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                      視頻和音頻壓縮
                      作者:管理員    發布于:2014-04-10 09:39:04    文字:【】【】【
                      視音頻壓縮技術對圖像質量、帶寬、存儲空間和系統負荷產生重要影響。尤其是百萬像素高清,高壓縮比可以顯著減小文件大小,從而減少帶寬和存儲空間的占用,但高壓縮比也可能會導致圖像質量的降低,所以選用一種帶寬占用和圖像質量均衡的壓縮技術顯得尤為重要。
                      視頻壓縮
                      目前數字監控行業中使用的圖像壓縮技術主要有:H.264、MPEG-4和MJPEG三種編碼方式。每種技術都有不同的壓縮比,并針對不同的應用和目的。光極AURORV數字高清產品基于標準H.264 Main Profile @Level 4.1以上,同時兼容MJPEG算法。
                      ◎MJPEG(Motion JPEG)
                      MJPEG(動態JPEG),由JPEG(聯合圖像專家組)于1992年發布,1994年由國際標準化組織批準,是一個多媒體格式,將每個視頻關鍵幀分開壓縮為JPEG圖像而無須考慮前后幀圖像的關系。我們可以理解為每一幀都是一個與前后無關的圖片。這種壓縮方式可以保證每幀的圖像都是清晰的,但這樣做卻導致圖像數據冗余較多,碼率和占用帶寬巨大。該技術廣泛使用在數碼相機(數碼相機)和其他消費電子產品中。此種技術目前應用在網絡攝像機中主要用于抓拍。 
                      ◎MPEG-4
                      MPEG(Moving Picture Experts Group,運動圖像專家組)是ISO的一個工作組。MPEG標準是一個不斷發展的壓縮標準序列,每一個都有其不同的目的。MPEG-4根據ISO和IEC于1998年確立的視頻壓縮標準,它的開發是為了方便視頻在互聯網上傳輸,主要適用于帶寬有限的應用中使用。MPEG-4是視頻壓縮標準具有更高的壓縮效率。除了一些關鍵幀全部壓縮外,MPEG-4會參考關鍵幀信息去除多余的數據信息(不變的信息),只壓縮幀與幀之間差異(變化)的部分。這大大減少文件大小和帶寬要求。這種壓縮方式主要用在早期的DVR中。 
                      ◎H.264
                      H.264標準最初是由ITU(國際電信聯盟)提出,然后由JVT(ITU和ISO/IEC共同成立的聯合小組)于2003年發布。 所以它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4高級視頻編碼(Advanced Video Coding,AVC),因此H.264是也稱為MPEG-4第10部分。H.264標準具有比MPEG-4更高的壓縮率,低碼率,低延時,從而可以進一步減少帶寬使用。類似于MPEG-4,H.264提供了更精確更有效的運動搜索和幀間預測的壓縮方法,然而,這也需要更強大的CPU能力。
                      表2-1-1 三種壓縮方式對比

                      光極AURORV全線產品均采用國際標準的H.264壓縮方式,其優勢在于:壓縮率高、占用帶寬少、圖像更清晰
                      H.264的類別和等級
                      H.264標準提供不同的類別(算法特性集)和等級(性能等級),通過這種簡潔明了的方式支持常見應用和通用格式。
                      H.264規定了7個類別,每個類別都針對某一類特定的應用,定義了編碼器能夠使用哪些特性集,并限制了解碼器在實施方面的復雜性。其中最常用的是4種不同的類:Baseline Profile、Extended Profile、Main Profile、High Profile。在這4種類別中,Baseline基準類壓縮率最低、延時最??;而High Profile是最高階的一類,在不影響畫質的前提下提供最高的壓縮率,基于該技術,NVR和高清攝像機僅需512Kbps帶寬即可實現720p@30fps、1Mbps帶寬即可實現1080p@30fps的高清效果。
                      H.264又規定了11個功能等級,每個等級都對性能、帶寬和內存需求進行了限制。每個等級都規定了從QCIF到HDTV等各種分辨率所對應的比特率和編碼速率(每秒宏塊數)。分辨率越高,要求的等級就越高。

                      用戶在對不同的高清網絡攝像機進行比較的時候,一定要留意它是選用的哪種類別和等級。同時在對比的時候需要在同碼率下比畫質(解析度,越高越好),同畫質下比碼流(越小越好)。
                      4A自動控制
                      我們通常說的3A自動控制是指:自動白平衡(AWB);自動增益(AGC);自動曝光(AE)。3A自動控制技術水平通常是衡量一個攝像機研發廠商技術實力的重要指標。在這里還加上了艾普視達特有的自動光圈校正(AIC)功能共4A,艾普視達數字高清產品均具備4A自動控制功能,專業圖像處理的4A控制技術讓攝像機的圖像質量達到廣播級的圖像效果。
                      ◎AWB(Automatic White Balance,自動白平衡)
                      自動白平衡調整功能是現在攝像機都有的功能。攝像機可以根據通過其鏡頭和白平衡感測器的光線情況,自動探測出被攝物體的色溫值,由色溫校正電路加以校正,白平衡自動控制電路自動將白平衡調到合適的值。這一功能被稱作為自動白平衡調節。
                      ◎AGC(Automatic Gain Control,自動增益控制)
                      所有攝像機都有一個將來自 CMOS、CCD的信號放大到可以使用水準的視頻放大器,其放大量即增益。對增益的控制主要是調整攝像機的靈敏度,比如在微光環境中攝像機對光線的靈敏度會降低,而在亮光照的環境中放大器將過載,使視頻信號畸變。為此,利用攝像機的自動增益控制(AGC)電路去探測視頻信號的電平,適時地開關AGC,從而使攝像機能夠在較大的光照范圍內工作,此即動態范圍。即在低照度時自動增加攝像機的靈敏度,提高圖像信號的強度來獲得清晰的圖像。具有AGC功能的攝像機,在低照度時的靈敏度會有所提高,但此時的噪點也會比較明顯。這是由于信號和噪聲被同時放大的緣故。 
                      ◎AIC(Automatic Iris Corrected,自動光圈校正)

                      所有的自動光圈鏡頭(參考3.1.2自動光圈),由于鏡頭型號和生產廠家的不同,對鏡頭光圈機構收縮控制力度都不盡相同,甚至同種型號同批次的鏡頭對此項指標都有所不同。在模擬監控攝像機時代,大家會發現在攝像機的上面多有“level”調節旋鈕,通過調整使自動光圈鏡頭能夠正常工作。而現在市場上的IP網絡攝像機幾乎都沒有這個調節裝置,這說明大多數的IP網絡攝像機的自動光圈功能只是一個擺設,攝像機僅僅能將自動光圈鏡頭的光圈打開,即將光圈全開,鏡頭的光圈并不能隨著外界光線的變化而隨動收縮,這大大的損失了自動光圈的應用意義。也就是說客戶只是使用了一只定光圈的鏡頭,整個畫面的曝光僅僅依靠攝像機本身的AE曝光控制。這樣一來可能帶來的問題是:當光線非常強烈的情況下,若超出AE本身的控制范圍將會導致畫面過暴,這種現象在高原或陽光燦爛的日子經常會遇到。
                      光極AURORV的IP網絡攝像機,內置了對鏡頭光圈機構動作阻尼的檢測功能,當安裝任意品牌的自動光圈鏡頭時,通過WEB方式瀏覽打開攝像機內置智能校正程序做一次自動檢測。測試完畢后攝像機將自動加載檢測數據,完成和鏡頭的自動匹配,以確保攝像機能對自動光圈鏡頭的光圈進行精確控制,從而真正實現自動光圈的功能。
                      圖2-4-1 自動光圈校正實現此功能的意義在于充分利用鏡頭的小光圈,以獲得更大的圖像景深;有效避免強烈光線下AE控制越界過暴的問題。關于光圈請參考3.1.2一節。
                      ◎AE(Automatic Exposure,自動曝光)
                      攝像機根據場景光照情況自動調整曝光參數,并在適當的時候對自動光圈鏡頭加以控制,從而滿足全天候條件下都能達到最佳的曝光。自動曝光和自動光圈的控制過程:
                      圖2-4-2 自動曝光和自動光圈控制的分段配合進行簡單的說,機內自動曝光控制和驅動鏡頭光圈的動作是分段進行的。隨著外界光照的由亮到暗,攝像機整個曝光控制分 5個步驟進行。
                      ◎3D-MCTF降噪
                      光極AURORV在新一代產品中引入了3D-MCTF(運動補償時間濾波)技術用于降低噪聲,這一算法分析每一幀數據中每個像素的時空域信息,進而能夠有效過濾靜態和動態噪聲。這種降噪算法對圖像清晰度和銳度影響極為微小。經過過濾的畫面不僅更加清晰,而且有助于提高圖像壓縮率——因為有限的帶寬不會浪費在對噪聲的編碼上。
                            3D降噪ON          3D降噪OFF
                      圖2-4-3 降噪效果對比
                      制式和分辨率
                      PAL (Phase Alternating Line)和NTSC(National Television Systems Committee)
                      NTSC是美國、日本和其它美洲國家使用的模擬彩色編碼系統。NTSC定義的視頻信號使用每幀525TV行,采用的刷新率為30幀/秒,電源為AC 110V,60Hz;PAL是一種用在歐洲、中國和世界許多地區的模擬彩色編碼系統。PAL定義的視頻信號使用每幀625TV行,采用的刷新率為25幀/秒,電源為AC 220V,50Hz。在閉路電視監控系統中最大的分辨率是720x480(NTSC)和720x576(PAL),而最常用的分辨率卻是704x480和704x576。嚴格說來,在IP高清監控中已經沒有了PAL和NTSC制式的說法。
                      ◎分辨率 Resolution
                      分辨率主要用于度量圖像的精細程度,通常指一個數碼圖像中水平行和垂直列的象素點數量。監控系統中的分辨率通常是指數字錄像設備錄制的視頻的一幀圖像能被人眼分辨出的像素數量。分辨率可以通過縱向(寬度)象素數x橫向(高度)象素數來表達,如高清網絡監控中通常見到的分辨率格式有:720P(1280x720)、1080P(1920x1080)、SXGA(1280x1024)等。如1280x720分辨率意味著水平方向有1280個像素和垂直方向有720個像素線。整個圖像的分辨率大約90萬像素。更高的分辨率意味著相同的顯示區域內可以有更多的圖像細節信息能被渲染,從而具有更好的圖像質量。
                      ◎分辨力(解析度)definition
                      對一幀布滿等寬的黑白相間的線條的圖像,分辨其黑白線條最小寬度的能力。分辨力也即我們常說的解析度,它又分為水平解析度和垂直解析度。如果我們把一幅圖像(假如是1280x720格式)上的像素點都看成是一個像素長(或寬)的線條,那么水平解析度表示為可以分辨出水平方向上的1280條黑白相間的垂直線條;垂直解析度表示為垂直方向
                      可以分辨出720條黑白相間的水平線條。解析度通常與鏡頭、圖像傳感器、壓縮率、顯示器等都有關系,它與圖像傳感器(CCD或CMOS)的有效像素并無直接關系,所以我們使用500萬像素的手機拍攝的照片還是會感覺清晰度不高。高清網絡攝像機的解析度通常使用ISO12233分辨率測試卡測試。
                      請參考本書1.3.1什么是標清、高清和全高清。簡單來說,Full D1,分辨率為720x576,相當于我們普通DVD的效果,在監控系統中又稱為標清;720P分辨率為1280x720,是基本的高清格式,也叫HD;而1080P分辨率為1920x1080,是高清的更高級分辨率格式,也叫全高清或Full HD。
                      ◎百萬像素Megapixel
                      百萬像素是指像素圖像具有百萬個像素點,如1920x1080=210萬像素。百萬像素網絡攝像機是指攝像機具有百萬像素級圖像的輸出能力,監控中常見的720P約為100萬像素,1080P約為210萬像素,還有近段時間出來的320萬像素和5百萬像素。百萬像素網絡攝像機的分辨率是普通模擬攝像機(輸出圖像大約為40萬像素)的3倍以上,在同樣的畫幅內,像素越高圖像的精細程序也更高,可以提供更多的細節信息和更寬廣的視野。

                      圖3-2-2 Full D1、720P、1080P、3.2MP和5MP圖像尺寸對比3.3.2 視角
                      日夜型
                      日夜型(Day/Night),我們都知道可見光中混雜的不同波長的紅外光會影響圖像效果,如導致圖像模糊和鋸齒現象。在圖像傳感器前加上雙濾光片自動切換機構可以有效減少紅外光的影響。白天和光線充足時切換為紅外截止濾光片,紅外光被過濾掉,避免圖像顏色偏色;夜晚或光線不足時,切換為紅外光通過濾光片,紅外光可以被用來提高攝像機的夜視能力,以便維持良好的圖像質量。具有自動雙濾光片切換機構的攝像機我們又叫日夜型攝像機。
                      圖3-3-4 日夜型攝像機效果圖對比
                      ◎紅外濾光片切換IR-cut Filter
                      紅外濾光片切換是一種機械快門設計。這是放置在鏡頭和圖像傳感器之間由電機或電磁鐵控制的裝置。當紅外濾光片打開,它會阻止紅外光,并只允許可見光通過。當紅外濾光片關閉,紅外光會被允許通過,圖像將變成黑白模式。在沒有紅外濾光片裝置的攝像機中通常我們使用強制彩轉黑的方式來獲得黑白圖像。
                      ◎紅外鍍膜IR Coating
                      使用特定鍍膜的鏡頭也可以有效阻止紅外線,但鍍膜的鏡頭在夜間對光線的敏感度會降低。
                      ◎紅外修正IR Corrected
                      使用特殊光學設計或材料的鏡頭可以讓可見光和紅外光的焦點集中在同一個點上。白天,校正和非校正的透鏡都將獲得相同的圖像質量,夜里,使用紅外修正的鏡頭將保持清楚的圖像效果。
                      ◎紅外燈IR LEDs
                      在環境光照較低的環境中添加額外的紅外燈裝置或補光燈是非常有必要的。無論CCD相機還是CMOS相機都不能在漆黑的環境中呈現清晰的圖像。要注意的是紅外燈是不可見光,可以用在特殊環境中;而在普通環境中添加白光補光燈會獲得更好的圖像效果。
                      IP地址
                      IP地址(IPAddress),每個接入網絡的設備都需要分配的一個IP地址,好比是門牌,以幫助數據準確地識別和傳遞到目的地。按照TCP/IP協議規定,IP地址用二進制來表示,現在用的IPV4每個IP地址長32bit,比特換算成字節,就是4個字節。一個IP地址包含32位,其中分為四個部分,每個部分相隔一個點,如255.255.255.0。
                      下面的三個IP地址空間用于本地局域網和私人因特網:
                      10.0.0.0~10.255.255.255172.16.0.0~172.31.255.255
                      192.168.0.0~192.168.255.255然而,隨著越來越多的網絡設備增加,IP地址短缺已成為一個問題。為了解決這個問題,DHCP、NAT和IPv6被提出來。DHCP:DHCP(動態主機配置協議)自動分配一個有效的IP地址給網絡上的設備。設備未運行時,閑置的IP地址會被回收。因此,DHCP可以更有效的使用IP地址。NAT:NAT(網絡地址傳輸)使用轉換表將一個內網專用IP地址的輸出數據包通過一個公共IP地址和端口映射成為一個通道。NAT允許多臺網絡設備共享一個公共網絡的IP地址。路由器上都有這個設置項,有的叫NAT,有的叫端口映射,有的叫虛擬服務。通
                      常我們需要從外網訪問內網的網絡攝像機或NVR時,我們就需要在網關或路由器上對內網的設備進行端口映射。

                      圖4-1-1網絡攝像機端口映射示意圖IPv6:IPV6可提供更多的地址空間。一個IPv6標準地址有128位,分為八個部分,包含4個16位數字,每個組用冒號分隔。IPv6的IP地址是與IPv4不同的格式,例如3ffe:0305:0000:0000:0000:0000:0000:0001。IPv6需要包括操作系統、設備、運營商等在內的多方合作整體轉換。目前國內僅有一部分IPv6實驗網絡。

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