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监控系统中涉及到的图像和图形知识（四）
yanlingwang.com 发布：2008-10-4 17:00:27 来自：转载 浏览：次 |
多媒体数据压缩和编码技术标准
目前，被国际社会广泛认可和应用的通用压缩编码标准大致有如下四种：
H.261、JPEG、MPEG和DVI。
★ H.261：由CCITT（国际电报电话咨询委员会）通过的用于音频视频服务的视频编码解码器（也称Px64标准），它使用两种类型的压缩:一帧中的有损压缩（基于DCT）和用于帧间压缩的无损编码，并在此基础上使编码器采用带有运动估计的DCT和DPCM（差分脉冲编码调制）的混合方式。这种标准与JPEG及MPEG标准间有明显的相似性，但关键区别是它是为动态使用设计的，并提供完全包含的组织和高水平的交互控制。
★ JPEG：全称是Joint Photogragh Coding Experts Group（联合照片专家组），是一种基于DCT的静止图像压缩和解压缩算法，它由ISO(国际标准化组织)和CCITT(国际电报电话咨询委员会)共同制定，并在1992年后被广泛采纳后成为国际标准。它是把冗长的图像信号和其它类型的静止图像去掉，甚至可以减小到原图像的百分之一（压缩比100:1）。但是在这个级别上，图像的质量并不好；压缩比为20:1时，能看到图像稍微有点变化；当压缩比大于20:1时，一般来说图像质量开始变坏。
★ MPEG：是Moving Pictures Experts Group（动态图像专家组）的英文缩写，实际上是指一组由ITU和ISO制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。它采用的是一种减少图像冗余信息的压缩算法，它提供的压缩比可以高达200:1，同时图像和音响的质量也非常高。现在通常有三个版本:MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。它的三个最显著优点就是兼容性好、压缩比高（最高可达200:1)、数据失真小。
★ DVI：其视频图像的压缩算法的性能与MPEG-1相当，即图像质量可达到VHS的水平，压缩后的图像数据率约为1.5Mb/s。为了扩大DVI技术的应用，Intel公司最近又推出了DVI算法的软件解码算法，称为Indeo技术，它能将为压缩的数字视频文件压缩为五分之一到十分之一。
说到MPEG，相信没有哪位朋友会不知道，但要追根究底地问你MPEG到底是什么，恐怕就没有多少人能正确地回答出来了。实际上，MPEG的全称应该是Moving Pictures Experts Group（即动态图像专家组），由ISO(International Standards Organization，国际标准化组织)与IEC（International Electronic Committee）于1988年联合成立，致力于运动 图像(MPEG视频)及其伴音编码(MPEG音频)标准化工作。
MPEG共有4个版本，其中前两个版本MPEG－1和MPEG－2应用比较广泛，而MPEG－4虽然已推出近两年，但有关它的应用却直到最近才活跃起来，MPEG－7则是属于未来的标准。今天，我们就在了解MPEG这个家庭的成长历程和各个成员的特点的基础上，重点看看MPEG－4的特点和应用，相信在不久，大家就会广泛地接触到采用MPEG－4这种先进技术制作的产品。
广泛应用的MPEG－1与MPEG－2
MPEG－1标准（ISO/IEC11172）制定于1992年，是针对1.5Mbps以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码设计的国际标准，主要用于在CD－ROM（包括Video－CD、CD－I等）存储彩色的同步运动视频图像，它针对SIF（标准交换格式）标准分辨率(NTSC制为352×240；PAL制为352×288)的图像进行压缩，每秒可播放30帧画面，具备CD(指激光唱盘)音质。同时，它还被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路(ADSL)、视频点播(VOD)、教育网络等。
使用MPEG－1的压缩算法，可以将一部120分钟长的电影压缩到1.2GB左右，因此，它被广泛地应用于VCD制作和一些视频片段的下载，目前90％以上的VCD都是用MPEG－1格式压缩的。
MPEG－2标准ISO/IEC13818）制定于1994年，是针对3～10Mbps的数据传输率制定的的运动图像及其伴音编码的国际标准。MPEG－2可以提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量、存储容量和带宽的要求。它在与MPEG－1兼容的基础上实现了低码率和多声道扩展：MPEG－2可以将一部120分钟长的电影压缩到4～8GB(它提供的是我们通常所说的DVD品质)，其音频编码可提供左右中及两个环绕声道、一个加重低音声道和多达7个伴音声道(因此DVD可有8种语言配音)。
除了作为DVD的指定标准外，MPEG－2还可用于为广播、有线电视网、电缆网络等提供广播级的数字视频。不过对普通用户来说，由于现在电视机分辨率的限制，MPEG－2所带来的高清晰度画面质量(如DVD画面)在电视上效果并不明显，倒是其音频特性(如加重低音、多伴音声道等)得到了广泛的应用。
MPEG－3是ISO/IEC最初为HDTV(高清晰电视广播)制定的编码和压缩标准，但由于MPEG－2的出色性能已能适用于HDTV，因此MPEG－3标准并未制定，我们通常所说的MP3指的是MPEG Layer 3，只是MPEG的一个音频压缩标准。
令人称道的MPEG－4
MPEG－4于1998年11月公布，预计投入使用的国际标准MPEG－4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。为此，MPEG－4引入了AV对象（Audio/Visual Objects），使得更多的交互操作成为可能：
"AV对象"可以是一个孤立的人，也可以是这个人的语音或一段背景音乐等。它具有高效编码、高效存储与传播及可交互操作的特性。
MPEG－4对AV对象的操作主要有：采用AV对象来表示听觉、视觉或者视听组合内容；组合已有的AV对象来生成复合的AV对象，并由此生成AV场景；对AV对象的数据灵活地多路合成与同步，以便选择合适的网络来传输这些AV对象数据；允许接收端的用户在AV场景中对AV对象进行交互操作等。
MPEG－4标准则由6个主要部分构成：
1、DMIF(The Deliveries Multimedia Integration Framework，多媒体传送整体框架)。主要用于解决交互网络中、广播环境下以及磁盘应用中多媒体应用的操作问题。通过传输多路合成比特信息来建立客户端和服务器端的连接与传输。
2、数据平面。为了使基本流和AV对象在同一场景中出现，MPEG－4引用了对象描述（OD）和流图桌面（SMT）的概念。OD传输与特殊AV对象相关的基本流的信息流图。桌面把每一个流与一个CAT（Channel Association Tag）相连，CAT可实现该流的顺利传输。
3、缓冲区管理和实时识别。MPEG－4定义了一个系统解码模式（SDM），该解码模式描述了一种理想的处理比特流句法语义的解码装置，它要求特殊的缓冲区和实时模式。通过有效地管理，可以更好地利用有限的缓冲区空间。
4、音频编码。MPEG－4不仅支持自然声音，而且支持合成声音。MPEG－4的音频部分将音频的合成编码和自然声音的编码相结合，并支持音频的对象特征。
5、视频编码。与音频编码类似，MPEG－4也支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。
6、场景描述。MPEG－4提供了一系列工具，用于组成场景中的一组对象。一些必要的合成信息组成场景描述，用于描述各AV对象在一具体AV场景坐标下，如何组织与同步等问题。
MPEG－4的应用
与MPEG－1和MPEG－2相比，MPEG－4更适于交互AV服务以及远程监控，它的设计目标使其具有更广的适应性和可扩展性： MPEG－4传输速率在4800－64000bps之间，分辨率为176×144，可以利用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获得最佳的图像质量。因此，它将在数字电视、动态图像、互联网、实时多媒体监控、移动多媒体通信、Internet/Intranet上的视频流与可视游戏、DVD上的交互多媒体应用等方面大显身手。
当然，对于普通用户来说，MPEG－4在目前来说最有吸引力的地方还在于它能在普通CD－ROM上基本实现DVD的质量：用MPEG－4 压缩算法的ASF（Advanced Streaming format，高级格式流）可以将120分钟的电影压缩为300MB左右的视频流；采用MPEG－4压缩算法的DIVX 视频编码技术可以将120分钟的电影压缩600MB左右，也可以将一部 DVD影片压缩到 2 张 CD－ROM上！也就是说，有了MPEG－4，你不需要购买 DVD－ROM 就可以享受到和它差不多的视频质量！播放这种编码的影片对机器的要求并不高：只要你的电脑有300MHz 以上(无论是哪种型号)的CPU、64MB内存、8MB的显卡就可以流畅地播放。
不过，和DVD相比，MPEG－4属于一种高比率有损压缩算法，其图像质量始终无法和DVD的MPEG－2相比，毕竟DVD的存储容量比较大。此外，要想保证高速运动的图像画面不失真，必须有足够的码率，目前MPEG－4的码率虽然可以调到和DVD差不多，但总体效果还有不小的差距。因此，现在的MPEG－4只能面向娱乐、欣赏方面的市场，那些对图像质量要求较高的专业视频领域暂时还不能采用。
属于未来的MPEG－7
继MPEG－4之后，要解决的矛盾就是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速搜索。1998年10月基于这种设想的MPEG－7标准被提出，它的正式名称是"多媒体内容描述接?quot;，将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与所描述的内容相联系，以实现快速有效的搜索。
由于该标准不包括对描述特征的自动提取，它也没有规定利用描述进行搜索的工具或任何程序，因此，它可以独立于其他MPEG标准使用，但MPEG－4中所定义的对音频、视频对象的描述仍然适用于MPEG－7，这种描述是分类的基础。我们可以也利用MPEG－7的描述来增强其他MPEG标准的功能。
MPEG－7的应用范围很广泛，既可应用于存储（在线或离线），也可用于流式应用（如广播、将模型加入Internet等）。它还可以在实时或非实时环境下应用，如：数字图书馆（图像目录、音乐字典等）、多媒体名录服务（如黄页）、广播媒体选择（无线电信道，TV信道等）等。它在未来将会在教育、新闻、导游信息、娱乐、等各方面将发挥巨大的作用。
MPEG－1的出现使VCD取代了录像带，MPEG－2的出现使数字电视逐步取代模拟电视，MPEG－4的出现使多媒体系统的交互性和灵活性大为增强，而MPEG－7的出现将会带我们进入一个互动多媒体的网络时代。 |
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