CN103369325A - 一种适用于无线视频传感网的低复杂度视频压缩传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种适用于无线视频传感网的低复杂度视频压缩传输方法，其特征在于，在视频传输时对每帧高h宽l的图像转换为高h宽l/3的图像数据进行压缩传输，播放时对接收到的图像数据还原成为高h，宽l的图像进行播放。
Description
技术领域
本发明属于视频处理设备技术领域，尤其是涉及一种适用于无线视频传感网的低复杂度视频压缩传输方法。
背景技术
无线视频传感网(Wireless Video Sensor Network)是由一组具有计算、存储和通信能力的嵌入式视频传感节点组成的分布式感知网络[1]。每个嵌入式视频采集节点可以分为：感知模块，视频处理模块和通信模块，感知模块主要由感光元件组成，可以获取一定范围内环境的光学传感信息；视频处理模块主要实现模数转换和视频压缩，对每一帧视频进行编码；通信模块主要实现视频帧的单跳或多跳无线传输，进而使节点间组成网络，现主要应用的网络通信协议有802.15.4，802.11a/b等。其中802.15.4协议，最大数据传输率仅为250kbps，有效数据传输率仅为80kbps左右；802.11b协议的最高数据传输率为11Mbps，有效数据传输率仅为2Mbps左右，而分辨率为320×240，帧率25f/s的M-JPEG视频流，就要消耗3Mbps的带宽资源。如不进行高度压缩处理，就无法保证视频在现有通信协议下的可靠传输。然而，高压缩率的压缩算法具有较高的复杂度，例如，H.264算法可以将之前的H.263算法的码率降低50％，但复杂度却是H.263的三倍左右。高复杂度算法很难在嵌入式设备上有效运行，并会带来极高的能耗，不满足嵌入式设备低功耗的设计思想。因此，急需设计适用于嵌入式视频传感节点的具有较高压缩率，较低复杂度的视频压缩算法，利用有限的带宽资源实现视频的有效传输。
针对无线视频传感网络的带宽资源和计算资源双重受限的问题，一些解决方案被先后提出。
首先提出的解决方案是对嵌入式视频采集节点进行改造，采用ARM+DSP(数字信号处理器)的双核体系结构[4]。ARM主要用于系统调度，DSP则主要用于视频的压缩处理。由于DSP具有较强的数字信号处理能力，可以胜任高复杂度的视频压缩算法，实现视频的高度压缩，并在有限的带宽下传输。但这种体系结构没有考虑到能耗的增加，一般需要采用有源的嵌入式视频采集节点。另一个角度则是对视频压缩算法进行优化，最朴素的思想就是利用帧间差分算法，降低视频帧序列的时间冗余信息，用有限的带宽传输最具信息量的视频帧。差分算法可以降低视频的带宽占用是众所周知的，但如何降低差分算法带来的额外计算开销成为了一个重要的研究点。Enrico Magli等人在2003年提出了一种低复杂度的视频压缩算法[2]，对JPEG压缩算法进行了改进，实验结果显示能够将MJPEG的码率压缩为的MPEG-2的水平且复杂度较JPEG没有明显提到，但MPEG-2的码率对于无线视频传感网来说仍然无法接受。改变硬件结构和对算法的优化都没有实现同时实现低功耗和高压缩率。
JPEG压缩算法之所以有较高的压缩率，是因为对YUV信号的离散采集[3]。视频工程师发现人眼对色度的敏感程度要低于对亮度的敏感程度，即YUV三路分量中，Y分量更为重要，UV分量可以部分的被忽略。常用的采集格式为4∶1∶1和4∶2∶2。
4∶1∶1的色度抽样，是在水平方向上对色度进行4∶1抽样。对普通清晰度视频来说，图像质量是可以接受的。即每个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。
四个像素为：[Y0 U0 V0][Y1 U1 V1][Y2 U2 V2][Y3 U3 V3]
存放的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3
映射出像素点为：[Y0 U0 V2][Y1 U0 V2][Y2 U0 V2][Y3 U0 V2]
4∶2∶2每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，即每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。
四个像素为：[Y0 U0 V0][Y1 U1 V1][Y2 U2 V2][Y3 U3 V3]
存放的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3
映射出像素点为：[Y0 U0 V1][Y1 U0 V1][Y2 U2 V3][Y3 U2 V3]
基于这种YUV离散采样思路，在人眼识别范围之内，最大限度的减少采样量，既可以实现较高的压缩率，也可以瞒过人眼，提供较高的视觉体验。
YUV离散采样的思路也可以用在RGB离散采样及JPEG压缩上，即对YUV采样出的数字信号再次离散采样，这种离散采样不仅局限在帧内，也可以推广到帧间，即每帧只采集一部分像素分量，若干帧(3-5帧)像素拼接合成一帧，进行播放。因为视频传感网的视频帧序列中存在着大量的时间冗余信息，这种帧间离散采样的算法可以极大的减少冗余信息。进而起到优化带宽占用的效果。
发明内容
本专利基于以上思想，提供一种适用于无线视频传感网的低复杂度视频压缩传输方法，该算法具有较高的压缩率和较低的复杂性，适用于无线视频传感网中的嵌入式视频采集节点。
实现上述有益效果的技术方案为，一种适用于无线视频传感网的低复杂度视频压缩传输方法，其特征在于，在视频传输时对每帧高h宽l的图像转换为高h宽l/3的图像数据进行压缩传输，播放时对接收到的图像数据还原成为高h，宽l的图像进行播放，
其压缩传输步骤具体如下：
(1)拍摄视频；
(2)将视频中已经拍摄好的画面帧逐帧循环编号并划分为多个连续的画面组，且每画面组内帧数不少于3，若最后一组画面组内帧数不够3帧，则将其编组为最后一组或将后续拍摄到的画面帧补充进该组；
(3)将每帧三种RGB分量的图像转换为单RGB分量的图像进行压缩，对图像帧的每个像素选取1种RGB分量，并保证其后续两帧分别采集了该位置像素的另外两种分量，使原来每帧图像缩小为原来大小的1/3；
(4)将步骤(3)离散采样后的像素矩阵作为JPEG压缩算法输入，进行视频压缩和网络传输；
其还原播放步骤具体如下：
①接收上述被压缩的视频；
②将上述视频进行标准JPEG解压，并将其输入到播放缓冲区；
③播放缓冲区在收到连续m(m≥3)帧图像后将收到的每帧图像的RGB分量与后续两图像帧的RGB分量合并到一帧内，并将合并后的图像帧播出。
本发明对标准JPEG压缩算法的输入进行了改进，JPEG压缩算法是复杂度相对较低的一种算法，无需引入其他专用编解码设备(如DSP等)，现有的基于ARM架构的嵌入式视频采集节点均可运行上述算法。
该算法从降低视频帧之间的时间冗余出发，对每一帧RGB图像进行离散采样，将每一帧的带宽占用缩小为1/3，将总体带宽占用降低尽60％左右，即将分辨率为320×240，帧率25f/s的M-JPEG视频流的带宽占用降为1Mbps左右，可以在802.11a/b无线通信协议下有效传输。本发明对JPEG压缩算法的输入进行改进，离散采集RGB像素分量的过程非常简单，因其引入的算法复杂度提升完全可以忽略不计。但经过处理后，每次进行JPEG压缩的规模变为原有的1/3，这样可以有效的降低视频压缩的能耗，使嵌入式视频采集节点运行更长的时间。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的流程示意图；
图2为本发明的实施例2的图像矩阵示意图；
图3为本发明的实施例2中编号为0的图像在提取RGB分量后的图像矩阵示意图；
图4为本发明的实施例2中编号为1的图像在提取RGB分量后的图像矩阵示意图；
图5为本发明的实施例2中编号为2的图像在提取RGB分量后的图像矩阵示意图；
图6为本发明的实施例2的图像在压缩传输后编号为0的图像解压后的图像矩阵示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
结合图1，一种适用于无线视频传感网的低复杂度视频压缩传输方法，其特征在于，在视频传输时对每帧高h宽l的图像转换为高h宽l/3的图像数据进行压缩传输，播放时对接收到的图像数据还原成为高h，宽l的图像进行播放；
其压缩传输步骤具体如下：
(1)拍摄视频；
(2)将视频中已经拍摄好的画面帧逐帧循环编号并划分为多个连续的画面组，且每画面组内帧数不少于3，若最后一组画面组内帧数不够3帧，则将其编组为最后一组或将后续拍摄到的画面帧补充进该组；
(3)将每帧三种RGB分量的图像转换为单RGB分量的图像进行压缩，对图像帧的每个像素选取1种RGB分量，并保证其后续两帧分别采集了该位置像素的另外两种分量，使原来每帧图像缩小为原来大小的1/3；
(4)将步骤(3)离散采样后的像素矩阵作为JPEG压缩算法输入，进行视频压缩和网络传输；
其还原播放步骤具体如下：
①接收上述被压缩的视频；
②将上述视频进行标准JPEG解压，并将其输入到播放缓冲区；
③播放缓冲区在收到连续m(m≥3)帧图像后将收到的每帧图像的RGB分量与后续两图像帧的RGB分量合并到一帧内，并将合并后的图像帧播出。
实施例2，本实施例为方便理解，将拍摄的视频连续三帧划分为一组。假设本实施例中，图像有9个像素大小，则这九个像素组成的原始一帧图像矩阵，如图2，其中P代表像素点。此时我们采用本发明对其进行压缩，先将其循环编号为0、1、2，0、1、2…多个画面组，然后利用本发明步骤(3)的方式进行压缩。对每个像素只离散的选取1种RGB分量，且保证同一位置上的相邻三帧分别采集了RGB三种分量，在压缩结束后，本实施例的0、1、2帧图像分别如图3、图4、图5所示，其图像内的数据大小变为原始三帧图像的1/3。在将以上经过离散采样后的像素矩阵按照步骤(4)作为JPEG压缩算法输入，进行视频压缩和网络传输。这样，每一帧进行JPEG压缩的规模都变为原有的1/3，带宽占用也变为原有的1/3。在解压时，按照本发明步骤②，将接收到的数据进行JPEG标准解压，将解压后的画面帧输入缓冲区。缓冲区连续缓冲三帧，将第一画面组的0、1、2三帧图像都接收到后，将1、2两个画面帧的RGB分量合并入0帧的画面内，将0帧画面的像素RGB分量补充完整，如图6所示。此时0帧画面则视为缓冲完毕，播放器将其播放出。在播放时，缓冲区不断接收后续的画面帧，同时缓冲区将第k+1、k+2帧画面合并入第k帧(k＞0)播放，是画面可以连续播放。
本发明的编组虽然不实际参与到压缩和解压过程中，但是在实际运算时，分组可以辅助设备运算，减少运算量，若分组恰好是三的整数倍时，本发明的运算量会大大减轻。
以上所述，为本发明的较佳实施案例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (1)
1.一种适用于无线视频传感网的低复杂度视频压缩传输方法，其特征在于，在视频传输时对每帧高h宽l的图像转换为高h宽l/3的图像数据进行压缩传输，播放时对接收到的图像数据还原成为高h，宽l的图像进行播放；
其压缩传输步骤具体如下：
(1)拍摄视频；
(2)将视频中已经拍摄好的画面帧逐帧循环编号并划分为多个连续的画面组，且每画面组内帧数不少于3，若最后一组画面组内帧数不够3帧，则将其编组为最后一组或将后续拍摄到的画面帧补充进该组；
(3)将每帧三种RGB分量的图像转换为单RGB分量的图像进行压缩，对图像帧的每个像素选取1种RGB分量，并保证其后续两帧分别采集了该位置像素的另外两种分量，使原来每帧图像缩小为原来大小的1/3；
(4)将步骤(3)离散采样后的像素矩阵作为JPEG压缩算法输入，进行视频压缩和网络传输；
其还原播放步骤具体如下：
①接收上述被压缩的视频；
②将上述视频进行标准JPEG解压，并将其输入到播放缓冲区；
③播放缓冲区在收到连续m(m≥3)帧图像后将收到的每帧图像的RGB分量与后续两图像帧的RGB分量合并到一帧内，并将合并后的图像帧播出。
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| CN101442673A (zh) * | 2008-12-19 | 2009-05-27 | 太原理工大学 | 贝尔模板图像编码与解码方法 |
| US20090174811A1 (en) * | 2007-12-11 | 2009-07-09 | Chih-Ta Star Sung | Method and apparatus of bayer pattern direct video compression |
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| 罗军等: "一种适用于无线传感网图像节点单元的彩色图像压缩方法", 《电讯技术》 * |
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