，所以使用者會覺得這種方式較好。

MPEG-1 MPEG-1制定於1992年，為工業級標準而設計，它可針對SIF標準解析度(對於NTSC製為352X240；對於PAL製為352X288)的影象進行壓縮，傳輸速率為1.5Mbits/sec，每秒播放30幀，具有CD(指鐳射唱盤)音質，質量級別基本與VHS相當。MPEG的編碼速率最高可達4- 5Mbits/sec，但隨著速率的提高，其解碼後的圖象質量有所降低。 MPEG-1也被用於數字電話網路上的視訊傳輸，如非對稱數字使用者線路(ADSL)，視訊點播(VOD)，以及教育網路等。同時，MPEG-1也可被用做記錄媒體或是在INTERNET上傳輸音訊。 MPEG1曾經是VCD的主要壓縮標準，是目前實時視訊壓縮的主流，可適用於不同頻寬的裝置，如CD-ROM、Video-CD、CD-I。與M-JPEG技術相比較，在實時壓縮、每幀資料量、處理速度上均有顯著的提高。MPEG1可以滿足多達16路以上25幀/秒的壓縮速度，在500kbit/s的壓縮碼流和352畫素×288行的清晰度下，每幀大小僅為2k。若從VCD到超級VCD到DVD的不同格式來看，MPEG1的352 ×288格式，MPEG2可有576×352、704 ×576等，用於CDROM上儲存同步和彩色運動標視訊訊號，旨在達到VCR（模擬式磁帶錄放機Video Cassette Recorder；VCR）質量，其視訊壓縮率為26：1。MPEG1可使影象在空間軸上最多壓縮1/38，在時間軸上對相對變化較小的資料最多壓縮1/5。MPEG1壓縮後的資料傳輸率為1.5Mbps，壓縮後的源輸入格式SIF（Source Input Format），解析度為352畫素×288行（PAL制），亮度訊號的解析度為360×240，色度訊號的解析度為180×120，每秒30幀。MPEG1對色差分量採用4：1：1的二次取樣率。MPEG1、MPEG2是傳送一張張不同動作的區域性畫面。在實現方式上，MPEG1可以藉助於現有的解碼晶片來完成，而不像M-JPEG那樣過多依賴於主機的CPU。與軟體壓縮相比，硬體壓縮可以節省計算機資源，降低系統成本。 但也存在著諸多不足。一是壓縮比還不夠大，在多路監控情況下，錄影所要求的磁碟空間過大。尤其當DVR主機超過8路時，為了儲存一個月的儲存量，通常需要10個80G硬碟，或更多，硬碟投資大，而由此引起的硬碟故障和維護更是叫人頭疼。二是影象清晰度還不夠高。由於MPEG1最大清晰度僅為352 X 288，考慮到容量、模擬數字量化損失等其它因素，回放清晰度不高，這也是市場反應的主要問題。三是對傳輸影象的頻寬有一定的要求，不適合網路傳輸，尤其是在常用的低頻寬網路上無法實現遠端多路視訊傳送。四是MPEG1的錄影幀數固定為每秒25幀，不能丟幀錄影，使用靈活性較差。從目前廣泛採用的壓縮晶片來看，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。 總體看來M-JPEG與MPEG1由於技術成熟，是目前DVR市場的主流技術，但兩者的致命弱點就是硬碟耗費量大，且不能同時滿足保安與實時錄影場合的需要。

 

MPEG-2 MPEG-2制定於1994年，設計目標是高階工業標準的圖象質量以及更高的傳輸率。MPEG-2所能提供的傳輸率在3-10Mbits/sec間,其在NTSC制式下的解析度可達720X486，MPEG-2也可提供並能夠提供廣播級的視像和CD級的音質。MPEG-2的音訊編碼可提供左右中及兩個環繞聲道,以及一個加重低音聲道，和多達7個伴音聲道(DVD可有8種語言配音的原因)。由於MPEG-2在設計時的巧妙處理，使得大多數MPEG-2解碼器也可播放MPEG-1格式的資料，如VCD。 同時，由於MPEG-2的出色效能表現，已能適用於HDTV，使得原打算為HDTV設計的MPEG-3，還沒出世就被拋棄了。(MPEG-3要求傳輸速率在20Mbits/sev-40Mbits/sec間，但這將使畫面有輕度扭曲)。而現在網路上大行其道的數字音樂格式 MP3並不是MPEG3，而是MPEG1的第三層 (MPEG1 Layer3) 。除了作為DVD的指定標準外，MPEG-2還可用於為廣播，有線電視網，電纜網路以及衛星直播 (Direct Broadcast Satellite) 提供廣播級的數字視訊。 MPEG-2的另一特點是，其可提供一個較廣的範圍改變壓縮比，以適應不同畫面質量，儲存容量，以及頻寬的要求。 對於終端使用者來說，由於現存電視機解析度限制，MPEG-2所帶來的高清晰度畫面質量(如DVD畫面)在電視上效果並不明顯，到是其音訊特性(如加重低音，多伴音聲道等)更引人注目。 MPEG2是DVD的壓縮標準，對每秒30幀的720×576解析度的視訊訊號進行壓縮，適用於計算機顯示質量的影象，壓縮後的資料率為6Mbps，它將視訊節目中的視訊、音訊、資料內容等組成部分複合成單一的位元流，以便在網上傳送或者在儲存裝置中存放的壓縮。在DVR產品中只有少量採用MPEG2壓縮標準。 與前兩者不同.

 

MPEG4於1998 年11 月公佈，原預計1999 年1月投入使用的國際標準MPEG4不僅是針對一定位元率下的視訊、音訊編碼，更加註重多媒體系統的互動性和靈活性。MPEG專家組的專家們正在為MPEG-4的制定努力工作。MPEG-4標準主要應用於視像電話(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，解析度為176X144。MPEG-4利用很窄的頻寬，通過幀重建技術，壓縮和傳輸資料，以求以最少的資料獲得最佳的圖象質量。 與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特點是其更適於互動AV服務以及遠端監控。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，即有互動性)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充套件性。MPEG4 試圖達到兩個目標： 一、 低位元率下的多媒體通訊； 二、 是多工業的多媒體通訊的綜合。 據此目標，MPEG4 引入AV 物件（Audio/Visaul Objects）， 使得更多的互動操作成為可能。 MPEG-4是為在國際網際網路絡上或行動通訊裝置（例如行動電話）上實時傳輸音/視訊訊號而制定的最新MPEG標準，MPEG4採用Object Based方式解壓縮，壓縮比指標遠遠優於以上幾種，壓縮倍數為450倍(靜態影象可達800倍)，解析度輸入可從320 ×240到1280 ×1024，這是同質量的MPEG1和MJEPG的十倍多。 MPEG4使用「圖層」(layer)方式，能夠智慧化選擇影像的不同之處，是可根據影象內容，將其中的物件（人物、物體、背景）分離出來分別進行壓縮，使圖檔案容量大幅縮減，而加速音/視訊的傳輸，這不僅僅大大提高了壓縮比，也使影象探測的功能和準確性更充分的體現出來。 在網路傳輸中可以設定MPEG4的碼流速率，清晰度也可在一定的範圍內作相應的變化，這樣便於使用者根據自己對錄影時間、傳輸路數和清晰度的不同要求進行不同的設定，大大提高了系統使用時的適應性和靈活性。也可採用動態幀測技術，動態時快錄，靜態時慢錄，從而減少平均資料量，節省儲存空間。而且當在傳輸有誤碼或丟包現象時，MPEG4受到的影響很小，並且能迅速恢復。 MPEG4的應用前景將是非常廣闊的。 它的出現將對以下各方面產生較大的推動作用：數字電視、動態圖象、全球資訊網（WWW）、實時多媒體監控、低位元率下的移動多媒體通訊、於內容儲存和檢索多媒系統、Internet/Intranet上的視訊流與可視遊戲、基於面部表情模擬的虛擬會議、DVD上的互動多媒體應用、基於計算機網路的視覺化合作實驗室場景應用、演播電視等。 當然，除了MPEG 4外，還有更先進的下一個版本MPEG 7 , 準確來說， MPEG-7並不是一種壓縮編碼方法，而是一個多媒體內容描述介面。繼MPEG4之後，要解決的矛盾就是對日漸龐大的影象、聲音資訊的管理和迅速搜尋。MPEG 7就是針對這個矛盾的解決方案。MPEG7力求能夠快速且有效地搜尋出使用者所需的不同型別的多媒體材料。預計這個方案於2001年初最終完成並公佈。按照以往 MPEG-4的經驗，MPEG-7起碼要再過兩年才能進入實際應用階。