文｜国家图书馆中央控制室 于洪波

1 前言

视频系统的图像质量，通常被认为与摄像头的选取、现场的照明度，以及系统的信息传输方式有关。然而除了上述条件之外，视频系统的图像质量还与视频系统图像文件的存储格式有直接关系。无损存储格式是底片最真实的记录，如RAW格式，其成像的结果是从影像传感器中得到的原始信息，是真正意义上的“数字底片”。RAW格式的优点是影像质量最高，同时图像存储尺寸适中，而且很多参数可支持后期调整，并且不影响画质；缺点是RAW文件不同于JPEG等类型的文件，代码中没有头文件，这使得很多软件无法支持对它的读取和编辑，通用性差。TIFF格式（Tagged Image File Format）也是一种无损压缩格式，TIFF格式图片保存的图像信息和RAW格式图片是相等的，但其存储尺寸却比RAW格式图片大很多。TIFF和RAW一样，都保存了最完整的信息量，而且都支持用软件修改诸如白平衡之类的参数，便于后期修改。而与RAW相比，TIFF的优点是软件读取方便、编辑方便，缺点是文件太大，会极大地占用存储空间。图像是展示网页风采的重要工具，但是由于网络带宽等客观因素的影响，大尺寸的图片显示、传输都很慢，在网络上的应用不便；所以就要用到图像压缩技术。通过存储对比试验笔者发现：同样的一张分辨率为2509×3491的图片，使用TIF格式存储的尺寸为8.35MB，使用JPEG格式存储的尺寸则仅有538kB——虽然它是一种有损的存储技术，但是能够在尽量不影响图像质量的前提下，最大限度地压缩图像文件的尺寸，是保障图像远程、在线使用的重要工具。目前主流的图像压缩存储的格式包括JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264等。

2 视频系统设施中影响图像质量的各类问题的分析

（1）摄像头

摄像头、摄像头镜头的配置较为重要。照度和焦距都是重要参数。摄像机的灵敏度应根据监视目标的照度进行选择。镜头的焦距应根据视场大小和镜头与监视目标的距离确定，按下式计算：

式中，F为焦距， A为图像场高度，L为物距，H为视场高度，单位均为mm。

传输彩色电视基带信号时，如5.5MHz点的不平坦度大于3dB，宜增加电缆均衡器；如大于6dB，应增加电缆均衡放大器。如果这些参数配置不好，会直接导致图像质量的失真。

（2）照度

监视目标的最低环境照度应高于摄像机最低照度的10倍。

（3）传输情况

在一定的距离内，可以使用同轴电缆直接传输视频信号；传输距离超过可允许范围后，需要增加视频放大器予以接力。此外还可以使用双绞线（双绞线收发器）、光缆（光端机）。

（4）存储格式

MJPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264等是常用的存储格式，他们对图像质量的影响和应用情况将在下文进行具体介绍。

3 存储系统的分析

当前，图像的存储主要使用1T以上的大硬盘；要保证图像资料可以按预期存储足够的天数，一台16路的标准硬盘录像机至少需要配备4块硬盘。以国家图书馆一个较普通的视频系统为例：系统共有40台硬盘录像机，整个系统合计有160块硬盘在全年365天24小时运行（如果有特殊需求，硬盘的数量可能还要增加）。每块硬盘都有预期的寿命，即平均故障时间，假如以一块硬盘的平均故障时间为70万小时来计算，则一个有160块硬盘的系统，其平均故障时间为4375小时，也就是说整个系统平均运行4375小时就可能有至少一块硬盘会发生故障。所以，提高存储图像资料的压缩比，节省硬盘个数，是保障系统稳定运行的重要手段。

4 各种图像存储压缩格式的对比

（1）MJPEG

MJPEG是指Motion JPEG（动态JPEG），即按照25帧/秒的速度使用JPEG算法压缩视频信号，完成动态视频的压缩。MJPEG格式是由JPEG专家组制定的，该图像格式是对每一帧进行压缩，压缩率通常可达1/6。MJPEG图像流的单元是一帧一帧的JPEG画片，就像每一帧都是独立的图像一样。因为每帧都可任意存取，所以MJPEG常被用于视频编辑系统。MJPEG能产生高质量、全屏、全运动的视频，但其压缩过程需要依赖附加的硬件。此外，MJPEG不是标准化的格式，各厂家都有自己的MJPEG版本，彼此的文件无法互相识别。MJPEG的优点是画质比较清晰，缺点是压缩率低，带宽占用量很大，一般单路占用带宽2M左右。

（2）MPEG-1 VCD标准

MPEG-1 VCD标准制定于1992年，以工业级标准为目标而设计，用于传输1.5Mbps数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码，可适用于不同带宽的设备，如CD-ROM、Video-CD、CD-i。按MPEG-1标准压缩后，视频数据的压缩率为1/100～1/200，影视图像的分辨率一般为360×240×30（NTSC制）或360×288×25（PAL制），质量比家用录像系统（VHS，即Video Home System）的质量略高；音频压缩率为1/6.5，质量接近于CD-DA的质量。MPEG-1允许超过70分钟的高质量视频和音频存储在一张CD-ROM盘上。VCD采用的就是MPEG-1标准，该标准是一个家庭电视质量等级的视频、音频压缩标准。MPEG-1的编码速率最高可达4～5Mbits/sec，但随着速率的提高，解码后的图像质量有所降低。MPEG-1也被用于数字电话网络，如非对称数字用户线路（ADSL）和教育网络等上的视频传输，以及实现视频点播（VOD）。此外，MPEG-1也可被应用于记录媒体或是用来在Internet上传输音频。MPEG-1标准信号占用的网络带宽在1.5M左右。

（3）MPEG-2 DVD标准

MPEG-2 DVD标准制定于1994年，其设计目标是实现达到高级工业标准的图像质量以及更高的传输率，主要针对高清晰度电视（HDTV）应用的需要，传输速率在3～10Mbits/sec间， 适 用 于 1.5～60Mbps甚至更高的编码范围。MPEG-2影视图像的质量为广播级，声音的质量接近于CD-DA的质量。MPEG-2的图像分辨 率 为 720×480×30（NTSC 制 ） 或720×576×25（PAL制），是家用视频制式（VHS）录像带分辨率的两倍。MPEG-2的音频编码可提供左、右、中及两个环绕声道，以及一个加重低音声道和多达七个伴音声道（这就是DVD可有8种语言配音的原因）。由于在设计时进行了巧妙处理，MPEG-2可与MPEG-1兼容，大多数MPEG-2解码器可以播放MPEG-1格式的数据，如VCD。除了作为DVD的指定标准外，MPEG-2还可用于广播、有线电视网、电缆网络以及多级多点直播（Direct Broadcast Satellite）的广播级的数字视频传输。此外，MPEG-2还有一个重要的特点，即其可提供一个较广的压缩比改变范围，以适应不同的画面质量、存储容量，以及带宽的要求。对于最终用户来说，由于受到现有电视机分辨率的限制，MPEG-2所带来的高清晰度画面（如DVD画面）在电视上的效果并不突出，但MPEG-2的音频特性（如加重低音，多伴音声道等）却十分引人注目。MPEG-2的画面质量最好，但占用的带宽也非常大，在4M～15M之间，不大适合远程传输。

（4）MPEG-4

如果说，MPEG-1“文件小，但质量差”，而MPEG-2则“质量好，但更占空间”的话，那么MPEG-4则很好地结合了两者的优点。MPEG-4于1998年10月定案，在1999年1月成为国际性标准；随后为扩展用途又进行了第二版的开发，于1999年底结束。MPEG-4是超低码率运动图像和语言的压缩标准，它不仅着眼于一定比特率下的视频、音频编码，而且更加注重提高多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4标准主要应用于视像电话（Video Phone）、视像电子邮件（Video E-mail）和电子新闻（Electronic News）等，其传输速率要求较低，在4800bits/sec～64kbits/sec之间，分辨率为176×144。MPEG-4的核心是在很窄的带宽上，运用帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。与MPEG-1和MPEG-2不同，MPEG-4为多媒体数据压缩提供了可能。它所定义的是一种格式、一种架构，而不是具体的算法。它可以充分地引入各种各样的多媒体技术，包括压缩本身的一些工具、算法，也包括图像合成、语音合成等技术。MPEG-4的一大特点是其更适合于交互AV服务以及远程监控——MPEG-4是第一个令使用者由被动变为主动（不再只是观看，而是被允许加入其中，即获得交互性体验）的动态图像标准；其另一个特点是其综合性——从根源上说，MPEG-4试图实现自然物体与人造物体的融合（视觉效果意义上）。更广的适应性和可扩展性也是MPEG-4的设计目标之一。MPEG-4标准信号的占用带宽可调（与图像的清晰度成正比），以目前的技术，一般占用带宽大致在几百kbps左右。

（5）H.264视频编码标准

H.264视频编码标准是专为中高质量运动图像压缩所设计的低码率图像压缩标准。H.264采用运动视频编码中常见的编码方法，将编码过程分为帧内编码、帧间编码两个部分。在帧内采用改进的DCT变换并量化；在帧间采用1/2像素运动矢量预测补偿技术，使运动补偿更加精确；量化后使用改进的变长编码表（VLC）的量化数据进行熵编码，得到最终的编码系数。H.264标准压缩率较高，CIF格式全实时模式下单路占用带宽一般在几百kbps左右，具体占用带宽大小因画面运动量多少而有所不同。H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍；缺点是画面质量相对而言略差一些，带宽占用量会随画面运动复杂度的变化而大幅度波动。

5 录像与回放情况的比较

以采用PAL制式，符合中国现行电视系统制式的系统为例，在摄像头所需的标准照度下，闭路监视系统的图像质量和系统技术指标应符合下列要求：

◆ 传输系统是图像信号、控制信号的通道，一般要以保证图像的实时性、清晰度为首要任务，通常采用模拟形式，选用SYV75-5同轴电缆进行传输，采集速度为25帧/秒；

◆ 图像质量按“图像损伤主观评价”标准评定不低于4级；

◆ 视频信号输出幅度为1VP-P，±3dB，信噪比大于50 dB，灰度高于8级；

◆ 电视监控系统彩色图像的水平分辨率大于480线，图像画面的灰度高于8级；

◆ 图像显示最大分辨率为768×567×24bit（PAL 制）。

对于这种系统的以上要求，本文所述的5种通用的压缩存储格式基本上都能满足。

6 结束语

目前，在一般需求下使用最多的压缩格式就是MPEG-4和H.264，所以目前各种硬盘录像机使用最多的标准化存储形式也就是这两种。在本文所述5种较为通用的格式中，MPEG-2一般不作为安防视频系统的存储格式使用，JPEG和MPEG-1在早期的一些小型系统中曾经使用过，现在也已不再使用。

比较完整的视频监控系统，一定是相关硬件和软件有机的结合，它的组成必须包括下面几个方面的内容：图像采集、数字化处理、数据压缩处理、数据编码处理、数据网络传输处理、数据解码处理、数据解压缩处理、图像显示、图像数据存取。对于需要长期保留的关键资料，硬盘存储不是长久之计，定期将其提取出来，刻录成永久资料保存较为稳妥；对于其他没有长期保留价值的资料，允许系统对其顺序存储、自然丢失。