視頻監(jiān)控領(lǐng)域的視頻壓縮與數(shù)據(jù)流

關(guān)鍵詞： 視頻監(jiān)控 , 視頻壓縮 , 數(shù)據(jù)流

隨著人們安全意識的提高，視頻監(jiān)視系統(tǒng)日益普及，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)場、銀行、公共交通中心乃至私人住宅中。但傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)存在諸多問題，這促使人們希望轉(zhuǎn)而采用數(shù)字系統(tǒng)。

此外，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)體及視頻壓縮技術(shù)的日益推廣，新一代視頻監(jiān)視系統(tǒng)將無疑采用數(shù)字技術(shù)，并將實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，支持IP網(wǎng)絡(luò)。  

就因特網(wǎng)協(xié)議視頻監(jiān)視系統(tǒng)(VSIP)而言，處理網(wǎng)絡(luò)流量的硬件是攝像頭系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)橐曨l信號要通過攝像頭進(jìn)行數(shù)字化、壓縮處理，然后才傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器，從而解決網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制問題。DSP/GPP等異構(gòu)處理器架構(gòu)有助于最大化系統(tǒng)性能。視頻采集、存儲和視頻流都是中斷密集型(Interruptintensive)任務(wù)，我們可將其分配給GPP來處理，而高密度MIPS視頻壓縮工作則交給DSP去完成。數(shù)據(jù)傳輸給視頻服務(wù)器后，服務(wù)器將壓縮視頻流作為文件存儲在硬盤驅(qū)動器上，從而避免了像傳統(tǒng)模擬存儲設(shè)備那樣出現(xiàn)視頻質(zhì)量下降問題。我們針對數(shù)字視頻信號的壓縮技術(shù)開發(fā)了多種標(biāo)準(zhǔn)，可分為以下兩大類：  

運(yùn)動估算(ME)法：每N幀為一個(gè)圖像組(GOP)。我們對圖像組中的第一幀進(jìn)行獨(dú)立編碼，而對其它(N-1)幀來說，我們只將當(dāng)前幀與其前面已編碼的幀（即前向參考幀）的時(shí)差加以編碼。常用的標(biāo)準(zhǔn)為MPEG-2、MPEG-4、H.263及H.264。  

靜態(tài)影像壓縮法：每個(gè)視頻幀作為靜態(tài)影像獨(dú)立編碼。最常用的標(biāo)準(zhǔn)為JPEG。MJPEG標(biāo)準(zhǔn)采用JPEG算法對每個(gè)幀進(jìn)行編碼。  

運(yùn)動估算法與靜態(tài)影像壓縮法的比較

圖1：H.264編碼器結(jié)構(gòu)圖  

圖1顯示了H.264編碼器的結(jié)構(gòu)圖，與其它ME視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)類似，H.264編碼器將輸入影像分為多個(gè)16x16像素的宏塊(MB)，然后逐塊處理。H.264編碼器包括正向路徑和重構(gòu)路徑。正向路徑將幀編碼為比特位；重構(gòu)路徑從編碼位中產(chǎn)生一個(gè)參考幀。下圖中的IDCT、IQ、ME和MC分別代表（反向）離散余弦變換、（反向）量化、運(yùn)動估算及運(yùn)動補(bǔ)償。  

在正向路徑中（從DCT至Q），每個(gè)宏塊(MB)均可以幀內(nèi)模式或幀間模式編碼。在幀間模式下，運(yùn)動估算(ME)模塊將參考MB位于前面已編碼的幀處；而在幀內(nèi)模式下，參考MB在當(dāng)前幀中由采樣形成。  

重構(gòu)路徑（從IQ至IDCT）的目的是確保編碼器和解碼器采用相同的參考幀生成影像。否則就會累積編碼器與解碼器間的誤差。

圖2：JPEG編碼器結(jié)構(gòu)圖  

圖2給出了JPEG編碼器結(jié)構(gòu)圖。該編碼器將輸入影像分為多個(gè)8x8像素的模塊，然后逐個(gè)處理。每個(gè)模塊首先通過DCT模塊，隨后量化器根據(jù)量化矩陣對DCT系數(shù)進(jìn)行取整。在此過程中，編碼質(zhì)量與壓縮比均可根據(jù)量化步驟調(diào)節(jié)。最后熵編碼器對量化器輸出進(jìn)行編碼，并生成JPEG影像。  

由于連續(xù)視頻幀通常包括大量相關(guān)信息，因此ME方法可實(shí)現(xiàn)更高的壓縮比。舉例來說，就每秒30幀的標(biāo)準(zhǔn)NTSC分辨率而言，H.264編碼器能以2mbps的速度進(jìn)行視頻編碼，從而實(shí)現(xiàn)了平均壓縮比高達(dá)60:1的影像質(zhì)量。在影像質(zhì)量相同的情況下，MJPEG的壓縮比則為10:1至15:1。  

MJPEG相對于ME方法有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢。首先，JPEG需要的計(jì)算量和功耗相對大幅降低。此外，大多數(shù)PC都配置了JPEG影像專用的解碼及顯示軟件。如果記錄特定事件只需一幅或幾幅影像，比如人通過門口，那么MJPEG的效率會更高。如果網(wǎng)絡(luò)帶寬沒有保證，那么我們更傾向于采用MJPEG標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟硯膩G失或延遲不會影響其它幀。而對于ME方法來說，某幀的延遲或丟失會導(dǎo)致整個(gè)GOP的延遲或丟失，因?yàn)橹挥蝎@得前向參考幀(previousreferenceframe)才能對下一幀進(jìn)行解碼。  

許多VSIP攝像頭都有多個(gè)視頻編碼器，因此用戶可根據(jù)具體應(yīng)用要求選擇最合適的視頻編碼器。某些攝像頭甚至還能同時(shí)執(zhí)行多種編解碼器。MJPEG對VSIP攝像頭的要求通常是最低的，幾乎所有VSIP攝像頭都可安裝JPEG編碼器。  

MJPEG標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施  

在典型數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)中，視頻通過傳感器采集、壓縮，再以流媒體方式傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器中。新型DSP架構(gòu)上執(zhí)行的視頻編碼器任務(wù)如果發(fā)生中斷，就會出現(xiàn)問題，因?yàn)槊看苇h(huán)境轉(zhuǎn)換(contextswitch)都會導(dǎo)致大量寄存器存儲和高速緩存釋放。因此我們應(yīng)采用異構(gòu)架構(gòu)，這樣就能將DSP從視頻采集和流媒體任務(wù)中解脫出來。以下結(jié)構(gòu)圖顯示了視頻監(jiān)視應(yīng)用中的DSP/GPP處理器架構(gòu)實(shí)例。

圖3：視頻監(jiān)視應(yīng)用中的DSP/GPP處理器架構(gòu)實(shí)例