視頻監(jiān)視領(lǐng)域的視頻壓縮與數(shù)據(jù)流

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，因為視頻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 (Interrupt intensive) 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：

* 運動估算 (ME) 法：每 N 幀為一個圖像組 (GOP)。我們對圖像組中的第一幀進(jìn)行獨立編碼，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：每個視頻幀作為靜態(tài)影像獨立編碼。最常用的標(biāo)準(zhǔn)為 JPEG。MJPEG 標(biāo)準(zhǔn)采用 JPEG 算法對每個幀進(jìn)行編碼。

運動估算法與靜態(tài)影像壓縮法的比較

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16 x 16 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、運動估算及運動補償。

圖 1：H.264 編碼器結(jié)構(gòu)圖。

在正向路徑中（從 DCT至 Q），每個宏塊 (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 8x8 像素的模塊，然后逐個處理。每個模塊首先通過 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 2 mbps 的速度進(jìn)行視頻編碼，從而實現(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 方法有如下幾點優(yōu)勢。首先，JPEG 需要的計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)，因為某幀的丟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 GOP 的延遲或丟失，因為只有獲得前向參考幀 (previous reference frame) 才能對下一幀進(jìn)行解碼。