CN101800874B - 压缩视频存取方法及存取系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种压缩视频存取方法及存取系统，本发明方法由存储器实现，存储器分为第一存储区和第二存储区，第一存储区用于存储帧基本信息，第二存储区用于存储图像详细信息；所述第一存储区分为等长若干子块，子块数量应当大于存储的帧数，每个子块用于存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址，每个子块长度应当足够存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址。本发明系统包括CCD摄像机，图像采集压缩模块和图像存储模块。本发明方便地实现视频数据存取。

Description

压缩视频存取方法及存取系统

技术领域

本发明涉及高速实时数据处理领域，尤其一种压缩视频快速存取方法及存取系统。

背景技术

高分辨率视频的数据量是惊人的。例如对于像素分辨率高达9216×9216，数据分辨率为12bit的单幅图像数据量就高达162MB。虽然经过实时压缩可缓解数据容量，但一方面受压缩比的限制，给压缩视频的快速访问和浏览带来了压力。另一方面，由于每帧图像内容不相同，导致压缩后每帧图像数据长度是不等长的。

随着图像像素分辨率的提高，视频数据量日益增大。巨量数据的存储和访问是非常重要的问题。一方面由于图像数据量巨大，另一方面由于视频中的每帧图像拍摄内容不相同，导致压缩后的每帧图像也各不相同。如何有效地组织这些数据，便于快速访问和浏览，是视频存取系统研究的关键问题。

目前大部分的视频存取系统效率较低。经典的存取系统方案都是基于顺序结构的存取方式。首先获取图像拍摄顺序号，然后根据所获得的顺序号再进一步获得当前图像内容。这种图像存取方式检索方式单一，且存取效率较低。针对目前经典的存取系统，主要有以下两大缺陷：

1.无法实现对图像的快速浏览；

2.无法实现快速浏览任意帧图像。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种压缩视频存取方法及存取系统。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明压缩视频存取方法，其特征在于所述存取方法由存储器实现，所述存储器分为第一存储区和第二存储区，第一存储区用于存储帧基本信息，第二存储区用于存储图像详细信息即实际图像数据；所述第一存储区分为多个等长子块，子块数量大于存储的帧数，每个子块用于存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址，每个子块长度大于存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址的和；

所述帧号表示图像的拍摄时间顺序；所述缩略图是图像的一个概貌，用于表征图像的拍摄的内容；所述压缩编码长度表示图像编码后的长度；地址是压缩数据存放起始地址；

当视频数据输入时，首先将图像的帧号、缩略图、编码长度和地址这些图像的基本信息写入第一存储区相对应的地址空间；将图像的详细信息写入第二存储区相对应的地址空间；

从存储器读出任意帧图像信息时，首先选取图像帧号，得到图像的基本信息，在图像基本信息的数据项中，通过基本信息中缩略图这一数据项，实现对当前帧图像的快速浏览，得到当前帧图像的概貌；如需进一步获得当前帧图像数据的详细信息，则通过文件基本信息中的地址数据项，结合压缩编码长度数据项，找到存储器相对应的详细信息的地址空间，通过地址映射，实现对当前帧的图像详细信息进行读取。

所述的压缩视频存取方法的存取系统，其特征在于包括CCD摄像机、图像采集压缩模块和由存储器构成的图像存储模块，其中CCD摄像机的输出端依次串接图像采集压缩模块和存储器。

本发明具有如下有益效果：

本发明不仅可以通过缩略图的方式实现对图像的快速浏览，同时通过将存储器分为存储区一图像基本信息和存储区二图像详细信息的结构，可实现对任意帧图像的快速浏览。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为小波变换分解示意图；

图3为本发明结构在存储器的地址空间分配。

图4为本发明压缩视频存取流程图。

图5为本发明系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图5所示，压缩视频存取方法的存取系统，包括CCD摄像机、图像采集压缩模块和由存储器构成的图像存储模块，其中CCD摄像机的输出端依次串接图像采集压缩模块和存储器。

所述存储器存由第一存储区和第二存储区构成，第一存储区用于存储帧基本信息，第二存储区用于存储图像详细信息；所述第一存储区分为多个等长子块，子块数量大于存储的帧数。

本发明将海量压缩视频数据作为一个文件系统，该文件系统的文件包括帧基本信息和图像详细信息，如图1所示。

图像基本信息由每帧图像的一些简单信息组成，通过它一方面可以了解图像的基本信息，另一方面，也可用于访问图像的详细信息。每帧图像的基本信息包括帧号、缩略图、压缩编码长度和地址组成。

帧号主要反映了图像的拍摄时间顺序，依次表示第一帧、第二帧等；以当前视频存储1440帧图像计算，则用11bit即可表示图像帧号的数据大小。由于分配空间采用字节的表示方式，因此“帧号”需要2Byte的存储空间。

缩略图是图像的一个概貌，用于表征图像的拍摄的大致内容以实现快速浏览；缩略图常用方法有：

(1)抽点法：该方法的思想是利用分频技术降低对图像数据的采样频率，实现对图像数据的抽点采样，比如在行、列均隔一个选取一个，比如每2*2中选取一个点，也可以在每隔N行N列隔选取一个，比如每3*3中选取一个，每4*4选取一个点，依次类推，对于每N*N中选取一个点，可以仍选一个。该方法的优点在于实现简单，仅需在FPGA(可编程逻辑阵列)内通过简单的分频即可实现。

(2)感兴趣区域法：在很多情况下，我们可能仅对图像的部分区域感兴趣，而对图像的其余部分并不关注。为实现对感兴趣区域的快速实时显示，需要事先确定感兴趣区域波门大小，并在FPGA内构造6个寄存器(行计数器、列计数器、列起始地址、行起始地址、行宽、列宽)。当CCD图像数据输入时，启动行、列计数器，只有行计数器和列计数器分别等于行起始地址和列起始地址并在行宽和列宽范围内时，对原始图像予以保留，否则予以舍弃，把感兴趣的部分图像作为缩略图。该方法实现非常简单，但是不能动态表现视频图像特征。

(3)像素合并方法。像素合并方法是一种将几个相邻像素合并成一个像素的方法。假设每n×n个像素合并为一个新的像素，该新像素的灰度值为n×n个像平均值，其中n大于等于2。

(4)DCT(离散余弦变换)法：离散余弦变换的变换核为余弦函数，计算速度较快，有利于图像压缩和其他处理。

二维离散余弦变换的正向变换定义为：

$C\left(\mathrm{0,0}\right)=\frac{1}{N}\underset{x=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)$

$C(u,v)=\frac{2}{N}\underset{x=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)\cos \frac{(2x+1)\mathrm{u\π}}{2N}\cos \frac{(2y+2)\mathrm{v\π}}{2N}$

其中，u，v＝1，2，...N-1。

由于图像频谱从低到高逐渐衰减，低频代表图像轮廓，因此根据需要，计算图像离散余弦变换得到低频部分(一般所学低频部分点数为缩略图的像素分辨率)，然后反离散余弦变换就得到了缩略图。比如计算图像离散余弦变换得到低频部分的144*144点，然后进行反变换得到缩略图。

DCT广泛应用于众多压缩方案的原因在于其理论、算法和硬件相对成熟，去相关性好，适应人眼的视觉特性，计算量不大(没有复数计算)，易于实现。

(5)小波变换法：

小波变换可以把信号分解为多个具有不同时间和频率分辨率的信号，从而可以在一个变换中同时研究信号的低频和高频信息，其中低频信号就可以用于代表图像的概貌，作为缩略图。通过离散小波变换将图像分解为亮度分量LL、水平边缘分量LH、垂直边缘分量HL和对角边缘分量HH。如图2所示的3层小波变换，通过3层小波变换后，得到的LL3分量即可大致反映图像基本信息，，通过小波逆变换得到缩略图。，当然，对于m层小波分解，选取LLm进行逆变换就可以得到缩略图。

假设每帧原始图像数据容量相同，分辨率均为9216*9216，则按照64×64像素合并方法得到的每帧缩略图大小为(9216/64)×(9216/64)×2＝41472bit＝5184Byte。因此“缩略图”需要5184Byte的存储空间。

压缩编码长度是图像编码后的长度；由于压缩后的每帧图像数据不相等，压缩后图像平均比特率一般为6.0124bpp，按此标准计算，则压缩后的图像数据量为9216×9216×6.0124＝510661125bit，最多需要29位bit的编码长度。可见，“压缩长度”需要4Byte的存储空间。

地址是压缩数据存放起始地址，从这个地址开始，它结合压缩编码长度用来访问压缩图像详细信息。假设压缩后的总数据量为85GBytes，需要37位bit表示，则“地址”需要5Byte的存储空间。

可见，按照上述参数计算，压缩视频基本信息共需要的存取空间容量为：

(2+5184+4+5)×1440＝7480800Byte＝7.48Mbytes

图像详细信息主要指图像压缩后的图像数据，压缩可以采用JPEG等标准压缩方法。

为了实现上述文件系统的存取，本发明的压缩视频存取系统包括存储器，存储区配置如图3所示，把存储器分为第一存储区和第二存储区，第一存储区用于存储帧基本信息，第二存储区用于存储图像详细信息。

第一存储区分为等长若干子块，子块数量应当大于存储的帧数，比如要存储1440帧，需要保证子块数量大于1440个。这里以上述9124*9124图像为例，每个子快用于存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址，因此需要保证每块长度应当足够存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址，具体确定方法如上所述，上述例子中要求每个子块长度要求大于2+5184+4+5Byte。

第二存储区用于存储图像详细信息，用于存放压缩的图像数据。

基于前述分析，将视频存储器的地址空间作如下分配：由于图像基本信息仅需7.48Mbytes的存储空间，为计算方便，将存储器相对应的0-16Mbytes的地址空间作为第一存储区。而将剩余的地址空间分配给第二存储区。整个地址分配空间结构图如图3。

由此可见，本发明主要用于一次性写入多次读出。整个压缩视频存取流程如下图4所示：当视频数据输入时，首先将图像的帧号、缩略图、编码长度和地址这些图像的基本信息写入存储器相对应的地址空间。其中，地址是压缩数据存放的起始地址，第一帧的起始地址为16M+1，下一帧起始地址为上一帧结尾地址加1，根据地址信息结合压缩长度，可以将图像的详细信息写入存储器相对应的地址空间。依次循环，直至将所有帧图像信息写入存储器。

从存储器读出任意帧图像信息，则十分方便。首先，通过随机存取方式，只需输入图像帧号，即可得到图像的基本信息，在图像基本信息的数据项中，通过基本信息中缩略图这一数据项，可以实现对当前帧图像的快速浏览，得到当前帧图像的概貌。如需进一步获得当前帧图像数据的详细信息，则通过文件基本信息中的“地址”数据项的指针，结合“压缩长度”数据项，找到存储器相对应的详细信息的地址空间，通过地址映射，可以方便的对当前帧的详细信息进行读取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压缩视频存取方法，其特征在于所述存取方法由存储器实现，所述存储器分为第一存储区和第二存储区，第一存储区用于存储帧基本信息，第二存储区用于存储图像详细信息即实际图像数据；所述第一存储区分为多个等长子块，子块数量大于存储的帧数，每个子块用于存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址，每个子块长度大于存放帧号、缩略图、压缩编码长度和地址的和；

所述帧号表示图像的拍摄时间顺序；所述缩略图是图像的一个概貌，用于表征图像的拍摄的内容；所述压缩编码长度表示图像编码后的长度；地址是压缩数据存放起始地址；

当视频数据输入时，首先将图像的帧号、缩略图、编码长度和地址这些图像的基本信息写入第一存储区相对应的地址空间；将图像的详细信息写入第二存储区相对应的地址空间；

从存储器读出任意帧图像信息时，首先选取图像帧号，得到图像的基本信息，在图像基本信息的数据项中，通过基本信息中缩略图这一数据项，实现对当前帧图像的快速浏览，得到当前帧图像的概貌；如需进一步获得当前帧图像数据的详细信息，则通过文件基本信息中的地址数据项，结合压缩编码长度数据项，找到存储器相对应的详细信息的地址空间，通过地址映射，实现对当前帧的图像详细信息进行读取。

2.如权利要求1所述的压缩视频存取方法，其特征在于，所述缩略图采用抽点法生成，在每隔N行、N列选取一个点，其中N为大于或等于2的自然数。

3.如权利要求1所述的压缩视频存取方法，其特征在于，所述缩略图为事先确定的感兴趣区域图像。

4.如权利要求1所述的压缩视频存取方法，其特征在于，所述缩略图为像素合并产生，将每n×n个像素合并为一新的像素，该新像素的灰度值为n×n个像素平均值，其中n为大于等于2的自然数。

5.如权利要求1所述的压缩视频存取方法，其特征在于，所述缩略图采用离散余弦变换法生成，首先对图像离散余弦变换得到低频部分，然后对低频部分进行反离散余弦变换得到缩略图。

6.如权利要求1所述的压缩视频存取方法，其特征在于，所述缩略图采用小波变换法生成，首先对图像进行m层小波分解得到分解为亮度分量LL、水平边缘分量LH、垂 直边缘分量HL和对角边缘分量HH，选取小波变换后第m层的亮度分量LLm进行小波逆变换得到缩略图，其中m为自然数。 

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