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低比特率遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻壓縮編碼方法
摘要： 針對無線通信信道極窄情況下，高速公路和遠(yuǎn)程油井等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)存在的信號(hào)傳輸問題，提出了一種基于固定背景下的低比特率遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻的實(shí)時(shí)傳輸壓縮方案，通過小波預(yù)處理，固定背景下的運(yùn)動(dòng)對象提取和幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償三方面進(jìn)行改進(jìn)，提高視頻圖像的壓縮傳輸效率，實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻的實(shí)時(shí)傳輸。
Abstract： For very narrow wireless communication channels， signal transmission problems of expressway and remote real-time monitoring of oil wells， a compression scheme for real-time transmission of low bit rate video remote monitoring based on fixed background is proposed， through the wavelet preprocessing， motion object extraction and frame fixed background motion compensation are improved， to improve compression and transmission efficiency of video image， and realize the real-time transmission of remote video monitoring.
關(guān)鍵詞： 固定背景；低比特率；壓縮
Key words： fixed background；low-bit-rate；compression
中圖分類號(hào)：TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2013）26-0179-02
0 引言
在某些特定的工業(yè)場所，例如偏遠(yuǎn)地區(qū)油井和高速公路，我們需要對油井裝備的運(yùn)行狀態(tài)以及高速公路路面情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但由于有線傳輸線路鋪設(shè)不便或維護(hù)費(fèi)用昂貴等問題，只能采用短波和超短波通信，信道帶寬只能達(dá)到16Kb/s，利用傳統(tǒng)的視頻圖像壓縮方法不能滿足視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>
在采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的錄制過程中，采用D1格式（704×576），25FPS的視頻流，按YCbCr4：2：2格式進(jìn)行8bit量化，每幀圖像的數(shù)據(jù)量為704×576×2×8×25=162.2Mb/s，考慮到壓縮后的視覺效果，采用JPEG2000編碼標(biāo)準(zhǔn)對視頻進(jìn)行壓縮比為128：1的壓縮[6]，則其壓縮碼流速降為1.267Mb/s，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到短波、超短波小于20Kb/s的要求，因此必須根據(jù)此類視頻的特點(diǎn)改進(jìn)壓縮算法，保證實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)。
1 傳統(tǒng)的壓縮方法分析
當(dāng)前的視頻圖像編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)方法無法對在固定背景下的設(shè)備運(yùn)行視頻圖像進(jìn)行高倍壓縮，以滿足短波、超短波信道有限傳輸帶寬的要求。因此，必須針對此類情況，研究針對性更強(qiáng)的視頻壓縮方法。
文獻(xiàn)[1]提出了一種基于甚低比特率水下視頻圖像壓縮編碼的方法，幀間編碼采用基于小波樹的WDR算法，幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償針對小波預(yù)處理后的子帶進(jìn)行，算法的壓縮比可以達(dá)到250：1～500：1，能夠滿足極低比特率下的視頻傳輸，但其對于運(yùn)動(dòng)對象和背景圖像的考慮較少。
對于視頻對象的提取文獻(xiàn)[2]提出了一種基于背景差值法的運(yùn)動(dòng)物體檢測，其先對圖像進(jìn)行濾波去噪，然后采用背景差值法將運(yùn)動(dòng)圖像和背景圖像做差，得到差分圖像。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于三幀差分和背景差分相結(jié)合的分割，能夠更好、更準(zhǔn)確的將運(yùn)動(dòng)對象從背景圖像中分離出來。
對于油井設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場以及遠(yuǎn)程高速公路監(jiān)控等視頻，有其獨(dú)特的成像特點(diǎn)：
其一，背景固定，由于攝像機(jī)是固定的，拍攝的背景也是固定的；
其二，視頻的關(guān)注點(diǎn)在于特定對象的變化，如裝備、車輛等，而對其它的部分關(guān)注度可以忽略。針對以上特點(diǎn)，我們可以從視頻圖像預(yù)處理、對象與背景分別編碼等幾個(gè)方面對壓縮算法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，算法的壓縮率能夠達(dá)到300：1，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，解碼后的圖像能夠滿足人們的需求。
2 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻壓縮編碼方案
本文提出的編碼方案主要從視頻圖像預(yù)處理，視頻對象提取和幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償三個(gè)方面提高圖像的壓縮率，實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)傳輸。
2.1 視頻圖像預(yù)處理 由于現(xiàn)場攝像機(jī)拍攝得到的視頻幀序列圖像為彩色圖像RGB三通道，但彩色圖像對于我們實(shí)時(shí)掌握路面大體情況和裝備狀態(tài)沒有必要，為了提高視頻壓縮率，將其轉(zhuǎn)化為單通道灰度圖像，公式如下[4]：
I=λRR+λGG+λBB
I為轉(zhuǎn)換后的灰度值，灰度值范圍從0到255，它由R、G、B三種顏色以不同比例擬和而成，本文中RGB的三個(gè)系數(shù)采用一組圖像處理中比較常用的值：0.2989，0.5870，0.1140。
然后對得到的視頻圖像進(jìn)行一級(jí)離散小波變換（DWT），由此得到LL1、LH1、HL1和HH14個(gè)子帶。根據(jù)監(jiān)控圖像具有對比度低和紋理細(xì)節(jié)少的特點(diǎn)，舍棄所有高頻子帶，只保留低頻子帶LL1，而以后所有進(jìn)行的幀內(nèi)視頻對象的提取和幀間的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼都是在預(yù)處理后的子帶LL1上進(jìn)行的，這樣不但消除了視頻監(jiān)控圖像中大量的視覺冗余，而且有效的提高了視頻圖像的壓縮率。
2.2 視頻對象的提取 在視頻圖像處理中，有三種比較常用的運(yùn)動(dòng)物體檢測方法：
①背景差值法；
②圖像幀間差分法；
③基于光流的方法以及基于塊匹配的方法[2]。由于本文監(jiān)控視頻都是采用固定的攝像機(jī)拍攝，所得的視頻背景是相同的，因此采用背景差值法提取視頻對象。其公式如下：Δf（x，y）=fk（x，y）-b（x，y） 其中fk（x，y）為視頻圖像的當(dāng)前幀，b（x，y）為視頻的背景，不隨幀數(shù)的改變而改變。由于本文研究的對象是設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，因此可以提前采集背景，但由于光照、攝像機(jī)抖動(dòng)、天氣等原因可能造成視頻運(yùn)動(dòng)背景的變化，因此設(shè)定一個(gè)閥值T，當(dāng)Δf（x，y）變化值小于T時(shí)，認(rèn)定背景圖像沒有發(fā)生變化，當(dāng)大于T時(shí)，更新背景幀。
編碼的具體步驟如下：
Step1：提前采集背景，設(shè)定原始背景幀b（x，y），采用CDF9/7小波進(jìn)行離散小波變換，采用較低的編碼比特率對背景圖像進(jìn)行SPIHT編碼后傳至解碼端保存；
Step2：將預(yù)處理后的視頻幀LL1子帶與背景幀LL1子帶做差得到視頻前景，也就是視頻的運(yùn)動(dòng)對象，采用CDF17/11小波進(jìn)行離散小波變換，采用較高的編碼比特率對得到的運(yùn)動(dòng)對象區(qū)域進(jìn)行高質(zhì)量的壓縮編碼并傳輸；如圖2所示；
Step3：在解碼端根據(jù)設(shè)定的背景幀對視頻進(jìn)行還原，并判斷Δf（x，y）與閥值T的關(guān)系，判斷是否需要更新背景幀。
2.3 幀間的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 根據(jù)上節(jié)確定的運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，采用塊匹配的算法得到運(yùn)動(dòng)矢量。將得到當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)對象的區(qū)域劃分2×2的宏塊，用全搜索算法在參考幀的運(yùn)動(dòng)對象區(qū)域中搜索匹配塊，得到運(yùn)動(dòng)矢量。利用這些運(yùn)動(dòng)矢量，對原始圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償后的圖像即為預(yù)測誤差。對運(yùn)動(dòng)矢量和預(yù)測誤差進(jìn)行量化、編碼后進(jìn)行傳輸，在解碼端進(jìn)行反變換得到原始圖像。
對于固定背景的遠(yuǎn)程視頻圖像，本文采用24幀/s采集速度速度，其視頻序列的組成為IBBPBBPBBPBBPBBPB
BPBBP。其中I幀采用前述的幀內(nèi)編碼的方式，也就是基于固定背景視頻對象提取的編碼方法，P幀采用幀間預(yù)測編碼方式獲得，而B幀是解碼時(shí)由解碼程序根據(jù)各個(gè)視頻對象運(yùn)動(dòng)估計(jì)矢量插值得到的雙向幀，不占編碼傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，這樣不但可以提高解碼視頻圖像的視覺質(zhì)量，而且提高了幀速率。
3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
取一段監(jiān)控視頻，利用本文的方法進(jìn)行視頻壓縮重建。取其中的幾幀圖像視覺效果以及PSNR曲線如圖1所示。
經(jīng)檢測，解碼后的圖像的PSNR均在29以上，符合人眼視覺的最低要求，且由圖1內(nèi)容可以看出，根據(jù)本文提出的壓縮編碼方法對遠(yuǎn)程視頻圖像進(jìn)行處理后重建的圖像從人的視覺效果和PSNR值都滿足要求，具有可行性。其壓縮比能夠達(dá)到300：1，經(jīng)過16Kb/s的短波信道的傳輸試驗(yàn)，沒有明顯的延遲現(xiàn)象，能夠清晰辨別視頻中對象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>
4 結(jié)論
提出了一種基于固定背景下的遠(yuǎn)程視頻圖像的壓縮編碼方法，預(yù)處理過程去掉了視頻中的視覺冗余，并減少了視頻后續(xù)編碼的計(jì)算量和編碼比特率。通過固定背景的差分法提取運(yùn)動(dòng)對象，背景與運(yùn)動(dòng)對象的分別編碼傳輸減少了幀間冗余，并且加強(qiáng)了感興趣區(qū)域的圖像質(zhì)量，通過幀間的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼消除了幀間的時(shí)間冗余，提高了視頻圖像編碼的效率。實(shí)驗(yàn)證明，在重建圖像質(zhì)量滿足需要的前提下，視頻圖像的壓縮率達(dá)到300：1，基本滿足短波信道的16Kb/s的帶寬實(shí)時(shí)傳輸需求。
參考文獻(xiàn)：
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