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用于视频传输和存储的技术方法与标准

一个压缩标准可以适合所有场合吗？在考虑这个问题和设计一个网络视频监视应用的时候，我们需要考虑下面的问题：需要什么样的帧速率？是否在全部过程中都需要同样的帧速率？

在我们试图回答一个压缩标准是否可以适合所有网络视频应用的同时，本文还将提供一些关于不同压缩技术的背景知识。

而在我们考虑哪种压缩方式最适合某个应用场合之前，需要先解释一下网络视频系统；这是为了更好的理解数字记录和存储过程而需要走的一小段弯路。在网络视频系统中存在着多个处理过程，而我们将集中关注那些与压缩这一主题最相关的议题：

·Encoding（编码）：在网络摄像机或视频服务器中进行的过程，对模拟视频信号进行编码（数字化并且压缩），使其可以在网络上传输。

·IP-Transmission（IP传输）：在基于IP的网络上传输，可采用有线或无线的方式，数据从源端传输到不同的记录或监视硬件上（比如PC服务器）。

·Recording（记录）: 将数据转移到标准的硬盘上，这些硬盘连接到存储设备如服务器、NAS（Network Attached Server网络连接服务器）或SAN（Storage Area Network存储局域网）。

·Decoding（解码）：被编码的视频必须解码，以变成可观看／监控的。这个过程在PC上或其它解码系统上完成，用于观看视频信息。

图像压缩——JPEG

JPEG是一种著名的图像压缩方法，最初由Joint Photographic Experts Group提出并在20世纪80年代中期被标准化。JPEG压缩可以在不同的用户定义压缩级别（user defined compression level）上实现，用户定义级别决定了图像被压缩的程度。选定的压缩级别与需要的图像质量直接相关。除了压缩级别之外，图像场景本身也对最终的压缩比（compression ratio）产生影响。比如说，如果图像是一面白墙，则可能形成一个相对较小的图像文件（即更高的压缩比），将同样的压缩级别应用到一个十分复杂的组合场景图像中，则将生成一个更大规模的文件，其压缩比则更低。

对同一场景使用两种不同的压缩级别时压缩比与图像质量的关系：

而视频就是一个JPEG图像序列——即动态JPEG（M-JPEG）。与数字静态图片照相机一样，网络摄像机捕捉单个图像，并将它们压缩成JPEG格式。比如，网络摄像机每秒可以捕捉并压缩30个这样的单个图像，然后将他们变成连续的图像流，通过网络传递到观察站（viewing station）。如果帧速率达到大约16 fps或以上，则观察者将看到完全动态的视频图像。我们将这种方式称为动态JPEG或M-JPEG。

由于每单个图像都是一个完整的JPEG压缩图像，所以它们将拥有相同的质量保证，这是由网络摄像机或网络视频服务器定义的压缩级别而决定的。

M-JPEG、MPEG-2、和MPEG-4的优势和劣势

M-JPEG简单明了，是许多应用中的好选择。JPEG是许多系统中默认的标准。

M-JPEG是一中简单的压缩／解压缩技术，这意味着编码和解码的系统时间与成本都较低。时间方面表现为图像捕获、编码、网上传输、解码以及最终显示在观察站上，整个过程的时延是有限的。换句话说，M-JPEG由于简单容易（图像压缩和完整的单个图像），可以提供低时延，由于这个原因，它也很适合于需要图像处理的情况，比如动态视频检测或目标追踪。

M-JPEG中可以找到任何实际的图像分辨率，从移动电话显示大小到full video (4CIF)图像大小。而且，不管图像是否移动或场景如何复杂，它都可以提供所保证的图像质量。它还可以灵活的选择高图像质量（低压缩）或低图像质量（高压缩），可以减少图像文件大小，从而降低比特率bit-rate和所用带宽。同时，帧速率可以很容易的控制，这提供了一种通过减少帧速率来限制所用带宽的途径，但同时还能保证图像质量。

由于M-JPEG没有利用视频压缩技术，导致在网络上传输的图像数据量相对较大。因此，在给定的图像压缩级别（分别定义I-frame 和JPEG 图像的图像质量）以及帧速率和图像场景下，MPEG技术每单位时间通过网络传输的数据量要比M-JPEG相对更少，除非如前面所说的降低帧速率。

我们将MPEG的优势概括如下：以较低的比特率bit-rate（使用带宽）提供相对高的图像质量。这一点在网络可用带宽受限时、或在视频信号以高帧速率存储（记录）而存储空间有限时体现得尤为重要。不过，降低带宽需求的代价是提高了编码和解码的复杂性，进而又造成了比M-JPEG更高的时延。

另一点需要记住的是：MPEG-2和MPEG-4都受到许可费用（licensing fees）的限制。

在给定的动态图像场景下，M-JPEG和MPEG-4所使用的带宽情况。可以看到，在帧速率较低时，MPEG-4压缩无法有效利用相邻帧中相同的部分，而由MPEG-4流格式产生的负载将使其消耗的带宽实际上比M-JPEG更高。

MPEG-4并不适合所有场合

如上面所做的简单比较所示，并非我们关注的每种压缩方法都适合所有安装或应用。某种应用最恰当的压缩技术取决于用户在帧速率，视频图像质量，时延，系统健壮性和带宽消耗之间所达成的平衡。

在本文中，我们完整的考察了数字视频压缩变化多端的世界——不同的类型、相互的比较、以及每种类型最适合什么应用。终端用户需要询问许多问题，考察许多观点，以最终正确决定哪种技术最适合他们的用途和目标。在选择压缩方法时，重要的是努力深入的了解。

对目前和将来的网络视频技术而言，一种压缩格式通常肯定无法适合所有应用。眼下，虽然MPEG-4排在所有方案中的显着位置，但终端用户仍应保持开放的心态，在最终决定之前考虑所有的替代方案。
在选择合适的压缩格式时，应该要以下列的原则来考虑：

·M-JPEG——大部分时间帧速率低于5 fps、系统灵活、低时延、图像质量比帧速率或低带宽重要；

·MPEG-2——需要很高的图像质量（总是25/30fps），可保证高带宽，主要是观察和记录；

·MPEG-4——大部分时间帧速率高于10 fps，延时较高也无影响，有限的但可保证的可用带宽，主要是观察和记录。

最后，现在许多网络系统使用动态检测，所以数据传送是基于触发事件的。请记住，在许多场合，这项功能将对带宽和存储的需求产生更高的影响，而压缩技术的选择反而并不那么突出。

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