低比特率遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻壓縮編碼的技術(shù)分析

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1、低比特率遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻壓縮編碼的技術(shù)分析 　　0 引言 　　在某些特定的工業(yè)場(chǎng)所，例如偏遠(yuǎn)地區(qū)油井和高速公路，我們需要對(duì)油井裝備的運(yùn)行狀態(tài)以及高速公路路面情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但由于有線傳輸線路鋪設(shè)不便或維護(hù)費(fèi)用昂貴等問題，只能采用短波和超短波通信，信道帶寬只能達(dá)到16Kb/s，利用傳統(tǒng)的視頻圖像壓縮方法不能滿足視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆? 　　在采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的錄制過程中，采用D1格式（704x576），25FPS的視頻流，按YCbCr4：2：2格式進(jìn)行8bit量化，每幀圖像的數(shù)據(jù)量為704x576x2x8x25=162.2Mb/s，考慮到壓縮后的視覺效果，采用JPEG2000編碼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻進(jìn)行壓縮

2、比為128：1的壓縮【6】，則其壓縮碼流速降為1.267Mb/s，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到短波、超短波小于20Kb/s的要求，因此必須根據(jù)此類視頻的特點(diǎn)改進(jìn)壓縮算法，保證實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)。 　　1 傳統(tǒng)的壓縮方法分析 　　當(dāng)前的視頻圖像編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)方法無法對(duì)在固定背景下的設(shè)備運(yùn)行視頻圖像進(jìn)行高倍壓縮，以滿足短波、超短波信道有限傳輸帶寬的要求。因此，必須針對(duì)此類情況，研究針對(duì)性更強(qiáng)的視頻壓縮方法。 　　文獻(xiàn)【1】提出了一種基于甚低比特率水下視頻圖像壓縮編碼的方法，幀間編碼采用基于小波樹的WDR算法，幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償針對(duì)小波預(yù)處理后的子帶進(jìn)行，算法的壓縮比可以達(dá)到250：1～500：1，能夠滿足極低比

3、特率下的視頻傳輸，但其對(duì)于運(yùn)動(dòng)對(duì)象和背景圖像的考慮較少。 　　對(duì)于視頻對(duì)象的提取文獻(xiàn)【2】提出了一種基于背景差值法的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)，其先對(duì)圖像進(jìn)行濾波去噪，然后采用背景差值法將運(yùn)動(dòng)圖像和背景圖像做差，得到差分圖像。文獻(xiàn)【3】提出了一種基于三幀差分和背景差分相結(jié)合的分割，能夠更好、更準(zhǔn)確的將運(yùn)動(dòng)對(duì)象從背景圖像中分離出來。 　　對(duì)于油井設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)以及遠(yuǎn)程高速公路監(jiān)控等視頻，有其獨(dú)特的成像特點(diǎn)： 　　其一，背景固定，由于攝像機(jī)是固定的，拍攝的背景也是固定的； 　　其二，視頻的關(guān)注點(diǎn)在于特定對(duì)象的變化，如裝備、車輛等，而對(duì)其它的部分關(guān)注度可以忽略。針對(duì)以上特點(diǎn)，我們可以從視頻圖像預(yù)處理、對(duì)象與

4、背景分別編碼等幾個(gè)方面對(duì)壓縮算法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，算法的壓縮率能夠達(dá)到300：1，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，解碼后的圖像能夠滿足人們的需求。 　　2 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻壓縮編碼方案 　　本文提出的編碼方案主要從視頻圖像預(yù)處理，視頻對(duì)象提取和幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償三個(gè)方面提高圖像的壓縮率，實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)傳輸。 　　2.1 視頻圖像預(yù)處理 由于現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)拍攝得到的視頻幀序列圖像為彩色圖像RGB三通道，但彩色圖像對(duì)于我們實(shí)時(shí)掌握路面大體情況和裝備狀態(tài)沒有必要，為了提高視頻壓縮率，將其轉(zhuǎn)化為單通道灰度圖像，公式如下【4】： 　　I=λRR+λGG+λBB 　　I為轉(zhuǎn)換后的

5、灰度值，灰度值范圍從0到255，它由R、G、B三種顏色以不同比例擬和而成，本文中RGB的三個(gè)系數(shù)采用一組圖像處理中比較常用的值：0.2989，0.5870，0.1140。 　　然后對(duì)得到的視頻圖像進(jìn)行一級(jí)離散小波變換（DWT），由此得到LL1、LH1、HL1和HH14個(gè)子帶。根據(jù)監(jiān)控圖像具有對(duì)比度低和紋理細(xì)節(jié)少的特點(diǎn)，舍棄所有高頻子帶，只保留低頻子帶LL1，而以后所有進(jìn)行的幀內(nèi)視頻對(duì)象的提取和幀間的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼都是在預(yù)處理后的子帶LL1上進(jìn)行的，這樣不但消除了視頻監(jiān)控圖像中大量的視覺冗余，而且有效的提高了視頻圖像的壓縮率。 　　2.2 視頻對(duì)象的提取 在視頻圖像處理中，有三種比較常用的運(yùn)動(dòng)

6、物體檢測(cè)方法： 　　①背景差值法； 　　②圖像幀間差分法； 　　③基于光流的方法以及基于塊匹配的方法【2】。由于本文監(jiān)控視頻都是采用固定的攝像機(jī)拍攝，所得的視頻背景是相同的，因此采用背景差值法提取視頻對(duì)象。其公式如下：Δf（x，y）=fk（x，y）-b（x，y） 　其中fk（x，y）為視頻圖像的當(dāng)前幀，b（x，y）為視頻的背景，不隨幀數(shù)的改變而改變。由于本文研究的對(duì)象是設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，因此可以提前采集背景，但由于光照、攝像機(jī)抖動(dòng)、天氣等原因可能造成視頻運(yùn)動(dòng)背景的變化，因此設(shè)定一個(gè)閥值T，當(dāng)Δf（x，y）變化值小于T時(shí)，認(rèn)定背景圖像沒有發(fā)生變化，當(dāng)大于T時(shí)，更新背

7、景幀。 　　編碼的具體步驟如下： 　　Step1：提前采集背景，設(shè)定原始背景幀b（x，y），采用CDF9/7小波進(jìn)行離散小波變換，采用較低的編碼比特率對(duì)背景圖像進(jìn)行SPIHT編碼后傳至解碼端保存； 　　Step2：將預(yù)處理后的視頻幀LL1子帶與背景幀LL1子帶做差得到視頻前景，也就是視頻的運(yùn)動(dòng)對(duì)象，采用CDF17/11小波進(jìn)行離散小波變換，采用較高的編碼比特率對(duì)得到的運(yùn)動(dòng)對(duì)象區(qū)域進(jìn)行高質(zhì)量的壓縮編碼并傳輸；如圖2所示； 　　Step3：在解碼端根據(jù)設(shè)定的背景幀對(duì)視頻進(jìn)行還原，并判斷Δf（x，y）與閥值T的關(guān)系，判斷是否需要更新背景幀。 　　2.3 幀間的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 根據(jù)上節(jié)

8、確定的運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，采用塊匹配的算法得到運(yùn)動(dòng)矢量。將得到當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)對(duì)象的區(qū)域劃分2x2的宏塊，用全搜索算法在參考幀的運(yùn)動(dòng)對(duì)象區(qū)域中搜索匹配塊，得到運(yùn)動(dòng)矢量。利用這些運(yùn)動(dòng)矢量，對(duì)原始圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償后的圖像即為預(yù)測(cè)誤差。對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量和預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化、編碼后進(jìn)行傳輸，在解碼端進(jìn)行反變換得到原始圖像。 　　對(duì)于固定背景的遠(yuǎn)程視頻圖像，本文采用24幀/s采集速度速度，其視頻序列的組成為IBBPBBPBBPBBPBBPB 　　BPBBP。其中I幀采用前述的幀內(nèi)編碼的方式，也就是基于固定背景視頻對(duì)象提取的編碼方法，P幀采用幀間預(yù)測(cè)編碼方式獲得，而B幀是解碼時(shí)由解碼程序根據(jù)各個(gè)視頻對(duì)象運(yùn)動(dòng)估計(jì)矢量

9、插值得到的雙向幀，不占編碼傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，這樣不但可以提高解碼視頻圖像的視覺質(zhì)量，而且提高了幀速率。 　　3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 　　取一段監(jiān)控視頻，利用本文的方法進(jìn)行視頻壓縮重建。取其中的幾幀圖像視覺效果以及PSNR曲線如圖1所示。 　　經(jīng)檢測(cè)，解碼后的圖像的PSNR均在29以上，符合人眼視覺的最低要求，且由圖1內(nèi)容可以看出，根據(jù)本文提出的壓縮編碼方法對(duì)遠(yuǎn)程視頻圖像進(jìn)行處理后重建的圖像從人的視覺效果和PSNR值都滿足要求，具有可行性。其壓縮比能夠達(dá)到300：1，經(jīng)過16Kb/s的短波信道的傳輸試驗(yàn)，沒有明顯的延遲現(xiàn)象，能夠清晰辨別視頻中對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆? 　　4 結(jié)論

10、　　提出了一種基于固定背景下的遠(yuǎn)程視頻圖像的壓縮編碼方法，預(yù)處理過程去掉了視頻中的視覺冗余，并減少了視頻后續(xù)編碼的計(jì)算量和編碼比特率。通過固定背景的差分法提取運(yùn)動(dòng)對(duì)象，背景與運(yùn)動(dòng)對(duì)象的分別編碼傳輸減少了幀間冗余，并且加強(qiáng)了感興趣區(qū)域的圖像質(zhì)量，通過幀間的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼消除了幀間的時(shí)間冗余，提高了視頻圖像編碼的效率。實(shí)驗(yàn)證明，在重建圖像質(zhì)量滿足需要的前提下，視頻圖像的壓縮率達(dá)到300：1，基本滿足短波信道的16Kb/s的帶寬實(shí)時(shí)傳輸需求。 　　參考文獻(xiàn)： 　　【1】李慶忠，王文錦，劉佳旭，等.甚低比特率水下視頻圖像壓縮編碼方法.光電子-激光，2009，20（10）. 　　【2】胡永生，楊玲玲

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