基于視頻監(jiān)控的可擴展性編碼的研究

馬潔

(寶雞職業(yè)技術學院,寶雞 721013)

基于視頻監(jiān)控的可擴展性編碼的研究

馬潔

(寶雞職業(yè)技術學院,寶雞 721013)

根據(jù)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術特點，開發(fā)研究了有利于進行視頻監(jiān)控的可擴展性編碼全新技術，并設計一個針對該編碼技術的視頻傳輸方案。提出的分層編碼算法，不同于傳統(tǒng)的空域可擴展性編碼，針對視頻監(jiān)控的特點，該算法生成兩個基本層碼流，分別對應原圖像分辨率的1/4和1/16大小，然后在空域擴展生成3個增強層碼流，各基本層和增強層在空間位置上不重疊，并且基本層可以獨立解碼。

視頻監(jiān)控; 視頻編碼; 圖像分解

0 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種防范能力非常優(yōu)秀的管理系統(tǒng)，主要是采用視頻的監(jiān)視和安防控制，從而可以實現(xiàn)對監(jiān)控目標的監(jiān)視、控制、智能管理等功能。視頻監(jiān)控被廣泛應用于許多場合，主要是由于其多方面的技術特點，如直觀、方便等。隨著計算機和通信傳輸以及自動化技術的發(fā)展，從某種程度上說，促進了視頻監(jiān)控技術比以前有了明顯的提升，該系統(tǒng)的發(fā)展分為了三個不同階段：第一個階段是模擬視頻監(jiān)控；第二個階段是多媒體微機的數(shù)字視頻監(jiān)控；第三個階段是數(shù)字化網(wǎng)絡視頻監(jiān)控。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在全球范圍內(nèi)，模擬監(jiān)控系統(tǒng)起步較早，在市場常見的是采用了第一代監(jiān)控系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進行分析，其技術特點主要有以下方面：1、模擬形式，主要包括該系統(tǒng)的視頻、音頻信號的采集、傳輸、存儲；2、系統(tǒng)功能強大，經(jīng)過長期的發(fā)展，該系統(tǒng)的各項技術成熟。不過，該系統(tǒng)還是存在多方面的不足，如：、適用于面積較小的地域；與信息系統(tǒng)不能進行數(shù)據(jù)的交換，應用的靈活性較差等問題。

1.2 基于微機平臺的數(shù)字視頻監(jiān)控(DVR)

DVR是第二代監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在1970年被研究發(fā)明出來，經(jīng)過多年的發(fā)展后，被大量的采用于微機和Windows平臺,視頻壓縮卡和DVR軟件都將被安裝在計算機中，不同類型的視頻卡能對接1/2/4路視頻，有效的支持實時視頻和音頻，該套方案有利于第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)升級，能更好的進行該系統(tǒng)的數(shù)字化，但是，還是不適合新建的監(jiān)控系統(tǒng)和地域距離大于1-2公里的遠程視頻傳輸?shù)南到y(tǒng)。DVR系統(tǒng)擁有數(shù)字化的視頻、音頻信號的采集、存儲優(yōu)勢，其優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量；強大完備的系統(tǒng)功能，能夠支持信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；具有靈活性應用性能。DVR系統(tǒng)采用模擬方式，實現(xiàn)了監(jiān)控點至監(jiān)控中心的傳輸，較之于第一代系統(tǒng)而言，有著諸多不足，遠距離視頻傳輸需要依靠鋪設(租用)光纜，還應當在光纜的兩端同時配備視頻光端機設備，這樣就加大了系統(tǒng)的建設成本和維護費用。

由于信息處理技術得到了質(zhì)的飛躍，基于視頻服務器的網(wǎng)絡化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)近幾年異軍突起，由于其可靠性高、使用安裝方便，在銀行、酒店、學校等各種了場合被廣泛使用。

1.3 基于網(wǎng)絡的遠程數(shù)字視頻監(jiān)控

網(wǎng)絡數(shù)字監(jiān)控主要是利用計算機網(wǎng)絡加以傳輸，即將模擬視頻信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，采用智能化的計算機軟件進行有效的處理。系統(tǒng)通過IP包的形式實現(xiàn)網(wǎng)絡的傳輸，實現(xiàn)了傳統(tǒng)視頻、音頻的向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，從而也有利于視頻/音頻趨于系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和數(shù)字化，還有利于管理的科學智能化以及應用的多媒體化。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是采集與處理數(shù)字視頻。數(shù)字視頻的處理一般有幾個過程組成，第一個為視頻圖像輸入；第二個為視頻信號處理(編碼、存儲)；第三個為圖像輸出和傳輸。電信號是由標準信號與非標準信號組成的，視頻圖像輸入由攝像頭對光信號進行掃描，然后將其轉(zhuǎn)換為電信號。視頻信號處理是通過計算機系統(tǒng)與視頻采集卡加以整合，采用數(shù)字方式將已經(jīng)處理的信號加以編碼與儲存；另外，能夠數(shù)模轉(zhuǎn)換完成，可以顯示輸出；數(shù)字視頻的傳輸能夠借助網(wǎng)絡完成。由此看出，視頻編碼和傳輸是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻處理的核心技術。一個典型的視頻監(jiān)控系統(tǒng),如下圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要運用網(wǎng)絡視頻服務器，充分借助目前的網(wǎng)絡系統(tǒng)，全面完成監(jiān)控點前端以及監(jiān)控中心的數(shù)字化處理，這也順應了監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展潮流。相較于以上第一代、第二代系統(tǒng)而言，其優(yōu)勢如下：

1) 新建監(jiān)控系統(tǒng)可以通過當前的網(wǎng)絡資源，鋪設光纜、增加設備，完成遠程視頻監(jiān)控。

2) 系統(tǒng)具備強大的擴展能力，想要新增監(jiān)控點，只需要有網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)監(jiān)控點設備的擴展。

3) 絡提供商負責對網(wǎng)絡進行維護，其費用十分低，前端設備屬于免維護系統(tǒng)，支持即插即用。

4) 系統(tǒng)具備超強的功能，靈活性達、錄像采用全數(shù)字化，更加有利于檢索與存儲。

5) 網(wǎng)絡中的各計算機想要成為監(jiān)控中心，應當安裝客戶端的軟件，并且賦予對應的權限即可。

從這些特點可以看出，最新一代的視頻監(jiān)控系統(tǒng)最顯著的特點就是網(wǎng)絡化，可擴展性強。監(jiān)控中心可以根據(jù)自己的需求，連接到一個或多個的監(jiān)控點，構(gòu)成多點多路監(jiān)控。傳統(tǒng)的傳輸模式是，監(jiān)控中心獲取相應監(jiān)控前端的相應監(jiān)控點的完整的監(jiān)控視頻，盡管這樣易于實現(xiàn)，但是存在著明顯的缺點：

1) 監(jiān)控中心(客戶端)存在著大量的帶寬浪費。當監(jiān)控中心正在實施多路監(jiān)控的時候，比如4路監(jiān)控，此時，監(jiān)控中心只需要獲取監(jiān)控點的1/4分辨率的視頻。

2) 當網(wǎng)絡狀況發(fā)生改變的時候，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸性能會受到嚴重的影響，因為傳統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)沒有任何自適應能力。

而視頻監(jiān)控系統(tǒng)還有其它一些區(qū)別于視頻會議、視頻點播等其他視頻應用的特點：

1) 接收方數(shù)目明顯小于發(fā)送方數(shù)目。

2) 發(fā)送方也被稱為監(jiān)控前端，由于發(fā)送方對于其它發(fā)送方的視頻數(shù)據(jù)不需要接收，因此，不用添加多播組。

3) 發(fā)送方、接收方的任務不均衡，接收方必須同時接收多路數(shù)據(jù)，且各路數(shù)據(jù)接收質(zhì)量要求不同。

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一些缺點和普通視頻應用的區(qū)別說明了，傳統(tǒng)的視頻編碼方式并不適用于視頻監(jiān)控。為此我們需要提出一種適用于視頻監(jiān)控的編碼算法。

2 適用于視頻監(jiān)控的編解碼技術

傳統(tǒng)的空域可擴展性編碼輸出兩個碼流，一個是可以單獨解碼的基本層碼流，它提供低分辨率的視頻；另一個是要和基本層碼流共同解碼的增強層碼流，它提供高分辨率的視頻。顯然傳統(tǒng)的空域可擴展性編碼有其固有的缺陷，那就是它只提供很粗糙的可擴展性，根本無法適應數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。一般情況下，該系統(tǒng)監(jiān)控中心(客戶端)要求提供瀏覽1路、4路、9路和16路視頻，以及在單路瀏覽和多路瀏覽之間切換的能力，即監(jiān)控中心能夠調(diào)整分辨率。怎樣合理的組織基本層和增強層碼流，以減少網(wǎng)絡帶寬的占用，提高傳輸速度，并盡可能的降低解碼復雜度，這些是該編碼算法研究的主要目標。

本文提出的視頻編碼方法主要是針對是是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻編碼和傳輸?shù)膬?yōu)化，提供一種可靠傳輸和節(jié)約網(wǎng)絡帶寬的機制，當然也可以應用到其它流媒體服務中。在視頻監(jiān)控應用中，遠程接收端通常會同時觀看多路視頻，并在單路和多路瀏覽之間切換，以1路、4路、16路瀏覽為例，接收端瀏覽一路視頻時，顯示的圖像分辨率為R，設R即為原始視頻圖像分辨率，當切換為4路瀏覽時，一路視頻圖像的顯示窗口縮小為原來的1/4，此時顯示圖像的分辨率為R/4，同樣，16路瀏覽時，顯示圖像的分辨率為R/16，如果視頻流編碼為傳統(tǒng)的單一描述，接收圖像的分辨率始終為R，在4路和16路瀏覽時造成了大量帶寬浪費。因此，本文編碼算法基于多相下采樣生成具有不同圖像分辨率的多個描述，接收端16路瀏覽時只需接收一個圖像分辨率為R/16的描述，帶寬占用量下降到原來的1/16；4路瀏覽時只需接收一個圖像分辨率為R/4的描述，帶寬占用量下降到了原來的1/4；單路瀏覽時接收多個描述，生成和原始圖像同分辨率的重建圖像。

多相下采樣的圖像分解方式,如圖2所示。

首先將輸入圖像V分解成4幅子圖像Vi(i=1，2，3，4)，i是多相下采樣的相位，表現(xiàn)為采樣點之間的位置對應關系如V1中所示。

圖2 多描述碼流生成方式

然后用V2預測V1、V3，減除相鄰象素之間的相關冗余：

1．減少帶寬占用量：由于接收端圖像顯示尺寸的人為改變，在小窗口觀看時顯示圖像空間分辨率小于大窗口觀看時的分辨率，該算法生成的兩個能夠獨立解碼的壓縮碼流V2和V41是低分辨率的兩個描述，通過傳輸控制策略，可以在接收端圖像小窗口顯示時只接收V2或V41，大大降低了傳輸帶寬的占用量。

3 適用于視頻監(jiān)控的可擴展性編解碼技術

多描述編碼提高了碼流的容錯能力，但描述之間的信息冗余也造成了編碼效率的降低，壓縮碼流的數(shù)據(jù)總量大于傳統(tǒng)單一描述編碼的數(shù)據(jù)量，這使碼流的帶寬適應能力顯得更為重要。上述多描述編碼方法生成5個描述，碼流具有三級可擴展性，即只接收V41時的碼率r；只接收V2時的碼率r；接收所有描述時的碼率r。接收圖像的視覺質(zhì)量隨信道帶寬的變化是分級提高的，只能提供3種重建圖像質(zhì)量，在r至r的較大帶寬變化范圍內(nèi)接收圖像的質(zhì)量始終保持為r時的較低水平。這種多描述編碼方法雖然提供了一定的可擴展能力，但其可擴展性太差，因此，將精細可擴展編碼(Fine Granularity Scalability,FGS)應用到該多描述編碼系統(tǒng)中，提出一種多描述可擴展編碼方案，使壓縮碼流適應帶寬變化的一個動態(tài)范圍，采用這種方案后，當信道帶寬從r變化為r時，接收圖像的質(zhì)量能夠逐漸提高。

視頻數(shù)據(jù)編碼為兩個基本層碼流B1、B2和3個增強層碼流E1、E2、E3，各碼流與上文多相下采樣生成的5個描述之間的對應關系為：

B1←V2，B2←V41

兩個基本層分別進行DCT+MC編碼，增強層E1、E2和E3采用位平面編碼生成任意點可截斷的碼流。這樣，接收基本層B2可獨立解碼生成分辨率為R/16的重建圖像；接收基本層B1，可獨立解碼生成分辨率為R/4的重建圖像；由于增強層E1、E2和E3為精細可擴展的壓縮碼流，因此，根據(jù)信道帶寬盡力接收碼流E1、E2和E3可逐漸提高重建的原分辨率的圖像質(zhì)量。

視頻編解碼系統(tǒng),如圖3所示。

圖3 編解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輸入圖像序列通過多相下采樣和編碼預處理兩個模塊，生成待編碼的5個描述，基本層B1、B2經(jīng)DCT變換、運動補償、量化和變長編碼，生成兩個能獨立解碼但不具可擴展性的壓縮碼流，增強層E1、E2、E3對預測殘差進行DCT變換，然后采用位平面編碼，生成精細可擴展的增強層碼流。解碼器根據(jù)接收碼流的數(shù)量解碼并合成相應質(zhì)量的重建圖像。

由于一次掃描完成基本層和增強層的拆分，分層算法的時間復雜度為O(n)。這里為減小編碼算法的復雜性，僅由基本層B1進行運動估計。B1、B2代表著基本層，被視為視頻壓縮編碼結(jié)構(gòu)，主要通過DCT變換和運動估計以及量化等形式進行，增強層對預測殘差進行DCT變換，然后采用位平面編碼，是MPEG-4標準的FGS編碼結(jié)構(gòu)。

編碼器輸出的5個碼流經(jīng)傳輸模塊分別發(fā)送到5個多播地址，單路瀏覽用戶必須加入所有5個多播組，接收B1、B2、E1～E3壓縮碼流，進入和編碼過程所對應的解碼器解碼，解碼器輸出碼流經(jīng)過圖像合成模塊合并成和原始視頻流V相同分辨率的輸出視頻流V＇顯示出來；同時瀏覽4路的用戶只需要加入B1所在多播組接收壓縮視頻碼流，解壓后得到原始視頻圖像1/4大小的低分辨率圖像顯示；同時瀏覽16路的用戶只需要加入B2所在多播組接收壓縮視頻碼流，解壓后得到原始視頻圖像1/16大小的低分辨率圖像顯示。

4 總結(jié)

本文首先分析了遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點，以及其與其它視頻應用的區(qū)別。在這個基礎上，提出了一種針對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻編碼算法以及針對此算法的網(wǎng)絡傳輸?shù)膬?yōu)化技術，提供一種可靠傳輸和節(jié)約網(wǎng)絡帶寬的機制。并在此基礎上，結(jié)合精細可擴展編碼進一步提出了一種可擴展視頻編碼方法。不僅利用了可擴展編碼的帶寬適應能力，又利用了多描述編碼的魯棒性彌補了傳統(tǒng)可擴展編碼容錯能力的不足。

[1] Yao Wang.視頻處理與通信[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[2] David Salomon. 數(shù)據(jù)壓縮原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[3] 張敬軒. 基于Internet的實時信號傳輸研究進展[J].通信學報,2001(7).

ResearchonScalableCodingBasedonVideoMonitoring

Ma Jie

(Baoji Professional Technology Institute, Baoji 721013, China)

In this paper, according to the technical characteristics of digital video monitoring system, a scalable coding new technology which is benefit to video monitoring is developed, and a scheme of video transmission for the coding technology is provided. In this paper, the researched layered coding algorithm is different from the traditional spatial scalable coding. This paper is aiming at the characteristics of video monitoring. The algorithm generates two base layer streams, respectively corresponding to the 1/4 and 1/16 of the original image resolutions. And then it extends in the spatial domain to generate three enhancement layer code streams. All the base layers and enhancement layers do not overlap in space positions, and the base layer can be decoded independently.

Video monitoring; Video coding; Image decomposition

1007-757X(2017)12-0049-04

馬潔(1980-),女,碩士，副教授，研究方向：計算機應用技術。

TN919

A

2016.12.28)