CN1514587A - 视频压缩方式与网络带宽自适应的视频网络传输技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种视频压缩方式与网络带宽自适应的视频网络传输技术，将嵌入式操作系统固化在存储器中，在系统启动时，嵌入式Linux操作系统从存储器载入内存，在内存中运行。嵌入式操作系统随时检测网络带宽，把检测结果反馈给压缩芯片，压缩芯片根据嵌入式操作系统的反馈信息，选择压缩算法。压缩芯片对音视频信号进行压缩，通过嵌入式操作系统传到网络用户。Linux操作系统开放源代码，不存在黑箱技术，并且免费，在价格上具竞争力；内核小，效率高，高度模块化使添加部件容易；本身内置的网络支持，可应用于多种硬件平台，提供完整的开发工具和SDK。在电视监控领域中，利用网络技术传输现场的视频图像，并能自适应网络状态，智能调整压缩算法，达到最佳监控效果。

Description

视频压缩方式与网络带宽自适应的 视频网络传输技术

技术领域

本发明是关于网络传输技术，特别涉及的是一种视频压缩方式与网络带宽自适应的视频网络传输技术。更具体的说是一种集嵌入式技术、DSP视频压缩技术、网络应用技术于一身的综合性技术。

背景技术

随着国际互联网技术的发展，网络给人们带来的是一场技术性革命，也给人们带来了许多方便。对于电视监控系统来说，网络改变了人们传统的监控方式，从系统的结构、接线方式到监控的范围，传统的视频监控系统都是无法与之比拟的。利用网络作为监控系统的信息载体有很多优点，例如：数字信号较模拟信号的抗干扰能力更强、被压缩的数字信号更容易被记录、Internet网分布范围广泛，使得监控系统可以很容易的连接到世界的每一个角落，在监控地点特别分散的情况下更能显示出其优越性。

先进的电子技术推动了其他技术发展，DSP芯片、嵌入式处理器能快速的完成复杂的任务。离散余弦变换、小波变换等理论在图像压缩中的应用，使视频压缩技术日益完善。继MPEG专家组成功定义了MPEG-1和MPEG-2之后，于1994年开始制定全新的MPEG-4标准，MPEG-4标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具。MPEG-4压缩标准的传输速率要求较低，可以利用很窄的带宽，通过帧重建技术压缩和传输数据，以最少的数据获得最佳的图像质量。

目前的视频压缩技术一般都是针对固定网络带宽要求的，通用性不是很好，在网络带宽条件不满足的情况下，往往得不到预期的效果。为了使网络摄像机适应实际应用的要求，就必须将视频压缩技术和网络技术结合起来，在网络带宽不适应的时候，自动调整压缩算法，来增加或减少压缩量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，结合小波变换技术和MPEG-4压缩技术，对现场的视频信号实时压缩，生成实时视频流。通过嵌入式Linux操作系统的对网络的良好支持特性，结合视频压缩技术以适应不同网络状态的要求。当网络带宽不适应当时的压缩标准时，自动调整压缩算法，使得网络摄像机能在更复杂的环境下应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：将嵌入式的Linux操作系统固化在存储器中，在系统启动时，Linux操作系统从存储器载入内存，在内存中运行，嵌入式操作系统随时检测网络带宽，把检测结果传给压缩芯片，压缩芯片根据嵌入式系统的反馈信息，采用选择压缩算法，压缩芯片对音视频信号进行压缩，通过嵌入式操作系统传到网络用户。

上述压缩芯片通过嵌入式操作系统得到反馈信息，并根据反馈信息改变小波系数及图像编码序列。

上述系统中利用模糊决策技术，操作系统将网络状态作为一个模糊变量来处理，根据系统中已建立的知识库，得到当前网络状况的隶属度矢量值，经过模糊推理，得到最佳的压缩方案。

本发明的有益效果是：(1)Linux操作系统开放源代码，不存在黑箱技术，并且是免费的，在价格上极具竞争力，最适合中国国情；(2)内核小，效率高，高度模块化使添加部件非常容易；(3)本身内置的网络支持，可应用于多种硬件平台，并提供完整的开发工具和SDK。在电视监控领域中，利用网络技术传输现场的视频图像，并能自适应网络状态，智能调整压缩算法，从而达到最佳的监控效果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明：将嵌入式的Linux操作系统固化在存储器中，在系统启动时，Linux操作系统从存储器载入内存，在内存中运行，嵌入式操作系随时检测网络带宽，把检测结果传给压缩芯片，压缩芯片根据嵌入式系统的反馈信息，采用选择压缩算法，压缩芯片对音视频信号进行压缩，通过嵌入式操作系统传到网络用户。

上述压缩芯片通过嵌入式操作系统得到反馈信息，并根据反馈信息改变小波系数及图像编码序列。

上述系统中利用模糊决策技术，操作系统将网络状态作为一个模糊变量来处理，根据系统中已建立的知识库，得到当前网络状况的隶属度矢量值，经过模糊推理，得到最佳的压缩方案。

嵌入式操作系统为客户端提供实时视频服务，用户可以用IE4.0或Netscape 4.5以上的浏览器浏览视频图像，嵌入式处理器选择的是Etrax100处理器，Etrax100是32位处理器，具有RISC结构，处理速度可达100MIPS，在处理器外围扩展了4M FLASH存储器和16M SDRAM随机存储器，用来存储系统软件和提供系统运行时的数据空间，将Linux操作系统固化在FLASH中，在系统启动时，Linux系统从FLASH装载入内存，在内存中运行，FLASH在一般情况下是只读的，固化在内部的操作系统不易遭到破坏，在视频编码之前要经过采样和量化工序，在这里使用视频A/D芯片SAA7111，SAA7111芯片将抗混滤波、梳状滤波都被集成到芯片内部，场同步信号VREF、行同步信号HREF、奇偶场信号RES1、像素时钟信号LLC2都由管脚直接引出，图像作为信源，信源的数据量是信息量(熵)与信息冗余量之和，为了得到较高的压缩比，必须要消除冗余信息，在MPEG-4图像编码中包含了3种成分：I帧、P帧和B帧，I帧压缩采用基准帧模式，只提供帧内压缩，不需要其它任何帧作参考，它独立进行编码，I帧作为图像序列的初始帧，采用离散余弦变换(DCT)来编码，不进行预测估计和运动估计，I帧可以消除空间冗余，有效的消除图像内相邻数据间的强相关性，I帧压缩可以得到6∶1的压缩比，不产生任何可觉察的模糊现象，P帧为帧内预测图像编码，它参考最近的前一个已编码的I帧或P帧，采用运动补偿，B帧为双向预测/内插的帧间编码，它从前面和后面的I帧或P帧中提取数据，压缩比可以达到200∶1，P帧和B帧在编码时进行帧间运动估计和预测，能消除图像序列之间的由于时间造成的视频图像数据冗余，能得到较高的压缩比。

利用Linux操作系统对网络的良好支持性，实现带宽的检测，针对具体情况，改变压缩方法，通过增加和减少压缩量，达到适应网络带宽的要求。首先，零树小波算法对图像重新编码，这个编码序列是按照其重要性排序的无论序列在任何时刻被结束，得到的都是图像“最好”的表示，MPEG压缩技术的I、P和B帧也可以根据具体情况组合，这样就可以增减压缩量，达到适应网络带宽的要求。在网络带宽比较窄的情况下，改变小波系数，抛弃图像的高频分量，使压缩量提高，减小对带宽的要求；当网络带宽较宽时，增加图像的高频分量，使得图像效果更好。

在具体的压缩中，采用了小波变换与离散余弦变换相结合的编码方式。对于一个给定信号f(t)，其连续小波变换为：

$\left(W_{\mathrm{\ψ}}f\right)(a,b)={\left|a\right|}^{-\frac{1}{2}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(t\right)\stackrel{\‾}{\text{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)}\mathrm{dt}$

小波函数 ${\mathrm{\ψ}}_{a,b}\left(t\right)={\left|a\right|}^{-\frac{1}{2}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)$

随着尺度伸缩参数a和时间平移参数b的变化，可以得到信号的不同局域、不同时～频域特性的表示。对a，b离散化，得到小波的级数表示形式：

$f\left(t\right)=\underset{j,k\∈T}{\mathrm{\Σ}}{C}_{j,k}{\mathrm{\ψ}}_{j,k}\left(t\right)$

首先，利用嵌入零树小波算法对图像重新编码。经过离散小波变换得到的是图像按其重要性的排序，一个图像被分成了k个级别，对于同一级别，低频子图像LL_i最重要，其次为HL_j与LH_j。例如，一个子图按其重要性的排序为LL₃、LH₃，LH₃，HH₃，HL₂，LH₂，HH₂，HL₁，LH₁，HH₁。因为这个序列是按照重要性排序的，所以，无论序列在任何时刻被结束，得到的都是图像“最好”的表示。

图像压缩采用离散余弦(DCT)快速算法，二维8×8阶DCT表达式为：

$F(\mathrm{\μ},\mathrm{\ν})=\frac{1}{4}C\left(\mathrm{\μ}\right)C\left(\mathrm{\ν}\right)\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\cos \frac{(2i+1)\mathrm{\μ\π}}{16}\cos \frac{(2j+1)\mathrm{\ν\π}}{16}$

对上式变换得：

$F(\mathrm{\μ},\mathrm{\ν})=\frac{\sqrt{2}}{8}C\left(\mathrm{\ν}\right)\underset{j=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\sqrt{2}C\left(\mathrm{\μ}\right)\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\cos \frac{(2i+1)\mathrm{\μ\π}}{16}\cos \frac{(2j+1)\mathrm{\ν\π}}{16}\right\}$

可见，8×8二维DCT可以用一维DCT来代替，采用蝶形运算可以提到运算速度。

小波变换对图像起到了滤波作用，小波分解后的图像能量主要集中在相对较低的子带中。结合人眼的视觉特性，消除了图像信息中的视觉冗余。视频序列内图像编码类型的安排也具有灵活性，可以适应不同的要求。原则是：在带宽较宽的情况下，提供最好的服务，图像编码序列可以为(I I I I I II I I……)，这种序列有最好的随机存取、FF/FR和编辑功能，但是只能实现低压缩。为了提高压缩比，在图像序列中加入P帧，序列为(I P P P PP P I P P P P……)，能实现中度压缩。在带宽较窄时，要做到高压缩，图像序列为(I B B P B B P B B I B B P……)，能得到较好的效果。

为了适应不同的网络状态，嵌入式系统随时监测当时的网络，以便做出合理的压缩方案。在本系统中，压缩芯片可以通过嵌入式操作系统得到反馈信息，并根据反馈信息改变小波系数及图像编码序列。系统中利用模糊决策技术，操作系统将网络状态作为一个模糊变量来处理，根据系统中已建立的知识库，可以得到当前网络状况的隶属度矢量值。经过模糊推理，可以得到最佳的压缩方案。在本系统中，模糊变量无须太多，并且控制的频率也不能太频繁。在实际的模糊推理过程中，只是简单的比较和计算，因此，利用这种决策方式，能收到良好的控制效果。

Claims (3)

1.一种视频压缩方式与网络带宽自适应的视频网络传输技术，其特征是，将嵌入式的Linux操作系统固化在存储器中，在系统启动时，Linux操作系统从存储器载入内存，在内存中运行，嵌入式操作系统随时检测网络带宽，把检测结果反馈给压缩芯片，压缩芯片根据嵌入式操作系统的反馈信息，采用选择压缩算法，压缩芯片对音视频信号进行压缩，通过嵌入式操作系统传到网络用户。

2.根据权利要求1所述视频压缩方式与网络带宽自适应的视频网络传输技术，其特征是，上述压缩芯片通过嵌入式操作系统得到反馈信息，并根据反馈信息改变小波系数及图像编码序列。

3.根据权利要求1所述视频压缩方式与网络带宽自适应的视频网络传输技术，其特征是，上述系统中利用模糊决策技术，操作系统将网络状态作为一个模糊变量来处理，根据系统中已建立的知识库，得到当前网络状况的隶属度矢量值，经过模糊推理，得到最佳的压缩方案。