本課程涉及內容圖像傳感器原理光學成像原理電視原理數字視頻壓縮原理黑白、彩色攝像機攝像鏡頭電動云臺及控制器監控系統主機監控中心的其他設備監控系統的輔助設備視音頻信號的傳輸與控制電視監控系統的構成基于網絡的電視監控系統1第5章數字視頻壓縮原理電視監控系統中涉及到的主要信息就是視頻信息，隨著數字化、網絡化時代的到來，電視監控系統中視頻信號的傳輸及存儲也越來越多地采用了數字技術。然而，數字視頻的原始數據量是很大的，這就意味著，在保證一定圖像質量的前提下，數字視頻信號在傳輸及存儲過程中必須進行壓縮處理

。25.1視頻信號的數字化黑灰白25503（1）掃描：將二維平面圖像轉換為一維電信號表示。（2）取樣：把隨時間連續變化的模擬信號變成時間軸上不連續的離散信號，這個過程實際上是在每一條水平掃描線上等間隔地抽取視頻圖像某些特定像素點的屬性值。

（3）量化：把每個像素的亮度（灰度）值轉換為有限個離散值。

（4）編碼：按照一定的規律，將量化后的值用數字表示，然后變換成二進制或其他進制的數字信號。

視頻信號數字化的過程4取樣時間1ms1-100.5-0.5時間1ms1-100.5-0.50

-fmax

fmaxfmax

-fa

取樣后輸入信號的頻譜f重疊頻譜段0

-fmax

fmaxfmax取樣前輸入信號的頻譜為避免頻帶重疊所需的抗混疊濾波器的頻譜響應f

fa

5量化取樣取樣電平量化電平時間幅度時間1ms1-100.5-0.5時間1ms1-100.5-0.56編碼時間幅度118比特碼2比特碼1001001111111100000000共256個值通過取樣、量化和二進制編碼所形成的信號稱為脈沖編碼調制（PCM，PulseCodeModulation）信號7數字視頻國際標準

ITU-R601標準作為數字演播室的國際標準。該標準采用了分量編碼技術，其中亮度信號Y的取樣頻率為13.5MHz，兩個色差信號R-Y和B-Y的取樣頻率都取為6.75MHz，由此根據每一掃描行的樣值數比例形成了720:360:360的取樣結構，簡記作4:2:2格式。近年來，由于圖像處理技術有了進一步的發展，而數字視頻存儲的需求則是越小越好，因而在某些新型錄像機中又提出了采用了4:1:1或4:2:0的取樣格式來進一步降低數字視頻碼率的方法。8現行電視系統掃描格式625/50/2:1。場周期為20ms，而場正程時間為18.4ms，因此每場/幀的有效掃描行數應為每場/幀總掃描行數的18.4/20=0.92，由此得出場正程期間的有效掃描行數為625(行)/2(場)×0.92=287.5行/場，取整數為288行/場，相當于576行/幀。考慮到電視畫面的寬高比為4:3，可以算出每個掃描行的像素數應為576×4/3=768個，于是得到數字化后每幀圖像的有效像素數應為768×576=442368個像素。如果將每個像素的顏色按紅、綠、藍三基色進行分解，并將分解后的色成分也即按8bit進行量化，則要描述每一像素的屬性就需要用3×8=24bit來表示。由此推算出一幀圖像需要用442368×24=10616832bit來表示，而每秒25幀則需要10616832×25≈2.65×108bit，這一數字按傳輸速率來說即為265Mb/s，若按存儲容量來說則相當于33.2MB/s（8bit=1Byte），數據量大得驚人

5.2數字視頻的帶寬及壓縮

9壓縮分無損壓縮和有損壓縮兩大類。

無損壓縮：在進行數據壓縮的過程中不丟棄任何有用信息，在數據還原時可使還原出的數據與未經壓縮的原始數據完全相同。

有損壓縮：在壓縮過程中丟棄了一些不太重要的有用信息，因而還原后的數據與原始數據有所差別。但是對于視頻圖像及聲音來說，由于人眼、耳的分辨力有限，通常難以察覺到那些因壓縮而被丟棄的信息，因此，只要有用信息損失得不多，在數據還原時就仍可以保證較高的信號質量，而此時的壓縮比卻可以做得很高。105.3幾種常用的壓縮編碼方法

1．預測編碼

差分脈沖編碼調制（DPCM）是一種預測編碼技術，其原理是基于圖像信號冗余度高的事實，當前的像素值可用與它鄰近的像素值預測獲得。在預測編碼中，不直接傳送像素樣值本身，而是對實際樣值與它的一個預測值之間的差值進行量化、編碼再傳送，以達到很大的壓縮比。這個差值稱為預測誤差，預測誤差被量化后再編碼的方式叫做DPCM，它是預測編碼中最重要的一種編碼方法。在視頻序列編碼中，主要用運動補償幀間預測進行時間軸冗余度的壓縮。由于電視信號的相關性很強，即鄰近像素的樣值很接近，所以預測有較高的準確性。

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2．統計編碼（熵編碼）根據信息概率分布的特點，通過合理分配比特數使信息的出現概率與字長相匹配，從而達到減小平均字長的目的。例如，某些符號發送的概率比另一些符號的概率大得多，那么對概率大的符號就賦予短的碼字，而對概率小的符號則賦予長的碼字，這樣就有效地減小了平均碼字長，從而降低傳輸時的平均碼率。這種基于不同概率的消息有不同長度的碼字，稱為可變長碼字。由于設計碼字時是基于不同信息概率統計發生，所以這種編碼方法也稱為統計編碼。熵編碼的目的是為了降低平均字長，以達到壓縮碼率的目的。在熵編碼過程中保持信息的熵值不變，因此也稱為熵保持編碼或無損傷編碼

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3．變換編碼

將在空間域描寫的圖像信號變換到一個正交的變換域（正交的向量空間）進行描寫。如果所選的正交向量空間的基準向量與圖像本身的特征向量很接近，那么同一信號在這種變換域內的描寫就簡單得多。空間域的一個N×N個像素組成的像塊經過正交變換后，在變換域變成了同樣N×N的變換系數塊。變換前后的明顯差別是，在空間域像素塊中的像素之間存在著很強的相關性，能量分布比較均勻；經過正交變換后，變換系數近似統計獨立，基本去除了相關性，能量集中在直流和少數低頻系數上，去除了相關性，降低了冗余度。在變換域內再進行濾波、量化（與視覺特性匹配）及統計編碼，即可實現有效的碼率壓縮。

135.4數字視頻壓縮國際標準

自20世紀80年代后期，國際電信聯盟（ITU）、國際電工委員會（IEC）和國際標準化組織（ISO）針對靜止圖像及活動圖像的諸多不同應用場合、傳輸速率、圖像分辨率和圖像質量，先后制定了如JPEG、H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等一系列數字視頻壓縮標準，極大地推動了數字視頻