網(wǎng)絡(luò)電視監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)字視頻編碼有關(guān)問(wèn)題

來(lái)源：《網(wǎng)絡(luò)與電視監(jiān)控工程監(jiān)理手冊(cè)》黎連業(yè)、黃子河、及延輝 編著-僅供學(xué)習(xí)參考更新時(shí)間：2014-07-16

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網(wǎng)絡(luò)電視監(jiān)控系統(tǒng)

基于網(wǎng)絡(luò)的電視監(jiān)控系統(tǒng)的概念是在20世紀(jì)末提出來(lái)的。雙絞線、光纖。無(wú)線電波、紅外線、激光等有限或無(wú)線傳輸介質(zhì)，借助各種接入設(shè)備，構(gòu)筑了當(dāng)今社會(huì)各式各樣的局域網(wǎng)，而這些不同類型的網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也不盡相同，既可能是覆蓋某一單位或住宅小區(qū)的廣域網(wǎng)。因此，從系統(tǒng)的物理機(jī)構(gòu)看，同一區(qū)域或不同區(qū)域的不同區(qū)域間的不同類型的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備都已通過(guò)上述不同種類、不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了物理連接，這也是基于網(wǎng)絡(luò)的電視監(jiān)控系統(tǒng)的物理雞蛋糊。各獨(dú)立的電視監(jiān)控設(shè)備通過(guò)嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備或是通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)便可接入到網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像則可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字流媒體的形式傳輸?shù)娇刂浦行幕蚱渌岸说母魇芸卦O(shè)備。如今各類寬帶網(wǎng)絡(luò)及帶寬交換講技術(shù)正在突飛猛進(jìn)。因而將電視機(jī)監(jiān)控技術(shù)建立在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，其用意是顯而易見(jiàn)的。

數(shù)字視頻編碼有關(guān)問(wèn)題

多媒體一般包括文本、圖形圖像、視頻和動(dòng)畫(huà)等媒體。一般的文本由于數(shù)據(jù)量不大，所以存儲(chǔ)時(shí)所占用的存儲(chǔ)空間不多，在傳輸時(shí)也不占用很多的時(shí)間。通過(guò)壓縮而多媒體中的圖形圖像和語(yǔ)音的數(shù)據(jù)量大，占用的存儲(chǔ)空間大，傳輸時(shí)占用的時(shí)間多，對(duì)于這些問(wèn)題現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)或通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基本上能夠解決。

如果是連續(xù)的圖像信號(hào)，如電視視頻信號(hào)，則數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量要打得多，按照CCIR601標(biāo)準(zhǔn)，以4∶2∶2編碼標(biāo)準(zhǔn)為例，其比特流為（13.5×8＋6.75×8×2）Mbps＝216Mbps。這種速率在一般的計(jì)算機(jī)上很難處理。每分鐘數(shù)字視頻所占用的空間為216Mbps×60s/8＝1620MB。這么龐大的數(shù)據(jù)使得一張650MB的CD-ROM不能存儲(chǔ)1min的視頻影像，而一塊10GB硬盤(pán)也存儲(chǔ)不了幾分鐘的視頻圖像。因此，多媒體中聲音和體香的數(shù)據(jù)很大，如果不對(duì)視頻圖像進(jìn)行壓縮，計(jì)算機(jī)很難實(shí)時(shí)處理或?qū)崟r(shí)傳輸。

多媒體特別是圖像確實(shí)具有很大的數(shù)據(jù)壓縮的潛力，他們存在著很多數(shù)據(jù)冗余。

1.      編碼冗余

對(duì)圖像編碼時(shí)要建立碼本以表達(dá)圖像數(shù)據(jù)。這里碼本是指用來(lái)表達(dá)一定量的信息或一組時(shí)間所需要的一系列符號(hào)。其中對(duì)每個(gè)信息或事件所賦的碼符個(gè)數(shù)為碼子的長(zhǎng)度。如果編碼所用的碼本不能使每像素所需的平均特?cái)?shù)達(dá)到最小，就說(shuō)明存在編碼冗余。

2.      像素間冗余

在很多形式的圖像數(shù)據(jù)中，像素與像素之間無(wú)論是在行方向還是在列方向抖具有很大的相關(guān)性，因而整體上數(shù)據(jù)的冗余度很大，在允許一定限度失真的前提下，可以對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行很大程度的壓縮。這種與像素間相關(guān)性聯(lián)系著的數(shù)據(jù)冗余叫像素間冗余，也稱為空間冗余，另外在連續(xù)序列圖像中的幀間冗余也算是一種特例。一幅圖像各像素的值可可以比較方便地由它臨近像素的值預(yù)測(cè)出來(lái)，每個(gè)獨(dú)立的像素所攜帶的信息相對(duì)較少。為了減少圖像中的像素間冗余，需要將常用的二位像素菊展表達(dá)形式轉(zhuǎn)換為某種更有效的表達(dá)形式。

3.      心理視覺(jué)冗余

眼睛所感受到的圖像區(qū)域亮度不僅僅與區(qū)域的反射光有關(guān)，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于眼睛并不是對(duì)所有視覺(jué)信息有相同的敏感度。有些信息寫(xiě)在通常的視覺(jué)過(guò)程中相對(duì)來(lái)說(shuō)不那么重要，這些信息可認(rèn)為是心理視覺(jué)冗余的。心理視覺(jué)冗余的存在與人觀察圖像的方式有關(guān)，人在觀察圖像時(shí)主要是尋找某些比較明顯的目標(biāo)特征，而不是定量地分析圖像中每個(gè)像素的亮度。人通過(guò)腦子里分析這些特征與先驗(yàn)只是結(jié)合以完成對(duì)圖像的解釋過(guò)程。

正式由于以上原因，圖像的數(shù)據(jù)壓縮是可能的。圖像數(shù)據(jù)壓縮及時(shí)是多媒體圖像技術(shù)中十分重要的組成部分。如果不進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)壓縮，則不論傳輸還是存儲(chǔ)都很難實(shí)用化。

只有通過(guò)壓縮處理，數(shù)字化視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理以及存儲(chǔ)和傳輸才能適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.      數(shù)字視頻的帶寬

現(xiàn)行電視系統(tǒng)的掃描格式是625/50/2∶1，即每幀圖像由625行掃描線組成，每秒以2∶1隔行掃描方式顯示50場(chǎng)（即25幀）圖像（相當(dāng)于在時(shí)間域的離散化處理）。由于場(chǎng)周期為20ms，而場(chǎng)正程時(shí)間為18.4ms，因此場(chǎng)正程期間的有效掃描行數(shù)為625×18.4/20=575行?？紤]到電視畫(huà)面的寬高比4∶3，且數(shù)字化后的像素?cái)?shù)應(yīng)為整數(shù)，因此每幀圖像的有效像素?cái)?shù)應(yīng)為768×576=442 368 像素（相當(dāng)于在空間域的離散化處理）。如果將每個(gè)像素的顏色按紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行分解，并將分解后的色成分（模擬量）按強(qiáng)度劃分為256級(jí)亮度（灰度）來(lái)標(biāo)識(shí)。由此推算出一幀圖像需要用442 368×24=10 616 832b來(lái)表示。而每秒鐘的圖像則需要10 616 832×25=2.65×108b，這一數(shù)字按傳輸速率來(lái)說(shuō)即為265Mbps，若按存儲(chǔ)容量來(lái)說(shuō)則相當(dāng)于33.2Mbps（8b=1B），數(shù)據(jù)量大得驚人。

如果按ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)，即亮度信號(hào)Y的采樣頻率選為13.5MH_Z,兩個(gè)色差信號(hào)R-Y和B-Y的采樣頻率分別選為6.75MH_Z,且每個(gè)樣值規(guī)定為8b量化，則亮度信號(hào)的碼率應(yīng)為13.5×8=108Mbps，每個(gè)色差信號(hào)的碼率應(yīng)為6.75×8=54Mbps。所以在不采用任何壓縮措施時(shí)，視頻信號(hào)的總碼率達(dá)到108+54+54=216Mbps。這相當(dāng)于3000多路數(shù)字電話話路的帶寬。

實(shí)際上，ITC-R601建議已經(jīng)從數(shù)據(jù)的有效性方面來(lái)考慮減少數(shù)據(jù)量的問(wèn)題。以PAL制電視信號(hào)為例，由于電視掃描的行頻為15.6kM_Z，則亮度信號(hào)在水平方向的實(shí)際樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)為864×（64－12）/64=702點(diǎn)/行（601建議規(guī)定為720點(diǎn)/行）。另外，場(chǎng)逆程期間（兩場(chǎng)共49行）也不需要傳信號(hào)，因此垂直方向的有效掃描行數(shù)為576行/幀。兩個(gè)色差信號(hào)的取樣點(diǎn)數(shù)在水平和垂直方向上均減半，即水平360點(diǎn)/行，垂直288行/幀，因而每秒鐘的像素速率為（720×576+2×360×288）×25幀/s=15.552Mbps。當(dāng)每個(gè)像素按8b量化時(shí)，總的碼率為15.552×8=124.4Mbps。由此可見(jiàn)，去除了行、場(chǎng)掃描逆程的冗余，數(shù)字化視頻信號(hào)的碼率仍然是相當(dāng)高的。

從理論上講，PCM（脈沖編碼調(diào)制）二進(jìn)制傳輸信道每1H_Z帶寬能傳輸?shù)淖罡叽a率是2bps，這就意味著僅傳輸124.4Mbps的數(shù)字電視碼流就至少需要62.2MH_Z的信道寬帶（這還未包括聲音和同步等數(shù)據(jù)），是現(xiàn)有視頻信號(hào)嗲款的10倍以上。這樣高的碼率顯然不適合在現(xiàn)有信道傳輸，必須先對(duì)數(shù)字化后的信源進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，額按后在傳輸。

由此可見(jiàn)，對(duì)視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，利用壓縮技術(shù)來(lái)去掉信號(hào)中的冗余信息（甚至丟掉一些不大重要的有用信息）使十分重要的。這就意味著數(shù)字壓縮技術(shù)已成為數(shù)字視頻得已發(fā)展的制約性因素。

5.      壓縮的概念

圖像壓也稱圖像編碼，它的主要作用是可以減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，減低傳輸速率，壓縮頻帶，從而降低傳輸成本。數(shù)字視頻信號(hào)的壓縮可分為有損壓縮和無(wú)損壓縮兩類。如果在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的過(guò)程中不丟棄任何有效信息，使得還原出的數(shù)據(jù)與未經(jīng)壓縮的原始信號(hào)有多差別。由于人眼的分辨力有限，某些圖像信息被丟棄后人眼時(shí)難以察覺(jué)的，因此可以保證視頻信號(hào)在壓縮程度較大的情況下仍有較高的信號(hào)質(zhì)量。

實(shí)際上，視頻信號(hào)具有很高的冗余度。在每一幀圖像內(nèi)，領(lǐng)近先別告訴的幅值可能很接近，有很高的空間冗余度；而相領(lǐng)幀的圖像內(nèi)容一般變化也不大，大多數(shù)信息在前面幾幀中可能都已經(jīng)存在了，有很高的時(shí)間冗余度。空間冗余度和時(shí)間冗余度都可以被去除，而不會(huì)引起明顯的信息丟失。壓縮編碼就是設(shè)法減少圖形和視頻數(shù)據(jù)的冗余度，以達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)率的目的，從而節(jié)約傳輸帶寬和存儲(chǔ)空間。圖像數(shù)據(jù)的冗余度越高，壓縮比就可以越大。

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