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独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期 日期 网管系统中的无线远程视频监控系统研发 摘要 本课题的目的和意义在于为适应综合网管的需要，把数字图像压 缩技术和无线扩频通信技术融入网管系统中，以改善和提高综合网络 管理水平。本论文主要介绍了网管系统中的无线远程视频监控系统的 物理设计与实现。该系统能够满足网管系统中对监控图像传输的基本 要求。 论文的第一章讲述了系统的基本要求和基本需求；论文的第二章 章介绍了网管系统情况；论文的第三章到第六章，分别阐述了系统实 现的理论基础，如：数字图像压缩理论，扩频通信理论，排队理论， d s p 技术，特别着重介绍小波变换技术和直接序列扩频通信技术：论 文的第七章到第九章介绍系统设计方案与实现方案；论文第十章介绍 了系统的改进设想； 本论文结合本人在综合网管系统中的研发，通过大量实践，已经 逐步形成一个完整的功能子系统。 关键字：图像压缩技术；小波变换；扩频通信；直接序列扩频( d s s s ) 技术； 北京邮电大学硕士学位论文 网管系统中的无线远程视频监控系统研发 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m o ni n t e g r a t e dn e t w o r km a n a g e 肛荆t a b s t r a c t t h et h e s i so fp u r p o s ea n dm e a n i n gp a y sa t t e n t i o nt or e q u i r e m e n t s o fi n t e g r a t e dn e t w o r km a n a g e m e n t ，d i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y a n dw i r e e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw e r eu s e dt o i n t e g r a t e dn e t w o r k m a n a g e m e n tw o u l di m p r o v em a n a g e m e n tl e v e l so fi n t e g r a t e dn e t w o r k t h ep a p e rm a i n l yi n t r o d u c e sp h y s i e a ld e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o no f w i r e l e s sv i d e es u r v e i l l a n c es y s t e mo ni n t e g r a t e dn e t w o r km a n a g e m e n t a t p r e s e n t ，t h j s s u b s y s t e m c o u l da n s w e rh a s i c r e q u i r e m e n t s o fv i d e o s u r v e i l l a n c eo n i n t e g r a t e dn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m t h ef i r s tc h a p t e ro fp a p e ri n t r o d u c e sh a s i cr e q u e s t sa n dr e q u i r e m e n t s ， s e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e sb a s i cs i t u a t i o no fn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m f o r mt h i r dc h a p t e rt os i x t h c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e o r y o f s y s t e m r e a l jz a z i o n ，f o re x a m p l ed i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o np r i n c i p l e ，w i r e l e s s t 1 a n s m is s i o n p r jn c i p l e ，q u e u ep r i n c i p l e ，d s pt e c h n o o g y ，e s p e c i a l l y ， jn t r o d u c e sw a v e l e tt r a n s f o r m t e c h n o l o g y a n dd i r e c t s e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ( d s s s ) t e c h n o l o g y f o r m s e v e n t h c h a p t e r t on i n t h c h a p t e r i n t r o d u c e sp r o j e c to fd e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o n f i n a l l yt e n t hc h a p t e r i n t r o d u c e si m p r o v e m e n ta n dv i e wi nt h ef u t u r e t h ep a p e ri n c l u d e sl o t so fp r a c t i o eo fd e v e l o p m e n t ，s u b s y s t e mh a d c a m p e t e da l1 o ff u n c t i o no fs y s t e mo ni n r e g r a t e dn e t w o r km a n a g e m e n t k e y w o r d ：v i d e o c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，s p r e a d s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m( d s s s ) t e c h n o l o g y 4 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 第一章绪论 一课题的研究背景和意义 随着电信部门业务的不断扩展，加强管理和监控机制势在必行。本课题的设 立也是来源于此，现在电信部门对网管系统提出新的要求，要在已建或在建的网 管系统之上，增加远程异地机房的图像监控管理的需求。 二本课题的阶段分析 对现有网管系统进行了简单的分析发现，有许多无人职守机房的系统通信方 式基本采用有线公网方式，不能形成一套完全独立的安全通信管理机制，安全管 理的条件不具备。所以需要对此业务的无人机房增加无线图像监测手段，以提高 管理和监督能力。 针对此问题，课题研发被规划为以下几个研究阶段： 第一阶段：基本完成单址异地无人职守机房的图像监控传输； 第二阶段：基本完成多址图像监控传输及图像数据库建立： 第三阶段：基本完成将网管数据上挂无线信道，与图像数据同传； 本课题属于第一阶段研究范畴内，所以制订研发方案时，不但要考虑与网管 系统有机结合的问题，又要考虑具有相对的独立性。 1 系统设计的基本要求及相应技术难点 本课题的基本要求简单说，就是设计一套无线的数字视频监控系统，能够在 l o k m 的距离内提供清晰的视频图像。 为了实现这一系统，需要解决两个关键的技术难点： 第一，数字化后的视频信号数据量很大，大约为2 1 6 m 1 0 i t s ，无论存储和传 输都不现实，需要对其进行压缩，尤其是无线信道，带宽有限，更需要在保证图 像质量的前提下进行低码速率的压缩。 北京邮电大学硕士学位论文 网管系统中的无线远程视频监控系统研发 第二，由于无线信道的衰落、多径传播等特点，需要采用一种台适的编码调 制方法，保证信息的有效可靠传输。 2 系统整体结构设计 系统整体设计从功能上分大体有三个部分 ( 1 ) 图像数据压缩部分； ( 2 ) 数据桥部分； ( 3 ) 无线通信部分； 系统整体设计从结构上分大体有两个部分： ( 1 ) 发送部分； ( 2 ) 接收部分； 发送部分 图像数据编码 ( 1 ) 图像数据压 缩部分； 图像数据解码 发送数据桥 2 ) 数据桥部分 接收数据桥 无线通信发送 ( 3 ) 无线通信部 分： 无线通信接收 接收部分 三本课题中本人完成的主要工作 ( 1 ) 分析项目具体需求，制定课题的研究方向 ( 2 ) 深入研究各方向理论，并深入分析和对比 ( 3 ) 设计系统整体方案，并进行应用细化； ( 4 ) 硬件电路和芯片的功能筛选： ( 5 ) 搭建各部分硬件电路，并进行分项调试 ( 6 ) 最后提出阶段系统改进意见： 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 第二章网管系统概述 网管系统的研发和建设不是一个经验性过程，它自身的发展存在着客观的规 律。我们只有承认这种客观规律性的存在，正确认识这些规律的特点，准确把握 系统发展方向，才能够以一个负责任的行业先锋的姿态引导系统向更高的层次发 展，为通信事业的发展作出应有的贡献。 一影响系统发展的因素 网管系统作为一个管理系统，首先不可避免地受到被管对象的影响。被管 对象对管理系统的作用是决定性的也是最直接的。其次，作为管理系统，它的使 用者也是影响它的一个重要因素。作为最终用户，网管系统的使用者对系统的评 价和要求是非常具有价值的。一般而言，对网管系统具备主要影响性的因素主要 有以下四个： 网络的建设 通信网的建设是一个不断发展的过程，在此过程中网络的规模和容量不断扩 大，使用的设备种类也不断增加，网络结构甚至组网原理都在发展和变化。这就 要求网管系统必须适应这样的发展要求，这种适应是必须的。 业务的发展 业务与网络密切相关，从早期的网管看，业务对于网管的影响很少甚至没有。 但随着电信市场化程度的提高，业务重要性得以凸现，网管系统的功能也因业务 而得到了强力的扩展。 系统的认知 人们对网管系统的认知也是一个不断发展的过程。“人们”主要包含两类群 体：开发者和使用者。开发者提出系统，使用者提出要求，两者的良性互动是推 进系统发展的重要动力。在互动的过程中，对系统的认知程度将被提高。 技术的运用 计算机技术的不断发展、不断运用，尤其是国际、国内对于网管技术的规范、 模型、体系的不断探讨和反复实践，使得网管系统凭借技术的进步可以解决以前 所无法解决或者很难解决的很多问题，这就从技术的角度推动网管系统向前发 展。 二网管系统发展历程 到目前为止，网管系统的建设大体经历了三个阶段： 第一阶段是面向维护的阶段。这一阶段主要是解决网管系统从无到有的矛 盾。主要是把原来的分散的维护人员集中起来、把原来分散的技术经验集中起来、 把原来的分散维护集中起来。这一阶段主要是实现从分散到集中的过渡，实现集 中操作和维护的目的。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 网管系统中的无线远程视频监控系统研发 第二阶段是面向管理的阶段。这一阶段在前面工作经验的基础上，开始将管 理思路融入网管系统中，开始在功能上注重管理的功能，开始将原来分散的功能 结合在一起，开始将维护和管理体系与网管系统有机地结合在一起，使得网管系 统成为一个维护和管理的平台。 第三阶段是面向经营的阶段。这一阶段对网管系统在管理上，功能要求更加 完善和成熟。工作流程管理和计算机化的考核成为主要的实现目标；更为重要的 在网管功能上，对系统智能化程度要求越来越来高；各个管理部分结合的更为紧 密，对综合分析、自动处理的能力要求也越来越来高；网管系统与业务系统的关 系更加紧密，各种业务的实施都要通过网管系统来实现。网管系统逐渐发展成一 个对网络的智能管理工具和对业务的端到端实施工具。 三系统发展的五大趋势 分析网管系统的发展趋势，必须掌握正确的分析方法。可以从影响网管系统 的几个因素的现实情况来进行分析。 系统平台化 长期以来网管系统的专业化和综合化一直是一个困扰网管发展的问题。网络 基本上是按照专业划分的，每专业都配备了本专业的网管系统。但专业网络彼此 之间并不是孤立和割裂的，各专业网络的彼此配合才可以完成某个业务的开通。 各管一段的横向管理办法，必然与业务的纵向实施产生矛盾。 网管综合化一直是用户追求的目标，一些建设方法也得到了有效的尝试。最 早的“大而全”的，直接管理网元的综合网管建设思路已经被事实证明是比较失 败的，漫长的建设周期和低效的管理方式是用户无法接受的。而直接在专业网管 之上构筑综合网管系统也因信息系统间损耗过多，而不被看好。 系统平台化因其适配灵活、构筑方便且扩展性好，慢慢成为系统的发展方向。 平台化主要体现在网管与网络尽量无关性上，专业网管彼此不兼容的主要原因就 是因其系统与网络的相关性太强而导致的，而平台化将有效解决这一点。由适配 器进行的网管和网络的隔离，使得被管网络的类型可以得到任意的扩展。 系统平台化还体现在接入界面上、逻辑抽象上等，子系统的平台化也是系统 平台化的一个重要特征。 规模更集中 网管系统从开始就是体现了集中的思想。首先是集中维护，然后有了集中监 控、集中管理。长期以来，网管的建设，主要是固网网管的建设，是以本地网为 单位的。 规模更加的集中，无论从建设成本、管理成本、业务带动、经验共享及系统 维护等各方面因素考察，都要比目前的按本地网分散的形式更有优势。采用省集 中方式管理的应该是大势所趋。 处理更分布 与建设规模更集中相反，系统的处理方式将更分布。一方面由于更大规模的 集中导致系统处理负荷急剧增加，从负载平衡和健壮性的角度考虑，分布式的处 理都是最佳的解决办法。另一方面合理的分布方式，有效地提供了系统的扩展能 力，也为大规模集中提供解决途径。 分布首先表现在设备上，无论采集处理设备、应用服务设备或数据库设备都 可以采用并行处理或负载分担的方式。分布还表现在功能上，应用功能的提供可 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 以是分布的。应用逻辑在高度抽象后，可以以服务的方式分布在多个设备上，系 统根据忙闲情况选择一个轻负载的设备来运行。从功能上看，对系统的使用也是 分布的，用户可以在不同的地域或者逻辑位置使用系统。 与资源结合紧密 网管( n m s ) 和资源管理( r m s ) 是重要组成部分。资源管理偏重于资源数据的静 态管理和调度，而网管系统从某种程度上也可以认为是资源管理的一种监测、控 制和实施工具。网管系统只有与被管网络的资源数据有机结合在一起，才能够真 正做到动态、智能化的管理和维护。 从故障管理的角度，可以很清楚地看到这一点。对于缺乏资源信息的故障管 理，很难向用户提供形象而准确的故障定位，更谈不上多故障的相关分析、关键 故障的确认等能力。 对于性能分析和控制，更是必须准确依托于资源数据。 更多面向业务 电信行业的市场化直接影响到了网管的发展变化，这种影响是方向性的。正 因为整个行业都慢慢从规模竞争转向业务竞争，网管系统也开始逐渐从幕后走向 台前，从面向管理维护人员层面，开始逐渐将重心转移到面向管理经营层面，甚 至间接面向用户。这点，从网管的功能需求上表现得越来越清晰。 一方面，网管因其对网络、设备的控制功能，长期以来一直是作为业务工单 的自动实施工具，极大地提高了业务工单的处理效率。随着业务类型的不断翻新， 对于工单的处理能力要求必然日益提高，网管系统必然在体系上要保证对工单的 控制、管理和实施。同时，对于设备和网络的控制将越来越多地与工作流和预案 管理相结合，网管的智能化程度将得到更大的提升，网管的业务快速实施能力必 然得到极大的加强。 另一方面，网管对于被管对象的无差别化管理将逐渐走向差别化管理，对于 重点通信用户的重点维护将与大客户经营系统有机的结合起来，同时也成为实现 的一个必须的环节。 总的看，网管正处于或者开始处于“面向经营”的发展阶段，网管在整个电 信运营系统的位置必然随之改变。对于业务，网管也将开始扮演越来越重要的角 色。市场永远青睐先知先觉者，我们将把对网管的认识和把握转化为产品，推动 运营商事业不断向前发展。 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 第三章图像数据压缩的基本理论与相关技术 3 1 图像压缩理论基础 视频信号经摄像头获取后经过的第一个处理环节就是模数变化。由于历史发 展原因，导致世界各国采用的电视制式不同，我国模拟电视的标准是p a l 制，美 国为n t s c 制：为在不同国家建立可视电话或会议业务，还制定了c i f 和q c i f 公共图像格式。为统一数字视频制式，分辨率等级相同时模拟电视数字化后都能 得到相同速率的数字视频流。当图像分辨率要求不同时得到不同速率的数字视频 流。各种分辨率下图像数字化速率见下表。 视频图像尺帧频比特像数码率 视频类型典型应用 寸( 象素)( h z )系( m b p s ) q c i f 1 7 6 1 4 43 01 29 1电视电话 c i f3 5 2 2 8 83 01 21 8 2会议电视 i t u r 7 2 0 5 7 62 51 61 6 5 9普通电视 6 0 1 i t u r 高清晰度电 1 9 2 0 x1 1 5 22 51 6 8 8 4 7 7 0 9 视 表3 1 - 1 几种常用视频信号的码速率 从上表可知，数字化视频的数据量是有多庞大，这无论是对视频传输和存储 都提出了严峻的考验。在第一部分中我们提到了，空中连接选择的是3 4 0 m 频段， 8 m 带宽无线直扩传输方式，从而我们可以估算出信道只能承载几百k b s 的数据 流量。因此选择一种在低码率还能保证一定的图像质量的视频压缩算法在确保整 个系统性能上就起到至关重要的作用。 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 3 1 t 视频信息冗余度分析 为了达到视频数据压缩的目的，就要先对数据源冗余度进行统计特性分析。 具体分类如下： 1 空间冗余度。一幅视频图像相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间 相关性，这就是空间冗余度。图像的空间相关性表示相邻象素点取值变化缓慢。 从频域的观点看，意味着图像信号的能量主要集中在低频附近，高频信号的能量 随频率的增加而迅速衰减。通过频域变换，可以将原图像信号用直流分量及少数 低频交流分量的系数来表示，这就是变换编码能消除视频冗余信息达到数据压缩 的依据。 2 时间冗余度。时间冗余度表现在视频流中相继各帧对应象素点的值往往 相近或相同，具有时间相关性。在知道了一个象素点的值后，利用此象素点的值 及其与后一象素点的值的差值就可求出后一象素点的值。因此，不传送象素点本 身的值而传送其与前一帧对应象素点的差值，也能有效地压缩码率。预测编码就 能有效消除图像时间上冗余度达到压缩的目的。 3 视觉冗余度。视觉冗余度是相对于人眼的视觉特性而言的。人眼对于图 像的视觉特性包括：对亮度信号比对色度信号敏感，对低频信号比对高频信号敏 感，对静止图像比刘运动图像敏感，以及对图像水平线条和垂直线条比对斜线敏 感等。因此，包含在色度信号，图像高频信号和运动图像中的一些数据并不能对 增加图像相对于人眼的清晰度做出贡献，而被认为是多余的，这就是视觉冗余度。 压缩视觉冗余度的核心思想是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的 图像数据。对视觉冗余度的压缩通常已反映在各种具体的压缩编码过程中。如对 于d c t 系数的直流与低频部分采取细量化，而对高频部分采取粗量化，使得d c t 变换能借此压缩码率，并能有效地进行行游程编码。在帧间预测编码中，大码率 压缩的预测帧及双向预测帧的采用，也是利用了人眼对运动图像细节不敏感的特 性。 4 统计冗余度。对于一串由许多数值构成的数据来说，如果其中某些值经 常出现，而另外一些值很少出现，则这种由取值上的统计不均匀性就构成了统计 冗余度，可以对之进行压缩。目前用于消除此类图像冗余的数据压缩方法主要是 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 霍夫曼编码。 当然除上述提到的几种情况，图像冗余度还体现在图像构造冗余，知识冗余 ( 收发两端对人物的共有认识) 等，又由此引出的轮廓编码，区域分割，基于知 识编码等图像压缩方式。这些方式主要用于第二代压缩技术，目前还处于发展中。 1 种类 9 内容目前用的主要方法 统计空间冗余像素间的相关性变换编码，预测编码 特性l时间冗余时间方向上的相关性帧间预测，移动补偿 图像构造冗余图像本身的构造轮廓编码，区域分割 知识冗余收发两端对人物的共有认识基于知识的编码1 i 视觉冗余卜的视觉特性 非线性量化，位分配 其他 l 不确定性因素0 表3 1 1 - 1电视图像压缩利用的各种冗余信息 3 1 2 视频压缩技术介绍 图像压缩一般是通过改变图像的表示方式来达到，因此压缩和编码是分不开 的。压缩编码的方法有很多，主要有预测编码，变换编码、熵编码等。按照图像 处理流程，一般是在预测编码、变换编码后，将预测误差、变换系数量化，再进 行相应的熵编码。下面就逐一介绍这些相关的技术。 ( 一) 预测编码 所谓预测编码是指，根据一定的规则先预测出下一个象素点或图像子块的 值，然后将此预测值与实际值的差值传送给接收端。举个简单的例子，因为像素 的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻像素之间灰度值的差别可能很小。如 果我们只记录第一个像素的灰度，其它像素的灰度都用它与前一个像素灰度之差 来表示，就能起到压缩的目的。如2 4 8 ，2 ，l ，0 ，l ，3 ，实际上这6 个像素的 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 灰度是2 4 8 ，2 5 0 ，2 5 1 ，2 5 1 ，2 5 2 ，2 5 5 。表示2 5 0 需要8 个比特，而表示2 只 需要两个比特，这样就实现了压缩。目前图像压缩中的预测编码主要用于帧间压 缩编码。具体方法是： ( 1 ) 当前帧在过去帧的窗口中寻找匹配部分，从中找到运动矢量； ( 2 ) 根据运动矢量，将过去帧位移，求得对当前帧的估计； ( 3 ) 将这个估计和当前帧相减，求得估计的误差值： ( 4 ) 将运动矢量和估计的误差值送到接收端去。 ( 5 ) 接收端根据收到的运动矢量将过去帧作位移( 也就是对当前帧的估计) ， 再加上接收到的误差值，就是当前帧了。 由于运动矢量及差值的数据量低于原图像的数据量，因而也能达到图像数据 压缩的目的。实际应用中根据参考帧选取的不同，具有运动补偿的帧间预测可以 分为前向预测、后向预测和双向预测。显然双向预测的压缩效果最为明显。m p e g 2 就采用了双向预测的帧间压缩编码技术。 ( 二) 变换编码 所谓变换编码是指，将给定的图象变换到另个数据域( 如频域) 上，使得 大量的信息能用较少的数据来表示，从而达到压缩的目的。变换编码有很多，如 卡南一洛伊变换( k l t ) ，离散傅立叶变换( d f t ) ，离散余弦变换( d c t ) ，小波变换， 离散啥达玛变换( d h t ) 等。上述各种变换的根本区别在于选择不同的正交向量， 因而得到不同的正交变换。各种正交变换在不同程度上减少随机向量的相关性， 而且信号经过大多数正交变换后，能量会相对集中在少数变换系数上，删去对信 号贡献小( 方差小) 的系数，只利用保留下来的系数恢复信号时，不会引起明显 的失真。k l t 在均方误差准则下，理论上是一种最佳的变换，但由于基向量的选 取与信号的统计特性有关，不具有普遍适用性，同时缺少快速算法导致不能被普 遍应用。d c t 在信号的统计特性符合一阶平稳马尔柯夫过程时，十分接近k l t ， 变化后能量集中程度较高。即使信号的统计特性偏离这一模型，d c t 的性能下降 也不显著。由于d c t 的这一特性，再加上其基向量是固定的，并具有快速算法等 原因，在图像数据压缩中得到广泛的应用。目前大部分国际标准如m p e g 、h 2 6 x 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 等都采用了d c t 。 ( 三) 量化 量化是将数据用有限个量化值来表示，从而实现压缩目的。图像的失真主要 ：鼍在这一步引入的。量化是一个对压缩后的码率和重建图像质量产生重要影响的 步骤。在压缩编码中常常使用自适应量化器。自适应量化器是一组预先设定好的、 具有不同量化台阶的均匀量化器，在工作时根据信号特性的动态变化自动地切换 到具有适当量化台阶的量化器上工作。例如在图像数据压缩中，根据视觉的空间 域掩蔽效应，对图像细节丰富的部分使用量化台阶大的量化器，在细节少的部位 使用量化台阶小的量化器，以使图像各部位由量化而产生的噪声的能见度大致相 同。例如图像在d c t 变换之后，量化的处理方法一般就采用分带编码和域值编码。 分带编码方法是将变换系数分成几个频带，方差大的给与较多比特，方差小的给 与较少比特，甚至零比特。该方法适于处理具有相同统计特性的图像。对于统计 特性相差较大的图像，如普通电视图像，适于域值编码。在这种方法中，先设定 一个( 或一组) 域值，只对幅度大于、或等于域值的系数进行量化，小于域值的 则被截断。随之而来，就是要记录截断的位置，通常采用游程编码来表示非零系 数前面的零系数的个数来实现。 ( 四) 熵编码 对于一串由许多数值构成的数据来说，如果其中某些值经常出现，而另外一 些值很少出现，则这种由取值上的统计不均匀性就构成了统计冗余度，可以对之 进行压缩。具体方法是对那些经常出现的值用短的码组来表示，对不经常出现的 值用长的码组来表示，因而最终用于表示这一串数据的总的码位，相对于用定长 码组来表示的码位而言得到了降低，这就是熵编码的思想。目前用于图像压缩的 具体的熵编码方法主要是霍夫曼编码，即对出现概率较大的符号用较短的码字， 而对概率较小的符号采用较长的码字。因此，它是一种变长码，通常被称为最优 码。具体步骤如下： ( 1 ) 合并将信源中最小概率的两个事件合并成一个事件。 ( 2 ) 置换将合并后的信源的事件重新按概率大小排列( 等概率的事件可 以按任意事件排列) 。 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 ( 3 ) 若合并后的信源中事件的个数大于2 合并信源中事件数等于2 ，则进行步骤( 4 ) 。 ( 4 ) 赋值在最后得到的信源 x 掰豢j 重复执行步骤( 1 ) 和( 2 ) ：若 中给x 卅_ 2 和x ! 卅2 分别赋值0 ( 或1 ) 和1 ( 或o ) 。 ( 5 ) 反推 由于工 “( 或工 一2 ) 一定是由两个事件构成的，因此，对应 于这两个事件的码字由工妒一2 ) 的码字分别加上0 和1 。以此类推，一直到返回原 信源为止。 3 1 3 视频压缩标准 任何一种视频压缩标准都是综合几种算法针对某种应用的混合编码方案。 目前有关图像压缩方面的主要标准包括c c i t t 的h 2 6 x ，j p e g 和m p e g 。是 分别针对电视电话图像，静止图像和活动图像的压缩编码标准。这几种压缩标准 虽然各自针对性不同，但压缩编码方法大体相似。 ( 一) i t 2 6 x h 2 6 x 系列主要包括h 2 6 1 ，h 2 6 2 ，h 2 6 3 电视电话会议电视的建议标准h 2 6 1 常称为p 6 4 k 标准，其中p 是取值为 1 到3 0 的可变参数：p = l 或2 时支持四分之一中间格式( q c i f ) 的帧率较低的视频 电话传输；p 6 时支持通用中间格式( c i f ) 的帧率较高的电视会议数据传输。 px 6 4 k 视频压缩算法也是一种混合编码方案，即基于前向预测算法、块d c t 和 霍夫曼编码方法的混合。在低传输速率时( p = i 或2 ，即6 4b i t s 或1 2 8 k b i t s ) ， 除o c i f 外还可使用亚帧( s u b - f r a m e ) 技术，即每间隔一帧( 或数帧) 处理一帧，压 缩比可高达5 0 ：l 左右。其中每帧图像分四个层次处理，从底层往上依次为块层、 宏块层、块组( g o b ) 层，图像层。 h 2 6 2 主要式针对广播电视质量由i t u - t 制定的视频压缩标准，它与m p e g 2 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 基本一致，可参考m p e g 2 的相关说明。 h 2 6 3 是i t u t 制定的低码率视频信号压缩标准。在相当长的一段时间内， 对于大多数家庭和企业来说，能够使用的线路还只有电话线，以此需要制定一个 能够在3 0 k b s 左右的速率下提供可以接受质量的视频信号压缩标准，因此推出 了h 2 6 3 编码标准。h 2 6 3 在许多方面对h 2 6 1 进行了改进和扩充，主要是采用 了半像素精度的运动补偿，此外还可选择先进的预测模式，基于句法的算术编码 等。在编码算法复杂度增加很少的基础上，挝2 6 3 自提供更好的图像质量、更低 的速率，十分适合于i p 视频会议、可视电话应用。目前，h 2 6 3 编码是i p 视频 通信采用最多的一种编码方法，并已被许多多媒体通信终端标准所吸收，如： i t u - t h 3 1 0 ( b i s d n ) 、h 3 2 0 ( i s d n ) 、h 3 2 4 ( p s t n ) 、h 3 2 3 ( l a n 、w a n 、 i n t e r n e t ) 。 ( 二) j p e g j p e g 是联合图像专家组( j o i n tp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 的英文缩写，是 国际标准化组织( 1 s o ) 和c c i t t 联合制定的静态图像的压缩编码标准。 p e g 算法， 具有以下四种操作方式：顺序编码、累进编码、无失真编码、分层编码。其中最 常用的是基于d c t 变换的顺序型模式，其主要编码过程与h 2 6 1 的帧内编码过程 大致相阐。输入信号经d c t 变换后，按固定的亮度与色度量化矩阵进行非线性量 化。对量化后的d c t 直流系数进行差分编码，交流系数进行行游程编码，再按霍 夫曼码表进行变长编码后，送缓存器输出。j p e g 由于是一神不含帧间压缩的帧 内压缩编码方法，所以压缩比较帧内帧间压缩要低。但就因为不含帧间压缩， 使得各帧在压缩编码后是各自独立的，这一点对于编辑来说是有利的，可以做到 精确到逐帧的编辑。所以对于活动画面只进行帧内压缩的m o t i o n j p e g ，目前仍 然在一些数字电视编录设备，如非线性编辑系统中得到应用。顺便提及的是目前 正在制定的j p e g 2 0 0 0 ，旨在迸一步改进目前压缩算法以适用低带宽，高噪声环 境，采用的是小波变换，而不是d c t 。 ( 三) 船e g m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 意思是“运动图像专家组”。这个专 家组的任务是为了对数字存储媒质、电视广播、通信等方面的运动图像和伴音给 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 出一种通用的编码方法，于1 9 9 2 年和1 9 9 4 年分别通过了m p e g 一1 和m p e g - - 2 压缩编码标准。m p e g 标准有三个组成部分：m p e g 视频；m p e g 音频：视频与音频的 同步。m p e g 视频是m p e g 标准的核心。为满足高压缩比和随机访问两方面的要求， m p e g 视频压缩算法中包含两种基本技术：一种是基于1 6 1 6 子块的运动补偿技 术，用来减少帧序列的时域冗余；m p e g 在利用块匹配运动补偿来减小时间冗余 度时，不仅用上一帧的图像预测当前图像，而且也使用下一帧图像预测当前图像， 即双向预测，这是和h 2 6 l 标准有重要区别的地方。因此，m p e g 一1 和2 中有三 种类型图像，即i 、b 、p 三种。i 帧只进行帧内压缩，是作为预测基准的独立帧， 具有较小的压缩比。由i 帧前向预测产生的p 帧具有中等压缩比，并与i 帧一起 成为b 帧的预测基准。由双向预测产生的b 帧则具有最高的压缩比。另一种是基 于d c t 的压缩，用于减少帧序列的空域冗余；在帧内压缩及帧间预测中均使用了 d c t 变换。运动补偿算法是当前视频图像压缩技术中使用最普遍的方法之一。 m p e g 由于压缩算法复杂、计算量大，其实现一般要专门的硬件支持。 m p e g 用句法规定了一个层次性的结构，共分六层。这六层是图像序列( v i d e o s e q u e n c e ) 一图像组( g r o u po fp i c t u r e ) 一图像( p i c t u r e ) 一宏块条( s 1 i e e ) 一宏块 ( m a c r ob l o c k ) 一块( b l o c k ) 。具体功能如下表所示。 砖法规定的层次3 功能l 陪法规定的层次l b 能l 陋锄川哪r ，卜一黔嬲( s m 靛桫i 黔剧g r 0 f p i c t u 黟嘲频熙剐m a c r o b h 棠偿 4 图像层( p i c t u r e l a y e r ) 0 基本编码单元 陆层( b 1 。c k l a y e r ) l l d c t 单元 表3 1 3 一lm p e g l 一2 规定的层次功能 m p e g 一1 标准( i s o i e c t l l 7 2 ) 制定于1 9 9 2 年，是针对1 5 m b p s 以下数据 传输率的数字存储多媒体运动图像及其伴音编码设计的国际标准。关键压缩技术 仍是d c t 、运动补偿和h u f f m a n 编码。m p e g 一1 的信源输入格式是s i f ( n t s c 制为 3 5 2x 2 4 0 ；p a l 制为3 5 2 2 8 8 ) 。c c l r 6 0 1 格式的信源要转换成s i f 后进入m p e g 一 1 编码器，解码器输出也是s i f 格式，显示时要经内插，扩充为c c l r 6 0 1 格式。 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 该标准主要用于在c d - - r o m ( 包括v c d 、c d i 等) 存储彩色的同步运动视频图 像。同时，它还被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路 ( a d s l ) 、视频点播( v o d ) 、教育网络等。 m p e g 一2 标准制定于1 9 9 4 年，主要是针对数字电视的视音频压缩编码；对 数字电视各种等级的压缩编码方案及图像编码中划分的层次作了详细的规定，其 编码码率可从3 m b p s 到l o o m b p s 。在对数字电视信号进行压缩编码时，m p e g 一2 可采用多神编码工具并实现不同层次的清晰度，分别称为m p e g 一2 的类 ( ( p r o f i l e 和级乙e v e ，具体分为五类四级，如下表所示。表中，图像清晰 度由l o w 到h i g h 逐级提高，使用的编码工具从s i 泞l e 到h i g h 依次递增。2 0 个 可能的组合中有1 1 个已获通过，称为m p e g 一2 适用点，其中主类主级m p m l 适 用于标准数字电视，主类高级m p h l 则用于高清晰度电视。 s p s t i a l l y s i m p l e lm a i n s n rs c a l a b l e h i g h 类级s c a l a b l e p r o f i l e ip r o f i l ep r o f i l e p r o f i l e p r o f i l e h i g hl e v e l | l 【h i g h 一1 4 4 0 _ | i l 4卜 l l e v e l l l m a i nh e 卜卜 4卜 bl e v e - 8i 4 表3 1 3 2m p e g 一2 的p r o f i l e 和l e v e l m p e g 一2 的压缩技术和m p e g l 的异同如下： 1 m p e g - 1 只处理逐行扫描的电视图像而m p e g - 2 既处理逐行扫描也处理隔 行扫描，因此编码器中要有场帧决策的功能； 2 m p e g 一2 的d c t 有二种：帧d c t 或场d c t ； 3 咿e g 一2 的运动估计有四种：场预测、帧预测、双场预测和1 6 8 的运动 补偿； 4 m p e g 一1 和m p e g 一2 压缩编码方式均采用运动检测补偿、d c t 、量化、霍夫 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 曼编码、游程编码和v l c 等。 m p e g 一3 是i s o i e c 最初为h d t v ( 高清晰电视广播) 制定的编码和压缩标准， 但由于m p e g - - 2 的出色性能已能适用于h d t v ，因此船e g 一3 标准并未制定，我 们通常所说的m p 3 指的是m p e gl a y e r3 ，只是m p e g 的一个音频压缩标准。 m p e g 一4 于1 9 9 8 年1 1 月公布，预计投入使用的国际标准m p e g 一4 是针对一 定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。m p e g 一4 传输速率在4 8 0 0 - - 6 4 0 0 0 b p s 之间，分辨率为1 7 8 1 4 4 ，可以利用很窄的带 宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获得最佳的图像质量。 因此，它将在数字电视、动态图像、互联网、实时多媒体监控、移动多媒体通信、 i n t e r n e t i n t r a n e t 上的视频流与可视游戏、d v d 上的交互多媒体应用等方面大 显身手。 3 2 小波理论基础 1 9 8 0 年法国科学家m o r l e t 首先提出了小波变换w t ( w a v e l e tt r a n s f o r m ) ， 引起了许多数学家和工程师的极大关注。近十多年来经过许多数学家和工程技术 人员的努力探索，这门学科的理论基础已经建立，并成为当前应用数学发展的一 个新的领域。与f o u r i e r 分析相比，小波变换是时间和频率的局域变换，能更加 有效地提取信号和分析局部信号，较好地解决突变信号与非平稳信号的问题。类 似于f o u r i e r 分析，在小波分析中也有两个重要的数学实体：”积分小波变换” 和”小波级数”。积分小波变换是基小波的某个函数的反射伸缩卷积，面小波级数 是称为小波基的一个函数，用两种很简单的运算一”二进创伸缩”与”整数平移“ 表示。通过这种伸缩和平移运算可以对信号进行多尺度的细致表示。通过这种伸 缩和平移运算可以对信号进行多尺度的细致的动态分析，从而能够解决f o u r i e r 变换不能解决的许多困难闯题。 连续小波变换的定义 设x ( t ) 是平方可积函数 记作x ( t ) el 2 ( r ) ，掣( f ) 是被称为基本小波或母 小波( m o t h e rw a v e l e t ) 的函数。则 北京邮电大学硕士学位论文网管系统中的无线远程视频监控系统研发 阡h ( 盘，6 ) = 1 石卜( f ) 甲+ ( ( 卜b ) 口) a t = “( 3 2 一1 ) 称为x ( t ) 的小波变换。式中0 o 是尺度因子，b 反映位移，其值可正可负。 符号( x ，y ) 代表内积， 其含义是( 代表取共轭) ： r 2j x ( t ) y + ( t ) d t ( 3 2 - 2 ) w a b ( t ) = y 厂_ 甲( 形) 是基本小波的位移与尺度伸缩， 式( 3 2 一1 ) 中不但t - 4 日 7 是连续变量，而且a 和b 也是连续变量，因此称为连续的小波变换。需要说明 的是，基本小波w ( t ) 可能是复数信号，特别是解析信号( 如m o r l e t 小波) ，尺 度因子a 的作用是将基本小波w ( t ) 作伸缩，a 越大甲( 二) 越宽。多尺度分析中小 口 波基的选择多种多样，典型有b a t t l e 和l e m a r i e 的2 7 一系数滤波器( 简称b l 小波) ：i d a u b e c h ie s 的4 一系数滤波器( 简称d 一4 小波) ；i d a u b e c h i e s 的2 0 一 系数滤波器( 简称d - 2 0 小波) ；a n t o n