視頻優(yōu)化算法在農(nóng)技云平臺(tái)中的應(yīng)用

孫志國(guó)等

摘要：對(duì)農(nóng)技云平臺(tái)中采用的視頻優(yōu)化算法進(jìn)行了介紹，在視頻采集、處理、傳輸、呈現(xiàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用雙三次插值、視頻對(duì)象分割、去抖動(dòng)、降低幀率等多種視頻優(yōu)化算法可有效提高用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：視頻優(yōu)化算法；農(nóng)技云平臺(tái)；農(nóng)技推廣

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）09-0400-02

收稿日期：2013-12-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2011BAD21B01、2013BAD15B02）。

作者簡(jiǎn)介：孫志國(guó)（1978—），男，副研究員，從事用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)（UED）

、知識(shí)管理、社會(huì)性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（SNS）

研究。E-mail：sunzhiguo@caas.cn。

通信作者：王文生，博士，研究員，從事信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。E-mail：wangwsh@caas.cn。

目前，我國(guó)已擁有一支人數(shù)超70萬(wàn)人、覆蓋農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣隊(duì)伍。他們將農(nóng)業(yè)科技送到千家萬(wàn)戶，為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、建設(shè)新農(nóng)村作出了突出貢獻(xiàn)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所利用移動(dòng)互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術(shù)，從2010年開(kāi)始開(kāi)發(fā)基于3G網(wǎng)絡(luò)的基層農(nóng)技推廣信息化服務(wù)平臺(tái)，用移動(dòng)云終端武裝基層農(nóng)技推廣人員，創(chuàng)新農(nóng)技推廣服務(wù)手段，改變傳統(tǒng)的“一張嘴，兩條腿”的農(nóng)技推廣模式，為農(nóng)民提供高效便捷、簡(jiǎn)明直觀、雙向互動(dòng)的農(nóng)技推廣服務(wù)[1-6]。目前面向全國(guó)的農(nóng)技云服務(wù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)已經(jīng)基本完成，已在多個(gè)地方開(kāi)展了示范試驗(yàn)，示范效果良好，正在實(shí)施上線準(zhǔn)備工作。本研究對(duì)農(nóng)技云平臺(tái)中采用的視頻優(yōu)化算法進(jìn)行了介紹，旨在為創(chuàng)新農(nóng)技推廣服務(wù)手段提供依據(jù)。

1算法優(yōu)化需求

1.1提高低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻表現(xiàn)

信息化平臺(tái)開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)主要在以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上運(yùn)行，在低帶寬環(huán)境下，如果使用通常的視頻處理、傳輸技術(shù)將造成視頻傳輸不流暢、視頻傳輸延時(shí)等問(wèn)題，為了在3G等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下有良好的視頻表現(xiàn)，筆者綜合運(yùn)用了多種視頻優(yōu)化算法以提高用戶體驗(yàn)。

1.2努力降低視頻傳輸流量

在我國(guó)現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)流量資費(fèi)情況下，使用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程專家視頻咨詢、視頻課件播放所產(chǎn)生的費(fèi)用較高。我國(guó)現(xiàn)有的3家電信運(yùn)營(yíng)商的3G網(wǎng)絡(luò)流量資費(fèi)水平基本一致，比如聯(lián)通的80元1 GB上網(wǎng)套餐資費(fèi)在0.078元/MB，通常在線視頻播放6 h將使用完1 GB流量（按每秒消耗流量 50 kB 計(jì)算）。解決此類問(wèn)題的方法主要有視頻降幀、視頻分割、壓縮傳輸?shù)燃夹g(shù)的應(yīng)用及算法的選擇與優(yōu)化。

1.3提高視頻分辨率

在視頻診斷中，為了使專家能放大病蟲(chóng)害圖像方便觀察，同時(shí)提高低成本、低分辨率拍攝設(shè)備的分辨率，可以使用插值算法提高分辨率。

1.4消除拍攝抖動(dòng)對(duì)視頻圖像的影響

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)拍攝病蟲(chóng)害情況時(shí)，拍攝抖動(dòng)是不可避免的，易造成視頻序列模糊，導(dǎo)致專家無(wú)法看清病蟲(chóng)害發(fā)生情況，對(duì)診斷工作造成影響，可采用視頻去抖動(dòng)技術(shù)解決這一問(wèn)題。

2視頻優(yōu)化算法應(yīng)用

2.1插值算法

2.1.13種基本插值算法及優(yōu)缺點(diǎn)最近鄰插值算法是最簡(jiǎn)單的插值法，取距離待測(cè)樣點(diǎn)最近的1個(gè)相鄰點(diǎn)的灰度值作為待測(cè)樣點(diǎn)的像素值。雙線性插值算法是對(duì)最近鄰插值法的改進(jìn)，待測(cè)樣點(diǎn)由4個(gè)相鄰點(diǎn)的值通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算得出。雙三次插值算法是對(duì)雙線性插值的改進(jìn)，取待測(cè)樣點(diǎn)周圍的16 個(gè)像素點(diǎn)的灰度值作3次插值進(jìn)行計(jì)算。最近鄰插值算法計(jì)算量很小，運(yùn)算速度較快，但縮放質(zhì)量差，放大圖像不連續(xù)性明顯，縮小時(shí)圖像失真。雙線性插值算法計(jì)算量稍大，算法較為復(fù)雜，縮放后圖像質(zhì)量高。雙三次插值算法不僅考慮了直接鄰點(diǎn)灰度值對(duì)采樣點(diǎn)的影響，還考慮了鄰點(diǎn)間灰度值變化率的影響，因此所求得的待采樣點(diǎn)灰度值更為精確，但計(jì)算量最大，算法復(fù)雜，速度較慢。

2.1.2雙三次插值算法應(yīng)用本平臺(tái)在專家視頻會(huì)診模塊采用了雙三次插值算法，具體程序?qū)崿F(xiàn)代碼如下：

2.2降低幀率

幀率（frame rate）即每秒顯示幀數(shù)（frames per second，fps），高幀率可以得到更流暢、更逼真的畫(huà)面。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)視頻幀率<30 fps時(shí)，人可以感受到畫(huà)面不連續(xù)，將幀率提升至60 fps，可以明顯提升逼真感，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)幀率超過(guò)75 fps時(shí)，畫(huà)面流暢度提升不明顯。本系統(tǒng)的視頻畫(huà)面默認(rèn)使用30、25 fps 2種幀率，通過(guò)降低視頻傳輸?shù)膸剩梢源蠓档土髁?。在低帶寬環(huán)境下，為了保證聲音效果，本系統(tǒng)提供了一鍵降幀方案，將30 fps降為5 fps，配合壓縮傳輸算法，視頻通話即時(shí)流量可以從100 kB左右降到5 kB左右。

2.3視頻對(duì)象分割算法（video object segmentation algorithm）

視頻分割技術(shù)是在靜態(tài)圖像分割的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。靜止圖像的分割算法并不能直接應(yīng)用于高效的視頻分割，但是視頻分割算法可以借鑒圖像分割算法。MPEG-4代表了基于對(duì)象的第二代壓縮編碼技術(shù)，在視頻編碼發(fā)展史上，MPEG-4第一次把編碼對(duì)象從圖像幀拓展到具有實(shí)際意義的任意形狀視頻對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對(duì)象、內(nèi)容的現(xiàn)代編碼轉(zhuǎn)變。視頻對(duì)象分割是當(dāng)前視頻研究的難點(diǎn)。視頻對(duì)象分割步驟一般是通過(guò)低通濾波、中值濾波、形態(tài)濾波先對(duì)原始視頻進(jìn)行簡(jiǎn)化以利于分割，然后提取視頻數(shù)據(jù)的顏色、灰度、紋理、運(yùn)動(dòng)、區(qū)域、幀差、位移幀差等特征，再基于某種均勻性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定分割原則，根據(jù)所提取特征將視頻數(shù)據(jù)歸類，最后進(jìn)行相關(guān)后續(xù)處理，以實(shí)現(xiàn)濾除噪聲及準(zhǔn)確提取邊界。分割算法大致分為3種：基于空域信息的分割算法、基于時(shí)域信息的分割算法、基于時(shí)空聯(lián)合的分割算法?；跁r(shí)空聯(lián)合的分割算法就是同時(shí)利用視頻圖像在空間、時(shí)間軸上的信息進(jìn)行分割，是目前主流的分割算法。目前常見(jiàn)的視頻對(duì)象時(shí)空聯(lián)合分割算法包括閾值算法、分水嶺（watershed）算法等。本平臺(tái)研究試用了視頻分割算法，但因?qū)崟r(shí)性較差，還沒(méi)有大范圍應(yīng)用。endprint

2.4壓縮傳輸

在圖像編解碼效率上，H.264算法最為領(lǐng)先，MPEG-4、H.263算法基本相同，MPEG-2算法效率最低。高帶寬時(shí)，以上各種編碼算法提供的圖像質(zhì)量趨同。低帶寬（2M以下）時(shí)，采用H.264編解碼效率更高，但H.264編解碼對(duì)CPU處理能力的需求大幅度增加（相同帶寬下，H.264編解碼對(duì)CPU的占用率是H.263編解碼的6倍以上）。通過(guò)綜合研判，本平臺(tái)在低帶寬下采用H.264編碼，高帶寬下采用 H.263 編碼，保證了良好的視頻圖像效果。

2.5去抖動(dòng)算法（video stabilization algorithm）

視頻抖動(dòng)是指拍攝過(guò)程中由于攝像頭存在不一致的運(yùn)動(dòng)噪聲而造成視頻序列的抖動(dòng)、模糊。為了消除這些抖動(dòng)，本平臺(tái)引入了去抖動(dòng)算法，該算法主要包括3個(gè)功能模塊：運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊、抖動(dòng)識(shí)別模塊、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊。運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊的主要內(nèi)容是快速有效得到運(yùn)動(dòng)矢量，將活動(dòng)圖像分成若干塊，搜索出每個(gè)塊在鄰近幀圖像中的位置，計(jì)算出兩者之間空間位置的相對(duì)偏移量，這個(gè)相對(duì)偏移量就是通常所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)矢量。抖動(dòng)識(shí)別模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊計(jì)算的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行程序判斷，超過(guò)一定閾值便啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊通過(guò)運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)原始圖像幀進(jìn)行補(bǔ)償，由于每幀都不可避免地會(huì)引入一些誤差，如果不采取措施，隨著誤差的累積，后面圖像會(huì)出現(xiàn)瑕疵，計(jì)算幀間的累積誤差，如果該誤差超過(guò)一定的閾值，則將當(dāng)前幀設(shè)定為新的基準(zhǔn)幀，用于后續(xù)幀的校正補(bǔ)償。算法應(yīng)用技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

3結(jié)論

本研究介紹了農(nóng)技云平臺(tái)中的視頻類系統(tǒng)中采用的視頻優(yōu)化算法，在視頻采集、處理、傳輸、呈現(xiàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用各種視頻優(yōu)化算法，可有效提高視頻畫(huà)面效果，降低帶寬流量，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文生. 用現(xiàn)代信息技術(shù)突破農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新與推廣瓶頸[J]. 中國(guó)農(nóng)村科技，2012（7）：27-28.

[2]張亞迪，李釗，李俊山，等. 視頻對(duì)象分割技術(shù)研究[J]. 無(wú)線電工程，2008，38（10）：14-16，37.

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[5]宋利，周源華，周軍. 基于運(yùn)動(dòng)矢量的視頻去抖動(dòng)算法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（增刊）：63-66，72.

[6]符祥，郭寶龍. 圖像插值技術(shù)綜述[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009（1）：141-144，193.姚冠新，顧晴. 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和支持向量機(jī)的農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格短期預(yù)測(cè)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（9）：402-405.endprint

2.4壓縮傳輸

在圖像編解碼效率上，H.264算法最為領(lǐng)先，MPEG-4、H.263算法基本相同，MPEG-2算法效率最低。高帶寬時(shí)，以上各種編碼算法提供的圖像質(zhì)量趨同。低帶寬（2M以下）時(shí)，采用H.264編解碼效率更高，但H.264編解碼對(duì)CPU處理能力的需求大幅度增加（相同帶寬下，H.264編解碼對(duì)CPU的占用率是H.263編解碼的6倍以上）。通過(guò)綜合研判，本平臺(tái)在低帶寬下采用H.264編碼，高帶寬下采用 H.263 編碼，保證了良好的視頻圖像效果。

2.5去抖動(dòng)算法（video stabilization algorithm）

視頻抖動(dòng)是指拍攝過(guò)程中由于攝像頭存在不一致的運(yùn)動(dòng)噪聲而造成視頻序列的抖動(dòng)、模糊。為了消除這些抖動(dòng)，本平臺(tái)引入了去抖動(dòng)算法，該算法主要包括3個(gè)功能模塊：運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊、抖動(dòng)識(shí)別模塊、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊。運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊的主要內(nèi)容是快速有效得到運(yùn)動(dòng)矢量，將活動(dòng)圖像分成若干塊，搜索出每個(gè)塊在鄰近幀圖像中的位置，計(jì)算出兩者之間空間位置的相對(duì)偏移量，這個(gè)相對(duì)偏移量就是通常所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)矢量。抖動(dòng)識(shí)別模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊計(jì)算的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行程序判斷，超過(guò)一定閾值便啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊通過(guò)運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)原始圖像幀進(jìn)行補(bǔ)償，由于每幀都不可避免地會(huì)引入一些誤差，如果不采取措施，隨著誤差的累積，后面圖像會(huì)出現(xiàn)瑕疵，計(jì)算幀間的累積誤差，如果該誤差超過(guò)一定的閾值，則將當(dāng)前幀設(shè)定為新的基準(zhǔn)幀，用于后續(xù)幀的校正補(bǔ)償。算法應(yīng)用技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

3結(jié)論

本研究介紹了農(nóng)技云平臺(tái)中的視頻類系統(tǒng)中采用的視頻優(yōu)化算法，在視頻采集、處理、傳輸、呈現(xiàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用各種視頻優(yōu)化算法，可有效提高視頻畫(huà)面效果，降低帶寬流量，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

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2.4壓縮傳輸

在圖像編解碼效率上，H.264算法最為領(lǐng)先，MPEG-4、H.263算法基本相同，MPEG-2算法效率最低。高帶寬時(shí)，以上各種編碼算法提供的圖像質(zhì)量趨同。低帶寬（2M以下）時(shí)，采用H.264編解碼效率更高，但H.264編解碼對(duì)CPU處理能力的需求大幅度增加（相同帶寬下，H.264編解碼對(duì)CPU的占用率是H.263編解碼的6倍以上）。通過(guò)綜合研判，本平臺(tái)在低帶寬下采用H.264編碼，高帶寬下采用 H.263 編碼，保證了良好的視頻圖像效果。

2.5去抖動(dòng)算法（video stabilization algorithm）

視頻抖動(dòng)是指拍攝過(guò)程中由于攝像頭存在不一致的運(yùn)動(dòng)噪聲而造成視頻序列的抖動(dòng)、模糊。為了消除這些抖動(dòng)，本平臺(tái)引入了去抖動(dòng)算法，該算法主要包括3個(gè)功能模塊：運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊、抖動(dòng)識(shí)別模塊、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊。運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊的主要內(nèi)容是快速有效得到運(yùn)動(dòng)矢量，將活動(dòng)圖像分成若干塊，搜索出每個(gè)塊在鄰近幀圖像中的位置，計(jì)算出兩者之間空間位置的相對(duì)偏移量，這個(gè)相對(duì)偏移量就是通常所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)矢量。抖動(dòng)識(shí)別模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊計(jì)算的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行程序判斷，超過(guò)一定閾值便啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊通過(guò)運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)原始圖像幀進(jìn)行補(bǔ)償，由于每幀都不可避免地會(huì)引入一些誤差，如果不采取措施，隨著誤差的累積，后面圖像會(huì)出現(xiàn)瑕疵，計(jì)算幀間的累積誤差，如果該誤差超過(guò)一定的閾值，則將當(dāng)前幀設(shè)定為新的基準(zhǔn)幀，用于后續(xù)幀的校正補(bǔ)償。算法應(yīng)用技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

3結(jié)論

本研究介紹了農(nóng)技云平臺(tái)中的視頻類系統(tǒng)中采用的視頻優(yōu)化算法，在視頻采集、處理、傳輸、呈現(xiàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用各種視頻優(yōu)化算法，可有效提高視頻畫(huà)面效果，降低帶寬流量，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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