帧率、码流与分辨率

帧率分辨率码流的关系以及DVR硬盘容量计算方法

 

1、 帧率、码流与分辨率

帧率是每秒图像的数量，分辨率表示每幅图像的尺寸即像素数量，码流是经过视频压缩后每秒产生的数据量，而压缩是去掉图像的空间冗余和视频的时间冗余，所以，对于静止的场景，可以用很低的码流获得较好的图像质量，而对于剧烈运动的场景，可能用很高的码流也达不到好的图像质量，所以结论是设置帧率表示您要的实时性，设置分辨率是您要看的图像尺寸大小，而码率的设置取决于摄像机及场景的情况，通过现场调试，直到取得一个可以接受的图像质量，就可以确定码流大小。

1.1  帧率概念

一帧就是一副静止的画面，连续的帧就形成动画，如电视图象等。我们通常说帧数，简单地说，就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用fps（Frames Per Second）表示。每一帧都是静止的图象，快速连续地显示帧便形成了运动的假象。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。每秒钟帧数 (fps) 愈多，所显示的动作就会愈流畅。

 1.2  码流概念

码流（Data Rate），是指视频文件在单位时间内使用的数据流量，也叫码率，是他是视频编码中画面质量控制中最重要的部分。同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。

 1.3 分辨率概念

视频分辨率是指视频成像产品所成图像的大小或尺寸。常见的视像分辨率有352×288，176×144，640×480，1024×768。在成像的两组数字中，前者为图片长度，后者为图片的宽度，两者相乘得出的是图片的像素，长宽比一般为4：3。

 

同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。 

在PAL制情况下：

CIF 352×288的分辨率，建议码流设置为512kbps，用0.5M的带宽传输

4CIF 704×576的分辨率，建议码流设置为2048kbps，用2M的带宽传输，但是使用1536bps也可。

 第一步：根据式（1）计算单个通道每小时所需要的存储容量S1 , 单位MByte。

                         S1=D / 8 * 3600 / 1024 

其中：D－ 码率（即录像设置中的“位率/位率上限”），单位Kbit/s。

      D / 8为字节数。

 第二步：确定录像时间要求后，根据式（2）计算单个通道所需要的存储容量S2, 单位MByte

                    S2=S1 * 24 * t

其中：t为保存天数 24表示一天24小时录像

 第二步：确定视频通道数 计算最终所需容量S3

S3=S2 *N

其中：N为视频通道数

2   DVR硬盘容量计算

硬盘容量计算，很多工程商和销售人员都不是很清楚，我个人做监控行业4年多了，一直是做技术支持，接到诸如“我有个项目16个点要24小时录像5天需要多大的硬盘”，“我有个项目12个点要24小时录像15天需要多大的硬盘”？等等此问题已经N遍了，今天在此以我的经验列个小公式供大家计算使用，不足之处还请指点。

1） MJPEG

MJPEG （Motion JPEG）压缩技术标准源于JPEG图片压缩技术，是一种简单的帧内JPEG压缩，它对视频的每一帧进行压缩，压缩比率较小，数量大，通常每路每小时325X288分辨率录像需要硬盘空间1G左右。

2） 小波算法

小波算法是基于小波变换的视频压缩，该技术是使图像信号的时域分辨率和频域分辨率同时达到最高,g+c手机。内核是采用行进中压缩和解压缩方式，视频中帧与帧之间没有相关性，以352X288录像，每路每小时一般为350M左右

3） MPEG-4

MPEG-4标准是面向对象的压缩方式，不是像MPEG-1和MPEG-2简单地将图像分为一些像块，而是根据图像内容,JOYS PC手机加电脑，将其中的对象（物体、人物、背景）分离出来分别进行帧内、帧间编码压缩，并允许在不同的对象之间灵活分配码率，对重要的对象分配较多的字节，对次要的对象分配较少的字节，从而大大提高了压缩比，使其在较低的码率下获得较好的效果。MPEG-4的传输速率为4.8~64kbit/s，使用时占用的存储空间比较小，以352X288录像，每路每小时一般为120M左右。

4） H.264

这种压缩模式和MPEG-4基本一致，所以计算的时候大家可以按照MPEG-4的容量进行计算。

其容量计算公式G=H*N*T*X/1024

其中G就是最后算出的硬盘的容量

H代表每天要录像几个小时

T代表想录像的天数

X代表上面的4种压缩模式

举例说明，某小区用小波算法的压缩卡来做监控，主机12路，要求24小时录像15天，需要多大的硬盘容量？

根据公式我们的到H=24,
                N=12
                X=350M
                T=15

最后得到G=24*12*350*15/1024=1476.5G

这样就是最后硬盘的容量大小了。

<!--[if !supportLists]-->3         <!--[endif]-->CIF Common Intermediate Format）

3.1 CIF简介

QCIF全称Quarter common intermediate format。QCIF是常用的标准化图像格式。在H.323协议簇中，规定了视频采集设备的标准采集分辨率。QCIF = 176×144像素。

CIF是常用的标准化图像格式（Common Intermediate Format）。在H.323协议簇中，规定了视频采集设备的标准采集分辨率。CIF = 352×288像素 。

CIF格式具有如下特性： 

(1) 电视图像的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System，VHS)的分辨率，即352×288。

(2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 

(3) 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30 000/1001≈29.97幅/秒。

(4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288线。 

(5) 对亮度和两个色差信号(Y、Cb和Cr)分量分别进行编码，它们的取值范围同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。

下表为5种CIF 图像格式的参数说明。

图像格式	亮度取样的像素个数（dx）	亮度取样的行数（dy）	色度取样的像素个数 （dx/2）	色度取样的行数(dy/2)
sub-QCIF	128	96	64	48
QCIF	352	288	88	72
CIF	704	576	176	144
4CIF	704	576	352	288
164CIF	1408	1152	704	576

目前监控行业中主要使用Qcif（176×144）、CIF（352×288）、HALF D1（704×288）、D1（704×576）等几种分辨率，CIF录像分辨率是主流分辨率，绝大部分产品都采用CIF分辨率。

目前市场接受CIF分辨率，主要理由有四点：

1、目前数码监控要求视频码流不能太高；

2、视频传输带宽也有限制；

3、使用HALF D1、D1分辨率可以提高清晰度，满足高质量的要求，但是以高码流为代价的。在现阶段，出现了众多D1的产品，但市场份额非常小；

4、采用CIF分辨率，信噪比在32db以上，一般用户是可以接受的，但不是理想的视频图像质量。目前业内人士正在尝试用HALF D1来寻求CIF、D1之间的平衡。但随着单块硬盘的容量达到750GB甚至1000GB，而国内的大部分DVR已经可以做到连接8块1000GB的硬盘，故D1逐渐会变成时常的主流。

3.2  DCIF分辨率

 经过研究发现一种更为有效的监控视频编码分辨率（DCIF），其像素为528×384。DCIF分辨率的是视频图像来历是将奇、偶两个HALF D1，经反隔行变换，组成一个D1（720*576），D1作边界处理，变成4CIF（704×576），4CIF经水平3/4缩小、垂直2/3缩小，转换成528×384。528×384的像素数正好是CIF像素数的两倍，为了与常说的2CIF（704*288）区分，我们称之为DOUBLE CIF，简称DCIF。显然，DCIF在水平和垂直两个方向上，比Half D1更加均衡。

<!--[if !supportLists]-->²  <!--[endif]-->为什么选用DCIF分辨率？

 数字化监控行业对数字监控产品提出两项要求：首先要求数据量低，保证系统能够长时间录像和稳定实时的网络传输；其次要求回放图像清晰度高，满足对细节的要求。而DCIF分辨率在目前的软硬件平台上，能很好的满足以上两项要求。 

Half D1分辨率已被部分产品采用，用来解决CIF清晰度不够高和D1存储量高、价格高昂的缺点。但由于他相对于CIF只是水平分辨率的提升，图像质量提高不是特别明显，但码流增加很大。

经过对大量视频信号进行测试，基于目前的视频压缩算法，DCIF分辨率比Half D1能更好解决CIF清晰度不够高和D1存储量高、价格高昂的缺点，用来解决CIF和4CIF，特别是在512Kbps码率之间，能获得稳定的高质量图像，满足用户对较高图像质量的要求，为视频编码提供更好的选择。CIF清晰度不够高和D1存储量高、价格高昂的缺点分辨率，静态回放分辨率理论上最高可达360TVline的图像质量，超过模拟监控中标准VHS磁带录像机280TVline的图像水平，达到公安部安防行业视频标准二级和三级项目的清晰度要求，满足绝大部分视频监控的要求。

<!--[if !supportLists]-->²  <!--[endif]-->什么是D1？ 

做闭路电视监控系统这一行久了，大家都以为D1是硬盘录像机显示、录像、回放的分辨率，实际上不是的，D1是数字电视系统显示格式的标准，共分为以下5种规格： 

D1：480i格式（525i）：720×480（水平480线，隔行扫描），和NTSC模拟电视清晰度相同，行频为15.25kHz，相当于我们所说的4CIF（720×576）

D2：480P格式（525p）：720×480（水平480线，逐行扫描），较D1隔行扫描要清晰不少，和逐行扫描DVD规格相同，行频为31.5kHz 

D3：1080i格式（1125i）：1920×1080（水平1080线，隔行扫描），高清放松采用最多的一种分辨率，分辨率为1920×1080i/60Hz，行频为33.75kHz

D4：720p格式（750p）：1280×720（水平720线，逐行扫描），虽然分辨率较D3要低，但是因为逐行扫描，市面上更多人感觉相对于1080I（实际逐次540线）视觉效果更加清晰。不过个人感觉来说，在最大分辨率达到1920×1080的情况下，D3要比D4感觉更加清晰，尤其是文字表现力上，分辨率为1280×720p/60Hz，行频为45kHz 
D5：1080p格式（1125p）：1920×1080（水平1080线，逐行扫描），目前民用高清视频的最高标准，分辨率为1920×1080P/60Hz,行频为67.5KHZ。

其中D1 和D2标准是我们一般模拟电视的最高标准，并不能称的上高清晰，D3的1080i标准是高清晰电视的基本标准，它可以兼容720p格式，而D5的1080P只是专业上的标准，并不是民用级别的，上面所给出的60HZ只是理想状态下的场频，而它的行频为67.5KHZ，目前还没有如此高行频的电视问世，实际在专业领域里1080P的场频只有24HZ，25HZ和30HZ。

需要指出的一点是，D端子是日本独有的特殊接口，国内电视几乎没有带这种接口的，最多的是色差接口，而色差接口最多支持到D4，理论上肯定没有HDMI（纯数字信号，支持到1080P)的最高清晰度高，但在1920：1080以下分辨率的电视机上，一般也没有很大差别。

国内主流的硬盘录像机（DVR，Digital Video Recording）采用什么分辨率？怎样计算硬盘容量？ 
国内主流的硬盘录像机采用两种分辨率：CIF和4CIF（D1），分为两种型号。

硬盘录像机常见的路数有1路、2路、4路、8路、9路、12路和16路。最大可以连接8块2000GB的硬盘，总容量可高达1.6TV（可续目前市面上最大的硬盘只有1000GB），如果采用CIF分辨率，通常计算硬盘录像机的录像的 硬盘容量为180MB~250MB/小时，通常情况下取值200MB/小时；如果是D1的分辨率每小时录像需要的硬盘容量为720MB~1000MB/小时，通常情况下为了减少硬盘的容量可以按照500MB/小时计算，帧率智能设置比25fps少一些，码流也要少一些！相信大家可以计算出一台装满8块500GB的16路硬盘录像机可以录像多长时间了吧？

：每小时每个通道所占硬盘空间计算公式：[视频码率（128-2048）/8*3600]/1024 

 例如：若码率设置为512K，那么每个小时每个视频通道所占硬盘空间如下： 

 [512/8*3600]/1024=225MB 

B：每天每个通道所占空间[GB]：A*24 

 例如：若码率设置为512K，那么每个小时每个视频通道每天所占硬盘空间如下： 

 [225MB*24]/1024=5.2734G 

C：16路硬盘录像机一天所占空间：B*16 

 例如:按16路的硬盘录像机设录像码流为固定512K时,一天所占的空间如下: 

 16*5.2734G=84.3744GB 

 若按500G一个硬盘，录像资料需要存贮60天计算，侧需要如下几个硬盘： 

   [60*84.3744GB]/[500*0.90]=11.3个 

   注：1.在以上计算中，[500*0.90]的意思是取硬盘的实际可应用到的空间容量，我们平时所说  的硬盘大小实际是指它的物理大小[相当于房子的建筑面积]，在应用中由于硬盘分区、  数据临时交换占去一小部分空间，因此在实际应用中我们通常取它90%作为实际可用空间  比较科学。 

 2、在对录像画质要求不高的场所，一般设定的码流设置为固定码流256K，那么每个小时每个  视频通道所占的硬盘空间为113MB。 

 3、在对录像画质要求比较高的场所码流通常设置为固定码流在512K以上（D1画质一般需要  2048K左右），也可以在DVR中设置为可变码流，当设置为可变码流时，主机会根据每一  个通道当时的画面运动情况自动调节码流，以达到录像的最佳效果，这时录像占用空间  就比较难预算一个精确值。 

 4、往往我们的客户都希望保存的录像画质不能太差，又想所占的硬盘空间比较小，在这我们  可以在主机中设置为可变码流，同时再设一个码流的上限值。

4 视频监控存储空间大小与传输带宽计算方法

在视频监控系统中，对存储空间容量的大小需求是与画面质量的高低、及视频线路等都有很大关系。下面对视频存储空间大小与传输带宽的之间的计算方法做以介绍。

比特率是指每秒传送的比特(bit)数。单位为bps(BitPerSecond)，比特率越高，传送的数据越大。比特率表示经过编码(压缩)后的音、视频数据每秒钟需要用多少个比特来表示，而比特就是二进制里面最小的单位，要么是0，要么是1。比特率与音、视频压缩的关系，简单的说就是比特率越高，音、视频的质量就越好，但编码后的文件就越大;如果比特率越少则情况刚好相反。

    码流(DataRate)是指视频文件在单位时间内使用的数据流量，也叫码率，是视频编码中画面质量控制中最重要的部分。同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。

    上行带宽就是本地上传信息到网络上的带宽。上行速率是指用户电脑向网络发送信息时的数据传输速率，比如用FTP上传文件到网上去，影响上传速度的就是“上行速率”。

    下行带宽就是从网络上下载信息的带宽。下行速率是指用户电脑从网络下载信息时的数据传输速率，比如从FTP服务器上文件下载到用户电脑，影响下传速度的就是“下行速率”。

不同的格式的比特率和码流的大小定义表：

    传输带宽计算：

    比特率大小×摄像机的路数=网络带宽至少大小;

    注：监控点的带宽是要求上行的最小限度带宽(监控点将视频信息上传到监控中心);监控中心的带宽是要求下行的最小限度带宽(将监控点的视频信息下载到监控中心);例：电信2Mbps的ADSL宽带，理论上其上行带宽是512kbps=64kb/s，其下行带宽是2Mbps=256kb/s

    例：监控分布在5个不同的地方，各地方的摄像机的路数：n=10(20路)1个监控中心，远程监看及存储视频信息，存储时间为30天。不同视频格式的带宽及存储空间大小计算如下：

    地方监控点：

    CIF视频格式每路摄像头的比特率为512Kbps，即每路摄像头所需的数据传输带宽为512Kbps，10路摄像机所需的数据传输带宽为：

    512Kbps(视频格式的比特率)×10(摄像机的路数)≈5120Kbps=5Mbps(上行带宽)

    即：采用CIF视频格式各地方监控所需的网络上行带宽至少为5Mbps;

    D1视频格式每路摄像头的比特率为1.5Mbps，即每路摄像头所需的数据传输带宽为1.5Mbps，10路摄像机所需的数据传输带宽为：

    1.5Mbps(视频格式的比特率)×10(摄像机的路数)=15Mbps(上行带宽)

    即：采用D1视频格式各地方监控所需的网络上行带宽至少为15Mbps;

    720P(100万像素)的视频格式每路摄像头的比特率为2Mbps，即每路摄像头所需的数据传输带宽为2Mbps，10路摄像机所需的数据传输带宽为：

    2Mbps(视频格式的比特率)×10(摄像机的路数)=20Mbps(上行带宽)

    即：采用720P的视频格式各地方监控所需的网络上行带宽至少为20Mbps;

    1080P(200万像素)的视频格式每路摄像头的比特率为4Mbps，即每路摄像头所需的数据传输带宽为4Mbps，10路摄像机所需的数据传输带宽为：

    4Mbps(视频格式的比特率)×10(摄像机的路数)=40Mbps(上行带宽)

    即：采用1080P的视频格式各地方监控所需的网络上行带宽至少为40Mbps

监控中心：

    CIF视频格式的所需带宽：

    512Kbps(视频格式的比特率)×50(监控点的摄像机的总路数之和)=25600Kbps=25Mbps(下行带宽)

    即：采用CIF视频格式监控中心所需的网络下行带宽至少25Mbps

    D1视频格式的所需带宽：

    1.5Mbps(视频格式的比特率)×50(监控点的摄像机的总路数之和)=75Mbps(下行带宽)

    即：采用D1视频格式监控中心所需的网络下行带宽至少75Mbps

    720P(100万像素)的视频格式的所需带宽：

    2Mbps(视频格式的比特率)×50(监控点的摄像机的总路数之和)=100Mbps(下行带宽)

    即：采用720P的视频格式监控中心所需的网络下行带宽至少100Mbps

    1080P(200万像素)的视频格式的所需带宽：

    4Mbps(视频格式的比特率)×50(监控点的摄像机的总路数之和)=200Mbps(下行带宽)

    即：采用1080P的视频格式监控中心所需的网络下行带宽至少200Mbps

    存储空间计算：

    码流大小(单位：kb/s;即：比特率÷8)×3600(单位：秒;1小时的秒数)×24(单位：小时;一天的时间长)×30(保存的天数)×50(监控点要保存摄像机录像的总数)÷0.9(磁盘格式化的损失10%空间)=所需存储空间的大小(注：存储单位换算1TB=1024GB;1GB=1024MB;1MB=1024KB)

    50路存储30天的CIF视频格式录像信息的存储空间所需大小为：

    64×3600×24×30×50÷0.9=8789.1GB≈9TB

    50路存储30天的D1视频格式录像信息的存储空间所需大小为：

    192×3600×24×30×50÷0.9=26367.2GB≈26TB

    50路存储30天的720P(100万像素)视频格式录像信息的存储空间所需大小为：

    256×3600×24×30×50÷0.9=35156.3GB≈35TB

    50路存储30天的1080P(200万像素)视频格式录像信息的存储空间所需大小为：

 

    512×3600×24×30×50÷0.9=70312.5GB≈69TB