CN110769277B - 执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统及编码方式 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统及编码方式，一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统，包括运动传感器模块(1)，步态识别模块(2)，自适应调节模块(3)，摄像头模块(4)，曝光模块(5)，调帧模块(6)，视频编码模块(7)，网络发送模块(8)，记录仪服务模块(9)；使用本发明检测到执法人员或作业人员快速走动，执法记录仪挂胸前晃动过大，从而引发图像巨变，通过切换到全I帧模块与控制曝光时间，解决图像巨变的图像帧间压缩效果不高图像模糊与曝光时间过长导致运动模糊，最终提升执法人员或作业人员快速走动的图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及执法记录仪的视频编码技术领域，尤其是涉及一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统及编码方式。
背景技术
执法记录仪是一种挂胸前的录像，完整记录下执法或作业的全过程的设备，随着移动4G发展，执法记录仪的实时视频回传，用于远程指挥成为重要的使用方式。移动4G实时视频上传稳定带宽仍然有限，稳定的码流基本1mbps左右，在用户快速走动，执法记录仪因挂胸前而晃动过大，从而引发图像巨变，现有视频I组帧压缩效果不佳，4G回传有限带宽下导致图像质量急剧下降。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统及编码方式，用于提升用户快速走动的图像质量。
本发明提供一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统，包括运动传感器模块(1)，步态识别模块(2)，自适应调节模块(3)，摄像头模块(4)，曝光模块(5)，调帧模块(6)，视频编码模块(7)，网络发送模块(8)，记录仪服务模块(9)；
运动传感器模块(1)：运动传感器模块(1)，输出垂直于地面的上下加速度值给步态识别模块(2)；
步态识别模块(2)：接收运动传感器模块(1)的上下加速度值，根据人体走路产生上下加速度值变化值与频率计算用户行走剧烈程度量化值；把输出值发送给自适应调节模块(3)；
自适应调节模块(3)：接收步态识别模块(2)的行走剧烈程度量化值，接收视频编码模块(7)的当前编码带宽，接收网络发送模块(8)的网络探测的预测最大带宽；行走剧烈程度量化值超过检测门限值T，触发调节流程，根据当前编码带宽乘以I帧占比系数得到I帧大小，使用预测最大带宽除以I帧大小，得到帧率；自适应调节模块(3)通知调帧模块(6)生成的帧率，通知视频编码模块(7)进行全I帧编码，并确定每个I帧大小；自适应调节模块(3)通知曝光模块(5)设定最低每帧曝光速度，避免行走剧烈时曝光过长导致画面运动模糊；
摄像头模块(4)；采集执法与作业的视频图像；摄像头模块(4)输出视频帧给调帧模块(6)；
曝光模块(5)：曝光模块(5)用于控制摄像头模块(4)曝光时间，接收自适应调节模块(3)的最低每帧曝光时间，通过增大摄像头模块(4)ISO保证曝光时间；
调帧模块(6)：调帧模块(6)用于控制摄像头模块(4)帧率，接收自适应调节模块(3)帧率调节，使用跳帧方式达到目标帧率；调帧模块(6)接收摄像头模块(4)输出的视频帧，调整帧率后输出视频帧给视频编码模块(7)；
视频编码模块(7)：默认使用I帧组的视频编码，当接收到自适应调节模块(3)的全I帧请求时，切换全I帧编码；视频编码模块(7)接收调帧模块(6)的数据进行视频压缩编码，输出压缩数据给网络发送模块(8)；视频编码模块(7)接收调帧模块(6)的数据进行视频压缩编码，输出压缩数据给网络发送模块(8)；
网络发送模块(8)：网络发送模块(8)用于接收视频编码模块(7)视频压缩数据，通过4G网络发送视频数给执法记录服务模块(9)；网络发送模块(8)使用带宽探测方式，探测预测最大带宽，发送给自适应调节模块(3)；
记录仪服务模块(9)：是基于互联网云服务模块，提供执法记录仪的4G移动网络的实时视频上传功能；记录仪服务模块(9)接收网络发送模块(8)的视频数据，并反馈每秒丢包数。
基于上述一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统，本发明还提供一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码方式，包括如下步骤：
步骤(1)：运动传感器模块(1)，输出垂直于地面的上下加速度值给步态识别模块(2)；
步骤(2):步态识别模块(2)接收运动传感器模块(1)的上下加速度值，进行用户行走剧烈程度量化值分析；当用户在行走时其实会产生垂直加速度，迈步时先重心上提，垂直方向呈向上加速度，继续往前走重心回落，垂直方向呈向下加速度，按照加速度先上或加速度向上时间间隔能够判断出其行走的速度；
步骤(3)：自适应调节模块(3)接收步态识别模块(2)的行走剧烈程度量化值，行走剧烈程度量化值超过检测门限值T，触发调节流程；在剧烈运动图像变化剧烈，P帧的帧间压缩效果不佳，使用全I帧的帧内压缩方法；
步骤(4)：调帧模块(6)控制摄像头模块(4)帧率，接收自适应调节模块(3)帧率调节，使用跳帧方式达到目标帧率；调帧模块(6)接收自适应调节模块(3)的新的帧率，一除帧率得到每帧时间；
步骤(5)：视频编码模块(7)接收调帧模块(6)的数据进行视频压缩编码，输出压缩数据给网络发送模块(8)；默认使用I帧组的视频编码，当接收到自适应调节模块(3)的全I帧请求时，切换全I帧编码；
步骤(6)：曝光模块(5)控制摄像头模块(4)曝光时间，接收自适应调节模块(3)的最低每帧曝光时间，通过增大摄像头模块(4)ISO保证曝光时间；
步骤(7)：网络发送模块(8)接收视频编码模块(7)的视频压缩数据，通过4G网络发送视频数给记录仪服务模块(9)。
作为优选的，在步骤(2)中步态识别模块(2)剧烈程度量化值分析方法如下：
2.1、步态识别模块(2)把合并的加速度值数据进行阀值处理，保留绝对值大于阀值Q的加速度值；
2.2、把相邻加速度值同为正值(加速度先上)或负值(加速度先下)进行合并，步态识别模块(2)的加速度值的绝对值最大值做合并后的值，最大值的发生时间为合并后时间；得到正值与负值相间的加速度值序列；
2.3、把相邻正值与负值作为一组步态数据，把一组的正值与负值的绝对值取均值，一组的正值与负值的中间时间点作为数据的时间，得到步态数据序列；
2.4、把步态数据序列，相隔时间小于阀值T，步态数据去除；阀值T可以设置为0.2秒，因为人类跑步最多1秒5步，每步时间为0.2，所以小于阀值T为干扰数据，去除干扰数据得找最终步态数据序列；
2.5、如果判断连续K秒(可设为3秒)都有步态数据，且步态数据超过阀值(可设5条)，这则认为用户开始走路；把连续K秒的步态数据取平均值作为用户行走剧烈程度量化值，发送给自适应调节模块(3)；后续每K秒进行步态数据取平均值计算，发送给自适应调节模块(3)；
2.6、在已判断出在行走情况，如果判断连续K秒(可设为3秒)的步态数据小于阀值(可设2条)，则认为用户已经停止快速行走；通知自适应调节模块(3)已经停止行走。
作为优选的，在步骤(3)中使用全I帧的帧内压缩方法如下：
3.1、自适应调节模块(3)接收视频编码模块(7)的当前编码带宽，当前编码带宽乘以I帧占比系数得到I帧大小；占比系数可设为0.2，一般I帧占用I帧组20％带宽；自适应调节模块(3)通知视频编码模块(7)进行全I帧编码，以及I帧大小；
3.2、自适应调节模块(3)接收网络发送模块(8)的网络探测的预测最大带宽，预测最大带宽除以I帧大小，得到全I帧的帧率，通知调帧模块(6)使用新的帧率；
3.3、自适应调节模块(3)通知曝光模块(5)设定最低每帧曝光速度；避免行走剧烈时曝光过长导致画面运动模糊。
作为优选的，在步骤(3)中预测最大带宽探测方法如下：
7.1、网络发送模块(8)使用RTP这种带连续递增包序号的协议做为网络承载传输协议，当记录仪服务模块(9)发现包序号跳变时，则认为丢包；当记录仪服务模块(9)当前接收RTP的序号1000，如下一次收到包序号为1003，则丢包数为2，序号为1001与1002包丢失；记录仪服务模块(9)发送每一秒的丢包量给网络发送模块(8)；
7.2、网络发送模块(8)发送I帧组时，按照视频编码带宽的5％的构造试探包，记录仪服务模块(9)如果持续5秒没有反馈丢包，则再增大视频编码带宽的5％试探包；直到达到视频编码带宽50％或记录仪服务模块(9)开始反馈丢包；网络发送模块(8)把探测出不丢包的最大带宽，作为该网络的预测最大带宽，发送给自适应调节模块(3)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
使用本发明检测到用户快速走动，执法记录仪挂胸前晃动过大，从而引发图像巨变，通过切换到全I帧模块与控制曝光时间，解决图像巨变的图像帧间压缩效果不高图像模糊与曝光时间过长导致运动模糊，最终提升用户快速走动的图像质量。
附图说明
图1是本发明一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统的工作原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统，包括运动传感器模块(1)，步态识别模块(2)，自适应调节模块(3)，摄像头模块(4)，曝光模块(5)，调帧模块(6)，视频编码模块(7)，网络发送模块(8)，记录仪服务模块(9)；
运动传感器模块(1)：运动传感器模块(1)，输出垂直于地面的上下加速度值给步态识别模块(2)；
步态识别模块(2)：接收运动传感器模块(1)的上下加速度值，根据人体走路产生上下加速度值变化值与频率计算用户行走剧烈程度量化值；把输出值发送给自适应调节模块(3)；
自适应调节模块(3)：接收步态识别模块(2)的行走剧烈程度量化值，接收视频编码模块(7)的当前编码带宽，接收网络发送模块(8)的网络探测的预测最大带宽；行走剧烈程度量化值超过检测门限值T，触发调节流程，根据当前编码带宽乘以I帧占比系数得到I帧大小，使用预测最大带宽除以I帧大小，得到帧率；自适应调节模块(3)通知调帧模块(6)生成的帧率，通知视频编码模块(7)进行全I帧编码，并确定每个I帧大小；自适应调节模块(3)通知曝光模块(5)设定最低每帧曝光速度，避免行走剧烈时曝光过长导致画面运动模糊；
摄像头模块(4)；采集执法与作业的视频图像；摄像头模块(4)输出视频帧给调帧模块(6)；
曝光模块(5)：曝光模块(5)用于控制摄像头模块(4)曝光时间，接收自适应调节模块(3)的最低每帧曝光时间，通过增大摄像头模块(4)ISO保证曝光时间；
调帧模块(6)：调帧模块(6)用于控制摄像头模块(4)帧率，接收自适应调节模块(3)帧率调节，使用跳帧方式达到目标帧率；调帧模块(6)接收摄像头模块(4)输出的视频帧，调整帧率后输出视频帧给视频编码模块(7)；
视频编码模块(7)：默认使用I帧组的视频编码，当接收到自适应调节模块(3)的全I帧请求时，切换全I帧编码；视频编码模块(7)接收调帧模块(6)的数据进行视频压缩编码，输出压缩数据给网络发送模块(8)；视频编码模块(7)接收调帧模块(6)的数据进行视频压缩编码，输出压缩数据给网络发送模块(8)；
网络发送模块(8)：网络发送模块(8)用于接收视频编码模块(7)视频压缩数据，通过4G网络发送视频数给执法记录服务模块(9)；网络发送模块(8)使用带宽探测方式，探测预测最大带宽，发送给自适应调节模块(3)；
记录仪服务模块(9)：是基于互联网云服务模块，提供执法记录仪的4G移动网络的实时视频上传功能；记录仪服务模块(9)接收网络发送模块(8)的视频数据，并反馈每秒丢包数。
基于上述一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码系统，本发明还提供一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码方式，包括如下步骤：
步骤(1)：运动传感器模块(1)，输出垂直于地面的上下加速度值给步态识别模块(2)；
步骤(2):步态识别模块(2)接收运动传感器模块(1)的上下加速度值，进行用户行走剧烈程度量化值分析；当用户在行走时其实会产生垂直加速度，迈步时先重心上提，垂直方向呈向上加速度，继续往前走重心回落，垂直方向呈向下加速度，按照加速度先上或加速度向上时间间隔能够判断出其行走的速度；步态识别模块(2)剧烈程度量化值分析方法：
2.1、步态识别模块(2)把合并的加速度值数据进行阀值处理，保留绝对值大于阀值Q的加速度值；
2.2、把相邻加速度值同为正值(加速度先上)或负值(加速度先下)进行合并，步态识别模块(2)的加速度值的绝对值最大值做合并后的值，最大值的发生时间为合并后时间；得到正值与负值相间的加速度值序列；
2.3、把相邻正值与负值作为一组步态数据，把一组的正值与负值的绝对值取均值，一组的正值与负值的中间时间点作为数据的时间，得到步态数据序列；
2.4、把步态数据序列相隔时间小于阀值T步态数据去除；阀值T可以设置为0.2秒，因为人类跑步最多1秒5步，每步时间为0.2，所以小于阀值T为干扰数据，去除干扰数据得到最终步态数据序列；
2.5、如果判断连续K秒(可设为3秒)都有步态数据，且步态数据超过阀值(可设5条)，这认为用户开始走路；把连续K秒的步态数据取平均值作为用户行走剧烈程度量化值，发送给自适应调节模块(3)；后续每K秒进行步态数据取平均值计算，发送给自适应调节模块(3)；
2.6、在已判断出处于行走情况时，如果判断连续K秒(可设为3秒)的步态数据小于阀值(可设2条)，则认为用户已经停止快速行走；通知自适应调节模块(3)已经停止行走；
步骤(3)：自适应调节模块(3)接收步态识别模块(2)的行走剧烈程度量化值，行走剧烈程度量化值超过检测门限值T，触发调节流程；在剧烈运动图像变化剧烈，P帧的帧间压缩效果不佳，使用全I帧的帧内压缩方法；
3.1、自适应调节模块(3)接收视频编码模块(7)的当前编码带宽乘，当前编码带宽乘以I帧占比系数得到I帧大小；占比系数可设为0.2，一般I帧占用I帧组20％带宽；自适应调节模块(3)通知视频编码模块(7)进行全I帧编码，以及I帧大小；
3.2、自适应调节模块(3)接收网络发送模块(8)的网络探测的预测最大带宽，预测最大带宽除以I帧大小，得到全I帧的帧率，通知调帧模块(6)使用新的帧率；
3.3、自适应调节模块(3)通知曝光模块(5)设定最低每帧曝光速度；避免行走剧烈时曝光过长导致画面运动模糊；
步骤(4)：调帧模块(6)控制摄像头模块(4)帧率，接收自适应调节模块(3)帧率调节，使用跳帧方式达到目标帧率；调帧模块(6)接收自适应调节模块(3)的新的帧率，一除帧率得到每帧时间；
步骤(5)：视频编码模块(7)接收调帧模块(6)的数据进行视频压缩编码，输出压缩数据给网络发送模块(8)；默认使用I帧组的视频编码，当接收到自适应调节模块(3)的全I帧请求时，切换全I帧编码；
步骤(6)：曝光模块(5)控制摄像头模块(4)曝光时间，接收自适应调节模块(3)的最低每帧曝光时间，通过增大摄像头模块(4)ISO保证曝光时间；
步骤(7)：网络发送模块(8)接收视频编码模块(7)的视频压缩数据，通过4G网络发送视频数给记录仪服务模块(9)；网络发送模块(8)使用带宽探测方式，探测预测最大带宽探测方法；
7.1、网络发送模块(8)使用RTP这种带连续递增包序号的协议做为网络承载传输协议，当记录仪服务模块(9)发现包序号跳变时，则认为丢包；当记录仪服务模块(9)当前接收RTP的序号1000，如下一次收到包序号为1003，则丢包数为2，序号为1001与1002包丢失；记录仪服务模块(9)发送每一秒的丢包量给网络发送模块(8)；
7.2、网络发送模块(8)发送I帧组时，按照视频编码带宽的5％的构造试探包，记录仪服务模块(9)如果持续5秒没有反馈丢包，则再增大视频编码带宽的5％试探包；直到达到视频编码带宽50％或记录仪服务模块(9)开始反馈丢包；网络发送模块(8)把探测出不丢包的最大带宽，作为该网络的预测最大带宽，发送给自适应调节模块(3)。
使用本发明检测到用户快速走动，执法记录仪挂胸前晃动过大，从而引发图像巨变，通过切换到全I帧模块与控制曝光时间，解决图像巨变的图像帧间压缩效果不高图像模糊与曝光时间过长导致运动模糊，最终提升用户快速走动的图像质量。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码方式，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：运动传感器模块(1)，输出垂直于地面的上下加速度值给步态识别模块(2)；
步骤(2):步态识别模块(2)接收运动传感器模块(1)的上下加速度值，进行用户行走剧烈程度量化值分析；当用户在行走时其实会产生垂直加速度，迈步时先重心上提，垂直方向呈向上加速度，继续往前走重心回落，垂直方向呈向下加速度，按照加速度先上或加速度向上时间间隔能够判断出其行走的速度；
步骤(3)：自适应调节模块(3)接收步态识别模块(2)的行走剧烈程度量化值，行走剧烈程度量化值超过检测门限值T，触发调节流程；在剧烈运动图像变化剧烈，P帧的帧间压缩效果不佳，使用全I帧的帧内压缩方法；
步骤(4)：调帧模块(6)控制摄像头模块(4)帧率，接收自适应调节模块(3)帧率调节，使用跳帧方式达到目标帧率；调帧模块(6)接收自适应调节模块(3)的新的帧率，一除帧率得到每帧时间；
步骤(5)：视频编码模块(7)接收调帧模块(6)的数据进行视频压缩编码，输出压缩数据给网络发送模块(8)；默认使用I帧组的视频编码，当接收到自适应调节模块(3)的全I帧请求时，切换全I帧编码；
步骤(6)：曝光模块(5)控制摄像头模块(4)曝光时间，接收自适应调节模块(3)的最低每帧曝光时间，通过增大摄像头模块(4)ISO保证曝光时间；
步骤(7)：网络发送模块(8)接收视频编码模块(7)的视频压缩数据，通过4G网络发送视频数给记录仪服务模块(9)；
其中，步骤(2)中步态识别模块(2)剧烈程度量化值分析方法如下：
2.1、步态识别模块(2)把合并的加速度值数据进行阀值处理，保留绝对值大于阀值Q的加速度值；
2.2、把相邻加速度值同为正值或负值的加速度值进行合并，步态识别模块(2)的加速度值的绝对值最大值做合并后的值，最大值的发生时间为合并后时间；得到正值与负值相间的加速度值序列；
2.3、把相邻正值与负值作为一组步态数据，把一组的正值与负值的绝对值取均值，一组的正值与负值的中间时间点作为数据的时间，得到步态数据序列；
2.4、把步态数据序列中相隔时间小于阀值T的步态数据去除；将阀值T设置为0.2秒，小于阀值T为干扰数据，去除干扰数据得到最终步态数据序列；
2.5、如果判断连续K秒都有步态数据，且步态数据超过阀值，则认为用户开始走路；把连续K秒的步态数据取平均值作为用户行走剧烈程度量化值，发送给自适应调节模块(3)；后续每K秒进行步态数据取平均值计算，发送给自适应调节模块(3)；
2.6、在已判断出处于行走的情况时，如果判断连续K秒的步态数据小于阀值，则认为用户已经停止快速行走；通知自适应调节模块(3)已经停止行走。
2.根据权利要求1中所述的一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码方式，其特征在于，步骤(3)中使用全I帧的帧内压缩方法如下：
3.1、自适应调节模块(3)接收视频编码模块(7)的当前编码带宽,当前编码带宽乘以I帧占比系数得到I帧大小；占比系数设置为0.2，自适应调节模块(3)通知视频编码模块(7)进行全I帧编码，以及I帧大小；
3.2、自适应调节模块(3)接收网络发送模块(8)的网络探测的预测最大带宽，预测最大带宽除以I帧大小，得到全I帧的帧率，通知调帧模块(6)使用新的帧率；
3.3、自适应调节模块(3)通知曝光模块(5)设定最低每帧曝光速度；避免行走剧烈时曝光过长导致画面运动模糊。
3.根据权利要求2中所述的一种执法记录仪基于加速度传感器的视频编码方式，其特征在于步骤(3)中预测最大带宽探测方法，具体如下：
7.1、网络发送模块(8)使用RTP这种带连续递增包序号的协议做为网络承载传输协议，当记录仪服务模块(9)发现包序号跳变时，则认为丢包；当记录仪服务模块(9)当前接收RTP的序号1000，如下一次收到包序号为1003，则丢包数为2，序号为1001与1002包丢失；记录仪服务模块(9)发送每一秒的丢包量给网络发送模块(8)；
7.2、网络发送模块(8)发送I帧组时，按照视频编码带宽的5％的构造试探包，记录仪服务模块(9)如果持续5秒没有反馈丢包，则再增大视频编码带宽的5％试探包；直到达到视频编码带宽50％或记录仪服务模块(9)开始反馈丢包；网络发送模块(8)把探测出不丢包的最大带宽，作为该网络的预测最大带宽，发送给自适应调节模块(3)。
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