IP网络监控最新技术―JPEG2000

作为第三代监控技术的IP网络监控始于2001 年。虽然DVR 实现了通过网络浏览视频的功能，但它不能通过网络来收集图像。IP 网络监控于2002年开始快速发展，市场已从初期的萌芽状态高迅增长，这与八年前DVR 的发展情况相似。作为1995年推出了世界上首台IP 摄像机的 Axis公司市场和公关经理Lawrence de Guzman表示，“我们希望用户能直接升级到 IP 监控，而不需要经过数字化这一阶段。” “我们认为数字产品的份额在2008年之前将增加到 30-50％。在未来4年中，越来越多的模拟系统将很彻底地转换为 IP 系统。”

之所以网络监控成为最新的监控技术和越来越受欢迎，主要是基于计算机网络技术的飞速发展，使传统的监控技术与IT技术相结合，给视频监控带来前所未有的变革，它利用现有的局域网或互联网建立监控系统，可以任意增加或减小监控系统的规模，可以远程实时浏览监控图像，加入移动侦测和报警联动，远程管理、记录事件，并存储监控现场的音视频数据，只需要IP摄像机和NVR网络录像机等设备就可以取代模拟监控等视频分配、转换、矩阵等笨重设备。

网络摄像机、视频服务器、NVR网络录像机是网络监控产品的主要部分，这其中视频图像的技术又成为关键。由于现存多种视频压缩技术，国际上对网络监控产品没有统一的标准，这就造成网络监控产品的不通用性，每个制造商推出的网络监控产品百花齐放，且各有优势，为用户提供了很大的选择空间。目前常用的视频压缩技术有：JPEG 、M-JPEG、JPEG2000（Wavelet Transform小波变换）、H.263、MPEG-4、H.264等。大本份网络摄像机采用JPEG 或M-JPEG，及JPEG或M-JPEG并兼有MPEG-4。另一方面，如此多种类的压缩技术，让用户在选购网络监控产品时，产生了很多困惑，一是对专业技术了解少，无法分辨哪家产品技术好实用，二是有的用户要求网络传输达到实时，有的要求图像质量高，有的又要求后端存储系统容量足够大等不同需求，对于网络型产品而言，网络传输速率、图像质量和系统存储容量都与产品所用的压缩方式密切相关，三者又互相制约，因此很难做到三者同时达到最理想的状态，只能从三者中寻求一个平衡点，即用户本身真正实际的需求。这就需要用户在对网络监控产品的性价比、实现的功能及自己的实际需求相结合，权衡利弊选择满足最大利益的产品。

与欧美市场不同，中国CCTV IP摄像机主流的压缩格式是MPEG-4，部分高端产品使用M-JPEG格式。JPEG2000由于具有M-JPEG的一样的图像质量和MPEG-4的压缩率将成为未来的趋势，不过支持JPEG2000的控制板可能要到今年年底或明年年中才会面世，JPEG2000这个压缩格式是目前在压缩质量方面最好的。汤姆逊公司在今年中国国际广播电视BIRTV展会获得大奖的Infinity摄录一体机就实用了这种最新技术。

世界著名摄像机制造商Ikegami日本池上公司今年5月在欧美市场推出采用JPEG2000压缩格式的网络监控产品，网络监控摄像机IPD-Q01、网络视频服务器IEN-T01和NVR网络录像机INR-Q500。这种最新的网络监控产品将在10月的《2006年中国国际社会公共安全产品博览会》上亮相，并进入中国市场。

在查阅国内外大量资料后，我向大家介绍JPEG2000压缩技术和采用JPEG2000压缩格式的网络监控产品的性能。

一、JPEG2000标准的特点

JPEG 这个词大家都很不陌生，在互联网上及日常工作生活经常用的图片格式就是JPEG。JPEG 全名为 Joint Photographic Experts Group，它是一个在国际标准组织(ISO)下从事静态影像压缩标准制定的委员会。它制定出了第一套国标静态影像压缩标准：ISO 10918-1 就是JPEG。由于JPEG优良的品质，使得它在短短的几年内就获得极大的成功，目前网站上百分之八十的影像都是采用JPEG的压缩标准。然而，随著多媒体应用领域的激增，传统JPEG压缩技术已无法满足人们对多媒体影像资料的要求。因此，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态影像压缩技术 JPEG2000 就诞生了。

JPEG2000是国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）和国际电子技术联盟（International Electrotechnical Committee，IEC ）联合推出的新一代静态图像压缩标准，它是JEPG的升级版。从1997年3月开始征集技术方案，到2000年12月国际标准（ISO/IEC 15444-1）正式发布，JPEG2000的目标是建立一个能够适用于不同类型（二值图像、灰度图像、多分量图像等）、不同性质（自然图像、医学、遥感图像、绘制图形等）及不同成像模型（客户机/服务器、实时传送、图像图书检索等）的统一图像编码系统。

JPEG2000作为一种图像压缩格式，算法是其核心。JPEG 2000之所以相对于JPEG标准(ISO 10918-1)有了很大的技术飞跃，就是因为它放弃了 JPEG 所采用的以离散余弦变换算法为主的区块编码方式，而改用以离散小波变换算法为主的多解析编码方式。

离散余弦变换算法(Discrete Cosine Transform，DCT)是经典谱分析常采用的工具，它考察整个时域过程的频域特征或整个频域过程的时域特征，因此对于非平稳过程，这种算法显得力不从心。图像数据被压缩成正方形8×8的“像素信息模块”并按照一定顺序排列存储形成压缩文件，每一次压缩都需要舍弃若干频率信息，压缩得越多，舍弃的频率信息也越多，经过彻底压缩后的图像文件将只保留最为重要的数据信息，这样的压缩过程在图像细腻平滑程度方面必然有所损失。

离散小波变换算法(Discrete Wavelet Transform，DWT)是现代谱分析工具，在包括压缩在内的图像处理与图像分析领域正得到越来越广泛的应用。这种算法对于时域或频域的考察都采取局部的方式，所以对于非平稳过程也一样有效。小波在信号分析中对高频成分采用由粗到细渐进的时空域上的取样间隔，所以能够像自动调焦一样看清远近不同的景物，并放大任意细节，是构造图像多分辨率的有力工具。

JPEG2000标准可以说综合了图像方面所有的现代技术，其目标是把其作为在未来的千年中标准的静止图像压缩格式，它拥有以下几个方面的主要特点：

（1）压缩效率高，图像还原质量好。JPEG2000的图像压缩率可在JPEG基础上再提高30%，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。此外， JPEG标准在中高码率下还能提供比较好的率失真性能，但在低码率条件下，它提供的主观图像质量往往让人无法接受。JPEG2000在码率下降的同时率失真（Rate-Distortion）性能仍能保持最优，这是JPEG2000最重要的特点。也就是说，我们将JPEG图片换成以JPEG2000编码方式的图片，在同样的网络带宽下，我们的对于图片下载的等待时间将大大缩短。

（2）无损和有损压缩。在一个JPEG2000码流中，可以同时存在有损压缩和高性能的无损压缩数据，并且对图像的无损恢复可以利用渐进式解码自然得到。而JPEG 只能做到有损压缩，压缩后数据不能还原。因此JPEG2000保存了原始信息，即使在较小的图像文档尺寸的情况下，也不会有信息丢失。

（3）渐进传输，这是JPEG2000的重要特征之一。它在同一影像文件中融合不同质量级别的数据，这一特性允许图像重建根据目标设备的需求进行，从而在传输和带宽利用上具有更大的灵活性。也就是说，它先传输图像的大体轮廓，然后逐步传输其他数据，不断地提高图像质量。这样图像就由朦胧到清晰显示出来，从而节约、充分利用有限的带宽。而传统的JPEG无法做到这一点，只能是从上到下逐行显示。

（4）感兴趣区域压缩。 JPEG2000的另一个技术特点是提供一个能让用户控制的、可选择分辨率的影像数据，即ROI（Regions of Interest）技术。你可以指定感兴趣区域，在这些区域，你可以在压缩时指定特定的压缩质量，或在恢复时指定特定的解压缩要求。这是因为小波在空间和频率域上具有局域性，要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精确保留。

（5）基于内容的描述。JPEG2000允许在压缩的图像文件中包含对图像内容的说明，这是因为除了存储和传输之外，运行用户在一个大的数据库中迅速找到感兴趣的图像也是图像处理中一个非常重要的问题。

（6）JPEG2000在颜色处理上，具有更优秀的内涵。与JPEG相比，JPEG2000同样可以用来处理多达256个通道的信息。而JPEG仅局限于RGB数据。也就是说，JPEG2000可以用单一的文件格式来描述另外一种色彩模式，比如CMYK模式。

（7） JPEG2000使基于WEB方式多用途图简单化。JPEG2000图像文件在它从服务器下载到用户的WEB页面时，能平滑地提供一定数量的分辨率基准，WEB设计师们处理图像的任务就简单了。例如我们经常会看到一些提供图片欣赏的站点，在一个页面上用缩略图来代理较大的图像。浏览者只需点击该图