（信号与信息处理专业论文）嵌入式网络数字监控的系统接口与网络带宽测量.pdf

摘要 监控系统作为安全防卫的一个重要组成部分，在保卫公共安全方面起着重要 的作用。论文所研究的是符合当前发展趋势的网络数字监控系统的部分功能的设 计与实现。 论文首先阐述了研究背景与意义，介绍了网络数字监控系统的优点，指出监 控系统由模拟式转变为数字式、网络式的必然趋势。 其次，论文介绍了数字监控系统中所涉及的部分技术，包括图像数据压缩、 图像数据的编码方法与标准以及音频编码的技术。 随后简要介绍了嵌入式网络数字监控系统韵系统结构并对其进行了模块划 分，概述了每一模块的主要功能。 论文集中讨论了嵌入式网络数字监控系统中的自检模块的设计与实现，阐述 了该模块与主控机的通信、论述了l c d 界面接口的实现、模块的安全性设计以 及该系统的密钥存储管理。此外论文还分析了客户端到服务器端网络带宽的测量 方法，并根据该系统的实际情况在客户端实现客户端到服务器端的网络通路瓶颈 带宽测量。 采用c l i e n t s e r v e r 模式的网络数字监控系统，可以有效地对指定点实行远程 监控，具有广泛的应用前景。 关键字：数字监控系统，单片机，l w ，带宽测量， i i i a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es e c u r i t yd e f e n s e ，t h em o n i t o rs y s t e m p l a y sa v i t a lr o l e t h i sp a p e ra i m st or e s e a r c ht h ed e s i g na n d i m p l e m e n to f s o m ef u n c t i o n si n t h ed i g i t a lm o h i t o r s y s t e m w h i c ha c c o r d sw i mt h ec u r r e n td e v e l o p i n gt r e n d f i r s to f a l l ，t h i sp a p e ri l l u m i n a t e st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d a n d s i g n i f i c a n c eo f t h e p r o j e c t ，a n ds u m m a r i z e st h ea d v a n t a g e so f t h ed i g i t a lm o h i t o rs y s t e m i t sp o i n t e do u t t h a tt h ea n a l o gm o n i t o r s y s t e m w i l lb e r e p l a c e db y t h ed i g i t a lo n e i nt h en e x t p l a c e ，s o m et e c h n i q u e si nt h ed i g i t a lm o n i t o rs y s t e m ，i n c l u d i n gi m a g e d a t ac o m p r e s s i o n 、t h em e t h o d sa n dc r i t e r i ao f d i g i t a lc o d i n ga n da u d i oc o d i n g ，a r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i na d d i t o n ，t h ep a p e rb r i e f l ya n a l o g i z e st h es y s t e ms t r u c t u r eo fe m b e d d e d d i g i t a l m o n i t o r s y s t e ma n d m o d u l ep a r t i t i o n ，a n ds u m m a r i z e se a c hm o d u l e sf u n c t i o n f i n a l l y , t h et h e s i sp u t si t se m p h a s i so n t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to f a u t o m a t i c d e t e c t i o nm o d u l ei nt h ed i g i t a lm o m t o rs y s t e m s o m ek e yp r o b l e m s ，s u c ha st h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o d u l ea n dt h es e r v e r , t h ei n t e r f a c eo f l c d ，t h es e c u r i t y o ft h em o d u l e ，t h es t o r a g ea n dm a n a g e m e mo fs e c r e tk e yi nt h i s d i g i m lm o n i t o r s y s t e m ，a r e i l l u s t r a t e di nd e t a i l i na d d i t i o n t h r o u g ha n a l y z i n g t h ee n d - t o - e n d m e a s u r e m e n tm e t h o df o rl i n kb a n d w i d t ht h ep a p e rf i n dam e a s u r e m e n tm e t h o df o r b o t t l e n e c kl i n ks p e e df r o mc l i e n tt os e r v e r a c c o r d i n g t ot h i sd i g i t a lm o n i t o r s y s t e m t h ed i g i t a lm o n i t o rs y s t e mw i mc l i e n t s e r v e rf r a m e w o r kc o u l db eu s e di nt h e r e m o mm o n i t o ra n dh a st h ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：d i 莉u d m o n i t o r s y s t e m ，m c u ，1 州i r e ，m e a s u r i n g b a n d w i d t h l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特， , l j j l l 以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：e t 期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 、 导师签名；玉瑙 日期：年月日 电子科技大学硕士论文 1 1 研究背景与意义 第一章引言 1 1 1 视频监控系统的诞生 视频监控系统，就是通过图像对有关区域进行监视与控制的系统的合称。监 视就是对感兴趣或需要安全保护的地点进行查看，而控制就是对某些设备进行必 要的操作。 视频监控作为图像通讯的一个分支，其渊源可以追溯到英国白英于1 8 4 3 年 发明的传真原理，但实际现代化的传真系统是美国公司的贝尔研究所于1 9 2 5 年 发明的。同年，苏格兰的贝阿特发明了实用的电视。此后不久，基于电视的视频 监控系统就诞生了，只是当时的监控系统非常简单，仅由一架摄像机和一台监视 器，中间用馈线连接而成。 随着社会的发展和科技的进步，各种各样保卫公共安全的设备不断推陈出 新，监控系统也发生了巨大变化。 监控系统根据采用的技术和设备，通常分为两种，一是模拟监控系统，二是 数字监控系统。 模拟监控系统是以矩阵、分割器、录像枧为核心辅以其他传感器的模拟系统。 此类监控系统曾经被应用于众多领域，如今在监控领域依然发挥着重大的作用， 但由于在应用中出现了许多不便的地方，正逐渐被用户淘汰。同时由于成本过于 昂贵，附属设备过多易损坏、难维护，束缚了用户对监控系统的需求和应用。 数字监控系统是应用现代计算机技术进行图像采集、编解码、存储、传输 并通过计算机控制有关设备的监控系统。由于多媒体技术的快速发展，现代的许 多监控系统已具有多媒体功能，不仅能传输图像也能传输语音、文字等信息。随 着近几年网络技术的快速发展，一些监控系统已发展成为具有多媒体网络功能的 系统，这种系统不仅能传输图像、语音、文字等，还能在多个监控地点之间交互 信息，而且中央控制室可随时查阅各个监控端的信息。 1 1 2 数字视频监控系统的特点 和传统的模拟监控系统相比，数字监控系统出现了许多新的特点。可以通过 第一章引言 下对比表看出。 表1 1 数字监控系统与传统模拟监控系统对比表 对比内容数字监控系统模拟监控系统 系统配置用计算机完成全部采集、存由最像机、视频分配器、四回分割 储、控制和传输功能，设备简器、矩阵切换器、视频转换器、监 洁，可靠性高视器、录像机、等组成。设备繁琐， 可靠性低 存储介质大容量硬盘自动循环存储，成定时更换录像带，录像带使用及耗 本低，可用光盘刻录方式做成费巨大，成本高，保存时间短，携 光盘永久保存。带麻烦 多圆圆显计算机显示器可以l 、4 、6 、需用专用设备，如多画面分割器 示和切换9 、1 6 等多窗口、多种组合 录制内容有情况录，没有情况则不录录制大量无用信息要定时更换录像 带 回放可单帧回放和连续回放录像带顺序啜放 检索多级随机检索，可根据录像方无目标地顺序查找录像带及摄像机 式、发生时间( 年月日时分编号等不能快速找到所需的录像信 秒) 及摄像机编号等快速找到息 所需的图像信息 访问记录自动记录所有访问系统的人、没有任何日志 时间及警报事件 警报系统自动报警设置，可按入多路警只能手动录制报警后的内容 报信号输入，多路控制信号输 出 远程传输可以通过电话线或互联网、局传输距离有限 域网进行远程图像传输，从而 可以进行远程监控 编辑- j 对每一帧l 旦 回避付各辛中处修复和编辑复杂，不能打印 理、编辑、还原、打印等 管理可实现无人值守需多人值守 系统升级只需更换软件或小部分硬件 要更换重要的大型设备 录像方式自动设置各种录像方式：定时 单一机械录像方式 录像、报警触发录像、手动录 像等 从上表可以看出，现在的数字监控系统已经从原来的模拟式转换为数字式和 网络式。 1 1 3 数字视频监控系统的发展 许多数字视频监控系统设备中具有图像识别和特征提取的功能，通过图像分 2 电子科技大学硕士论文 析实现运动探测和报警、控制相关的机构，使更具有智能化。这些将成为今后数 字视频监控系统的主要形式。目前的部分数字视频监控系统中也开始具备这些功 能，但还有一些新的功能： ( 1 ) 图像探测将成为防入侵报警探测的主要手段，报警系统误报率高这一 问题将会解决。目前应用的视频报警和运动探测是通过对图像信号的亮度电平变 化的监测和对图像中不同的点的亮度电平变化的分析来实现报警和对目标运动 过程的判断。 ( 2 ) 压缩比的提高。新一代图像压缩技术标准m p e g 一4 是面向对象的压缩方 式，根据图像内容，将其中的对象( 物体、人物、背景) 分离出来分别压缩。电 视数字化解决了数据压缩的问题，使之便于通信，可以利用各种公共信息网络来 传送，这就是系统成为一种可以无所不到的、开放的、可以根据要求自动生成的 系统。 ( 3 ) 摄像机将不再是系统唯一或主要的信源。由于图形处理功能和能力的 提高将促使新的成像技术的出现和实用化，如毫米波成像、超声波成像等。在出 入口控制系统中的各种特征识别装置将从定义识别变为模式识别为主，以编码数 据的提取变为图像的提取。数字视频监控系统将是具有探测和特征识别功能的综 合系统。 ( 4 ) 与网络结合起来。数字视频监控系统的网络化将具有微内核技术的实 时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应，组成 分布式监控系统。 ( 5 ) 可靠性的提高，传输质量的有效控制。采用对网络带宽具有自适应功 能的流媒体技术，可以提高视频传输的可靠性。数字视频监控系统硬件和软件采 用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置及有通用性强、开放性好、 系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调 试和维修简单，系统运行热备份，容错能力强等特点。 1 2 课题来源 课题来源于绵阳市九州电子科技股份有限公司与电子科技大学合作研制开 发多媒体数字视频监控系统的项目。 ， 该项目的主要功能是在系统服务器端监控各个监控点，对各个监控点的图像 进行压缩编码以备传输，对云台进行操作控制，并实现多媒体文件的存储管理、 现场回放等功能。在客户端主要实现接收视频数据，画面分割，视频回放，对摄 像头和云台的控制，站点配置以及用户管理等功能。 第一章引言 本课题的开展，在跟踪国内外先进的计算机网络与多媒体技术的同时，对于 积极开展企业与高校间的产学研结合，推进科研成果产品化的进程具有积极的意 义。同时，本项目的开发完成将赢接产生经济和社会效益。 1 3 论文研究的主要内容 该项目主要研究采用c l i e n t s e r v e r 模式的网络数字监控系统中应用软件和 硬件的开发。要求应用软件能够很好地控制远端设备，检测报警信息并启动录像， 回放所录制的文件，采用c s 方式传输图像。系统硬件除了能够对音视频数据 进行实时压缩编码、存储外，还要提供一些系统接口，和软件结合在起，形成 一个操作方便、功能较为完备的监控系统。 论文详细论述了嵌入式网络数字监控系统中的自检模块的实现过程、系统密 钥的存储设计以及对实现客户端到服务器端网络带宽测量进行了探讨。具体的工 作包括： 视频监控系统研究； 自检模块设计实现； 1 一w i 辑协议研究； 系统密钥存储管理； 端到端瓶颈带宽测量技术研究； 客户端到服务器端瓶颈带宽测量； 电子科技大学硕士论文 第二章数字视频图像编码 2 1 图像数据压缩编码简介啪 2 1 1 数据压缩的必要性 多媒体。般包括文本、图形图像、视频和动画等媒体。一般的文本由于数据 量不大，所以存储时所占用的存储空间不多，在传输时也不占用很多的时间，相 对而言多媒体中的图形图像和语言的数据量比较大，如果是连续的图像信号数据 量则更大，如果不对视频图像进行压缩，计算机很难实时处理和传输。因此数字 压缩编码技术是使数字信号走向实用化的关键技术之一。 2 1 2 数据压缩的可能性 压缩编码的理论基础是信息论。从信息论的角度看，压缩就是去掉信息中的 冗余，即保留不确定的东西，去掉确定的东西( 即可推知的东西) ，使用一种更 接近信息本质的描述来代替原有的冗余的描述。信息冗余量有许多种，如空间冗 余、时间冗余、结构冗余、知识冗余、心理视觉冗余等，数据压缩实质上是减少 这些冗余量。由此可见冗余量减少可以减少数据量而不减少信源的信息量。 2 1 。3 图像数据压缩编码效率的评价 。善荟n ( i ，力压缩前图像每像素的比特数 觏2 齑桊豢蔗群蔬赫 r c 瓴，) 压瑚艏衅瞰条例商州7 刈阢付姒 其中r a 为原图像每像素使用的比特数，r 。为压缩后平均每像素使用的比特 数，上式给出了原来的信息和压缩后的信息之间的关系。 通常以8 b i t 像素为基础来规定压缩比，即在没有进行数据压缩的量化比特 数n = 8 ，经过压缩编码后，平均每个像素的平均比特数为，c ，则编码的比特比为 第二章数字视频图像编码 8 l r = 一 r c 2 、主观评价 主观评价的任务就是要把人对图像质量的主观感觉与客观参数和性能联系 起来，只要主观评价正确，就可以用相应的客观参数作为评价图像质量的依据。 主观测试结果可以是一个单一的数值，如平均判分m o s ( m e a no p i n i o ns c o r e ) ， 一般是取2 0 6 0 位非专家的普通人员进行测试。 2 2图像数据压缩的基本方法垃1 随着数字通信技术和计算机技术的发展，数据压缩技术也已日臻成熟，适合 各种应用场合的编码方法不断产生。目前常用的压缩编码方法可以分为两大类： 一类是无损压缩法，也常冗余压缩法或熵编码法；另一类是有损压缩法，也称熵 压缩法。参见图2 1 。 无损压缩法去掉或减少了数据中的冗余，但这些冗余值是可以重新插入到数 据中的，因此，冗余压缩是可逆的过程，冗余压缩法也称无失真压缩。为了去掉 数据中的冗余度，常常要考虑信源的统计特性，或建立信源的统计模型，因此许 多适用的冗余度压缩技术均可归结为统计编码方法。统计编码方法有哈夫曼编码 ( h u f f x n a nc o d i n g ) 、算术编码( a r i t h m e t i cc o d i n g ) 、游程编码( r u n - l e n g t h ) 等。 有损压缩法压缩了熵，会减少信息量。因此熵定义为平均信息量，而损失的 信息是不能再恢复的，因此这种压缩法是不可逆的。熵压缩主要有两大类：特征 抽取和量化方法。特征抽取的编码方法如模型基编码、分形编码等。对于实际应 用而言，量化是更为通用的熵压缩技术，包括提取、零记忆量化、预测编码、直 接映射、变换编码等。 2 。2 。1 统计编码 统计编码是根据信息出现概率的分布特性而进行的压缩编码，是一种无损编 码。这种编码的关键在于：在信息和码字之间找到明确的一一对应关系，以便在 恢复时能准确无误地再现出来，或者至少是极相似地找到相当的对应关系，并把 这种失真或不对应概率限制到可容忍的范围内。不管什么途径，它们总是要使平 均码长或码率压低到最低限度，即减少编码冗余。 统计编码中常用的有哈夫曼编码、算术编码、游程编码等。哈夫曼编码是 1 9 5 2 年哈夫曼( h u f f m a n ) 提出的对统计独立信源能达到最小平均码长的编码方 法，是一种最佳编码方法，目前已得到广泛的应用。它的基本思想是：对于出现 6 电子科技大学硕士论文 概率大的信源符号编以短字长的码子，对于出现概率小的信息符号编以长字长的 码字。只要码字长度按照信息出现的概率大小逆序排列，则平均码字长度一定小 于其他任何顺序的排列方式。 无哈夫曼编码 损游程编码 压算术编码 缩香农编码 轮廓编码 特 征 数 提 模型基编码 取 分形编码 零 记 忆均匀量化 量压扩量化 据有化 预 p c m 损 测 d p c m 编 a d p c m 码 运动补偿 压 压 直 接 矢量量化 映 神经鼹络 缩 射 缩 d c t 变 d f t 换 k l t 编 w h t 码 s i j w t 2 2 2 预测编码 图2 1 图像数据压缩编码的基本分类 预测编码的基本思想是通过提取每个象素中的信息并对它们编码来消除像 素间的冗余，它是根据离散信号之间存在着一定关联性的特点，利用前面一个或 多个信号对下一个信号进行预测，然后对实际值和预测值的差( 预测误差) 进行 第二章数字视频图像编码 编码。如果预测比较准确，那么误差信号就会很小。这样在同等精度要求的条件 下，就可以用比较少的比特进行编码，达到压缩数据的目的。 预测编码中典型的压缩方法有脉冲编码调带l j ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 、 差分脉冲编码调制( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ，d p c m ) 、自适应差分脉 冲编码调制( a d a p t i v e d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ，a d p c m ) 等。 1 、差分脉冲编码调制( d p c m ) 在p c m 系统中，原始的模拟信号首先经过时间采样，然后对每一样值都进 行量化，作为数字信号传输。为了压缩传输的数据，可以不对每一样值都进行量 化，而是预测下一样值，并量化实际值与预测值之间的差，这就是差分脉冲编码 调制的基本原理。它可以消除电视信号的统计冗余度，因此大大地压缩了码率。 它所传输的不是信号本身，而是实际信号与其预测量之间的差值( 预测误 差) ，由于信号的相关性，从统计上讲，需要传输的预测误差主要集中在零附近 的一个小范围之内，比信号本身小很多，从而码率得到压缩。 2 、自适应差分脉冲编码调制( a d p c m ) 进一步改善量化性能或压缩数据率的方法就是自适应量化或自适应预测，即 自适应脉冲编码调制。 在一定量化级数下减少量化误差或在同样的误差条件下压缩数据，根据信号 分布不均匀的特点，希望系统具有随输入信号的变化而改变量化区间足以保持输 入量化器的信号基本均匀的能力，这种能力叫自适应量化。 预测参数的最佳化依赖信源的统计特性，要得到最佳预测参数显然是一件繁 琐的工作。而采用固定的预钡日参数往往又得不到较好的性能。为了能使性能较佳， 又不至于有太大的工作量，可以采用自适应预测。 通常将信源数据分区间编码，编码时自动地选择一组预测参数，使该区间实 际值与预测值的均方误差最小。随着编码区间的不同，预测参数自适应地变化， 以达到准最佳预测。 3 、帧阊预测编码 帧间预测编码是利用视频图像相邻帧间的相关性，即时间相关性，来达到图 像压缩的目的。它是一种十分有效的图像压缩技术，广泛应用于普通电视、会议 电视、电视电话、高清晰度电视的压缩编码。 大多数电视图像相邻帧间细节变化是很少的，即视频图像帧间具有很强的相 关性，利用帧所具有的相关性的特点进行帧阀编码，可获得比帧内编码高得多的 压缩比。 电子科技大学硕士论文 2 2 3 变换编码 预测编码的压缩能力是有限的，而变换编码具有更高的压缩效率。预测编码 直接对像素在图像空间进行操作，可称为空域方法，而变换编码在是在频域内进 行操作的。 变换编码是指先对信号进行某种函数变换，从一种信号( 空间) 变换到另一 种信号( 空间) ，然后再对变化后的信号进行编码。 变换编码系统中压缩数据由三个步骤：变换、变换域采样和量化。变换本身 并不进行数据压缩，它只把信号映射到另一个域，使信号在变换域里容易进行压 缩，变换后的样值更独立和有序。 变换编码是一种间接编码方法。它是将图像经过数学上的正交变换后，得到 一系列的变换系数，再对这些系数进行量化、编码、传输。图2 2 是变换编码 系统框图。 麟f ( 图x , 费y 坠蛎两4 瓦计丽砰型幽骘) 叫正变换卜刮量化器h 编码器f 型兰竺竺兰 幽坐咂丑卜甾舢 图2 - _ 2 变换编码、解码原理框图 图中接收端输出图像函数，( 墨y ) 与输入图像函数厂o ，y ) 的误差是因为输入 端采用了量化器的量化误差所致。当经过正交变换后的协方差矩阵为一对角矩 阵，具有最小均方误差时，该变换称为最佳变换，也称k a r h u m e n - l o e v e 变换 ( k l 变换) 。如果变换后的协方差矩阵接近对角矩阵，该类变换称为准最佳变 换，典型的有d c t 、d f t 、w h t 等。 2 2 4 小波变换编码 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ，w t ) 用于多分辨率图像描述起源于1 9 8 6 年。 利用小波变换进行图像压缩一般采用离散小波变换编码的方法。图像压缩中所用 的离散正交小波一般是由滤波函数构造的。对于给定的数字信号矩阵，将其分解 为一个高通和一个低通的子信号，且两者是相互正交的。在必要时可以递归地对 9 第二章数字视频图像编码 每一个子信号分下去，一直到需要的带宽为止，然后再进行分析和运算。 小波变换分析用于图像数据压缩主要有以下特征： ( 1 ) 小波变换编码方式仍属于分波段编码，是子带编码的改进型。 ( 2 ) 小波变换采用的塔型分解的数据结构，与人眼由粗到精、由全貌到细 节的观察习惯一致。 ( 3 ) 具有时间一频率定位能力并初步实现了图像中平稳成分和非平稳成 分的分离。 ( 4 ) 从图像信号的相关性来看，原始图像信号总存在一定相关性，通过小 波包的分解，将信号变得集中，系数之间变得不相关，即消除信息的 冗余度。 ( 5 )小波变换是全局变换，故像其他全尺寸变换编码一样，熏建图像中可 免除分块正交变换编码所固有的方块，在较低码率下比采用a d c t 的j p e g 标准效果更好。 2 2 5 模型基编码 模型基编码的基本思想是：在发送端，利用图像分析模块对输入图像提取紧 凑和必要的描述信息，得到一些数据量不大的模型参数；在接收端，利用图像综 合模块重建原图像，是对图像信息的合成过程。模型基图像编码的原理框图如图 2 3 所示。模型基图像编码方案可分为两种，一种是语义基，一种是物体基。 图2 3 模型基图像编码的基本原理框图 输 1 、语义基编码 语义基( s e m a n t i c - b a s e d ) 编码采用显式模型( 如人物的头肩部份) ，去分析 和合成运动图像，景物里的物体三维模型为严格已知。由于物体模型的有效性， 1 0 电子科技大学硕士论文 景物中的物体能够描述成语义水平。它可以有效地利用景物中已知物体的知识， 以实现非常高的压缩比，但它仅能够处理已知物体，并需要较复杂的图像分析与 识别技术。 语义基模型的主要优点在于对物体的描述容易转换成特征参数的描绘和说 明，从而有利于再现图像。非参数类模型中，线框模型是最常见的，物体通过小 三角形“碎片”来近似。 2 、物体基编码 物体基( o b j e c t - b a s e d 或o b j e c t - o r i e n t e d ) 是针对未知物体的模型基图像编码， 需要实时构造物体的模型( 没有先验知识的) 。物体基编码不采用显式模型，适 用于处理更一般的已知的或未知的物体，因而预期有更广泛的应用前景。 因无需模式识别与先验知识，对于图像分析要简单的多，可不受可视电话中 头肩图像的限制，因而有更广泛的应用前景，但因未能充分利用景物知识，或只 能在低层次上运用物体知识，编码效率不如语义基编码方法。 2 2 6 分形编码 分形编码法的目的是发掘自然物体( 比如天空、云雾、森林等) 在结构上的 相似性，这种自相性是图像整体与局部相关性的表现。分形压缩正是利用了分形 几何种的自相似的原理来实现的。首先对图像进行分块，然后再去寻找各块之间 的相似性，这里相似性的描述主要是依靠仿射变换来确定的，一旦找到了每块的 仿射变换，就保存下这个仿射更换的系数，由于每块的数据量远大于仿射变换的 系数，因而图像得以大幅度的压缩。 分形编码的主要特点有： ( 1 ) 分形编码的图像压缩比比经典编码方法的压缩比高出许多。 ( 2 ) 由于分形编码可把图像划分为大得多、形状复杂得多的分区，放压缩 所得的文件的大小不会随着图像像素数日的增加即分辨率的提高丽 变大。 ( 3 ) 分形压缩和解压缩不对称，压缩较慢，而解压缩很快。 2 3 图像压缩标准 2 3 1 静止图像压缩标准 第二章数字视频图像编码 2 3 1 1j p e g 标准 j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 是一个由i s o 和i e c 两个组织机构 联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，这个专家 组开发的算法称j p e g 算法，并且成为国际上通用的标准，因此又称为j p e g 标 准。j p e g 是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，既可用于灰度图像又 可用于彩色图像。 j p e g 压缩是有损压缩，它利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压 缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。j p e g 压缩编码大 致分成三个步骤： 1 ) 、使用正向离散余弦变换( f o r w a r d d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ，f d c t ) 把空间 域表示的图变换成频率域表示的图。 2 ) 、使用加权函数对d c t 系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统 是最佳的。 3 ) 、使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。 解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。 j p e g 算法与彩色空间无关，因此“r g b 到y u v 变换”和“y u v 到r g b 变 换”不包含在j p e g 算法中。j p e g 算法处理的彩色图像是单独的彩色分量图像， 因此它可以压缩来自不同彩色空间的数据，如r g b ，y c b c r 和c m y k 。 2 3 1 2j p e g2 0 0 0 标准1 由于j p e g 有两的品质，使得它在短短的几年内就获得了极大的成功，网站 上的很多的影像都是才用j p e g 的压缩标准。然而，随着多媒体使用人数以及应 用领域的激增，传统j p e g 压缩技术己无法满足人们对多媒体影像资料的要求。 因此，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态图像压缩技术j p e g 2 0 0 0 就诞生 了。 j p e g2 0 0 0 ，正式名称为“i s o1 5 4 4 4 ”，同样也是由j p e g 组织负责指定的。 自1 9 9 7 年三月开始筹划，并开始向全世界各大院校、公司及研究单位公开征求 意见，不久即受到由各大研究团体所提之2 2 分提案。经过不端的测试验证，终 于在2 0 0 0 年3 月的东京的一个会议上，规定其基本编码系统的壤终协议草案出 台。 j p e g2 0 0 0 与传统的j p e g 最大的不同，在于它放弃了j p e g 所采用的以离散 余弦转换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 为主的区域编码方式，而改采以小波 ( w a y e l e tt r a n s f o r m ) 为主的多解析编码方式。小波转换的主要目的是要将图像 的频率成分抽取出来。简单的原理图可以参考图2 4 。 电子科技大学硕士论文 区亟皿e 。w 礴码 罢j 意叵 图2 4 j p e g2 0 0 0 原理图 j p e g 2 0 0 0 有很多明显的优点： 1 ) 、j p e g2 0 0 0 作为j p e g 的升级版，高压缩( i s 码率) 是其目标，其压缩 率比j p e g 高3 0 左右。 2 ) 、j p e g2 0 0 0 同时支持有损压缩和无损压缩，而j e p g 只能支持有损压缩。 因此它适合保存重要图片。 3 ) 、j p e g 2 0 0 0 能实现渐进传输，这是j p e g 2 0 0 0 的一个及其重要的特征。 这也是我们对g i f 格式图像常说“渐现”特性。它先传输图像的轮廓，然后逐 步传输数据，不断提高图像质量，让图像由朦胧到清晰显示，而不必像j p e g 一 样，由上到下慢慢显示。 4 ) 、j p e g 2 0 0 0 支持所谓的“感兴趣区域”特性，可以任意指定图像上感兴 趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩。这样就可以很方便的突出 重点了。 j p e g2 0 0 0 的应用领域可概略分成两个部分，一位传统j p e g 的市场，像打 印机、扫描仪、数码相机等；一位新兴应用领域，像网络传输、无线通信、医疗 图像等。j p e g 2 0 0 0 和j p e g 相比优势明显，且向下兼容。 2 3 2 运动图像压缩标准( h 2 6 x 系列) 1 i i uh 2 6 l 1 9 9 0 年1 2 月通过的h 2 6 1 即p x 6 4 k b i t s 视听业务用的视频编解码器 ( v i d e o c o d e d e c o d e f o r a u d i o v i s u a ls e r v i c e sa t l 3 6 4 k b i t s ) 是针对运动实时图 像的压缩编码和解码，应用目标是可视电话和电视会议。它利用视频信号帧间的 相关性，可以获得较大的压缩率。包括信源编码和统计编码两部分。信源编码采 用有损编码方法，又分作帧内编码和帧间编码两种情况。帧内编码减少空域冗余 第二章数字视频图像编码 信息，一般采用单一的基于d c t 的变换编码方法，d c t 系数经线性量化，再经 视频多路编码器进入缓冲器。根据缓冲器的空、满度，改变量化器的步长来调节 视频信息比特流，与信道传输速度匹配。帧间编码有可减少冗余信息，一般采用 混合编码方法。用d p c m 编码方法对当前宏块与该宏块的预测值的误差进行编码， 当误差大于某个给定的阀值时，对这些误差进行d c t 变换、量化处理，然后和运 动矢量信息一起传送到视频多路编码器。统计编码则是利用信号的统计特性来减 少比特流。 2 i t uh 2 6 3 h 2 6 3 是基于运动补偿的d p c m 的混合编码，在运动搜索的基础上进行运 动补偿，然后运用d c t 变换和“之”字形扫描游程编码，从而得到输出码流。 h 2 6 3 在h 2 6 1 建议的基础上，将运动矢量的搜索增加为半像素点搜索；同 时又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和p b 帧编码 等四个高级选项；从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。 h 2 6 3 采用运动视频编码中常见的编码方法，将编码过程分为帧内编码和 帧间编码两个部分。在帧内用改进的d c t 变换并量化，在帧间采用1 2 像素运 动矢量预测补偿技术，使运动补偿更加精确，量化后用改进的变长编码表( v l c ) 对量化数据进行熵编码，得到最终的编码系数。 h 2 6 3 的编码速度快，其设计编码延时不超过1 5 0 m s ；码率低，在5 1 2 k b i t s 乃至3 8 4 k b i t s 带宽下仍可得到相当满意的图像效果，十分适用于需要双向编解 码并传输的场合和网络条件不是很好的场合。 3 i t uh 2 6 4 1 2 】 h 2 6 4 是i t u t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 活动 图像专家组) 的联合视频组( j v t ：j o i n tv i d e ot e a m ) 开发的一个新的数字视频 编码标准，它既是i t u t 的h 2 6 4 ，又是i s o i e c 的m p e g 一4 的第1 0 部分。 在技术上，h 2 6 4 标准中有多个闪光之处，如统一的v l c 符号编码，高精 度、多模式的位移估计，基于4 4 块的整数变换、分层的编码语法等。这些措 施使得h 2 6 4 算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比 h 2 6 3 节约5 0 左右的码率。h 2 6 4 的码流结构网络适应性强，增加了差错 恢复能力，能够很好地适应i p 和无线网络的应用。 h 2 6 4 和h 2 6 1 、h 2 6 3 一样，也是采用d c t 变换编码加d p c m 的差 分编码，即混合编码结构。同时，h 2 6 4 在混合编码的框架下引入了新的编码 方式，提高了编码效率，更贴近实际应用。h 2 6 4 没有繁琐的选项，而是力求 简洁的“回归基本”，它具有比h 2 6 3 + + 更好的压缩性能，又具有适应多种信道 的能力。 1 4 电子科技大学硕士论文 h 2 6 4 的应用目标广泛，可满足各种不同速率、不同场合的视频应用，具有较好的抗 误码和抗丢包的处理能力。 尽管h 2 6 4 编码基本结构与h 2 6 1 、h 2 6 3 是类似的，但它在很多环节 做了改进： a 多种更好的运动估计 a 1 高精度估计：在h 2 6 4 中则进一步采用1 4 像素甚至1 8 像素的运动估 计。即真正的运动矢量的位移可能是以1 ，4 甚至1 8 像素为基本单位的。 b ) 多宏块划分模式估计：在h 2 6 4 的预测模式中，一个宏块( m b ) 可划 分成7 种不同模式的尺寸，这种多模式的灵活、细微的宏块划分，更切 合图像中的实际运动物体的形状，于是，在每个宏块中可包含有1 、2 、 4 、8 或1 6 个运动矢量。 c ) 多参数帧估计：在h 2 6 4 中，可采用多个参数帧的运动估计，即在编 码器的缓存中存有多个刚刚编码好的参数帧，编码器从其中选择一个给 出更好的编码效果的作为参数帧，并指出是哪个帧被用于预测，这样就 可获得比只用上一个刚编码好的帧作为预测帧的更好的编码效果。 b 小尺寸4 4 的整数变换 视频压缩编码中以往的常用单位为8 8 块。在h 2 6 4 中却采用小尺寸的4 4 块，由于变换块的尺寸变小了，运动物体的划分就更为精确。这种情况 下，图像变换过程中的计算量小了，而且在运动物体边缘的衔接误差也大为 减少。 c 更精确的帧内预测 在h 2 6 4 中，每个4 4 块中的每个像素都可用1 7 个最接近先前已编码的 像素的不同加权和来进行帧内预测。 d 统一的v l c ( u v l c ) u v l c 使用个相同的码表进行编码，而解码器很容易识别码字的前缀， u v l c 在发生比特错误时能快速获得重同步。 2 3 3 运动图像压缩标准( m p e g - - - 1 ) “运动图片专家组”( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t g r o u p ，简称m p e g ) 提出的“用 于数字存储媒体运动图像及其伴音率为1 5 m b i t s 的压缩编码”( c o d i n g o f m o v i n gp i c t u r e a n da s s o c i a t e da u d i of o rd i 西t a ls t o r a g em e d i aa tu pt o b o u t 1 5 m b i t s ) ，简称m p e o l 。用m p e g _ 一1 标准的平均压缩比为5 0 ：l ，其处理 能力可达到3 6 0 x 2 4 0 像素。 m p e g - - 1 视频压缩算法采用了三个基本技术：运动补偿( 预测编码和插补 第二章数字视频图像编码 编码) 、d c t 变换编码技术和熵编码技术。在m p e g 一1 种，d c t 不仅用于帧内 压缩，对于帧间预测误差再作d c t 变换，可减少空域冗余，以达到进一步压缩 的目的。由于视频和音频需要同步，所以m p e g 压缩算法应该对二者联合考虑， 最后产生了一个电视质量的视频和音频压缩形式的位速率约为1 5 m b i t s 的 m p e g 一1 单一位流。 m p e g _ 一1 视频压缩技术，一是基于1 6 1 6 子块的运动补偿，可以减少帧序 列的时域冗余度；二是基于d c t 的压缩技术，减少空域冗余度。在m p e g 中， 不仅在帧内使用d c t ，而且对帧间预测误差也作d c t ，以进一步减少数据量。 2 3 4 运动图像压缩标准( m p e g - - - 2 ) 1 9 9 3 年提出、于1 9 9 6 年底正式公布的m p e g - - 2 标准引用了m p e g l 标 准的基于d c t 的、有运动补偿的、帧间双向预测的基本结构，并作了扩展。它 可以直接对隔行扫描视频信号进行处理：空间分辨率、时间分辨率和信噪比可分 级，以适应于不同用途的解码要求；输出码流速率可以是恒定的也可以是变化的， 以适应于同步和异步传输。 m p e g - - 2 标准的处理能力可达广播级水平，即7 2 0 x 4 8 0 像素。m p e g - - 2 标准兼容m p e g - - - - 1 标准，适应于1 5 8 0 m b i t s 编码范围。m p e g - - 2 标准也是 高清晰度电视( h d t v ) 全数字方案、d v d 方案所采用的数据压缩标准。 m p e g - - 2 标准与m p e g 一1 标准的主要区别在于： ( 1 ) 能够有效地支持电视的隔行扫描( 先扫描每帧图像的奇数行，构成奇 数场；再扫描偶数行，构成偶数场) 格式，在运动补偿中添加了场间预测和双基 ( d u a lp r i m e ) 预测等模式，以改进对运动较快的物体预测的准确性和提高压缩 比。可以将一幅图分为顶场和底场两幅图，无论顶场还是底场都包含有i 图、p 图和b 图。 ( 2 ) 支持分层次的可调( s c a l a b l e ) 视频编码，这适用于需要同时提供多种 质量的视频服务的情况。例如当普通电视和高清晰度电视同时播放的时候，将视 频信号进行分层次的编码，解码能力较低的普通电视可以只对码流中的低层次部 分解码，得到低分辨率图像，而高清晰度电视对整个码流解码，则可以获得更加 清晰的图像。 ( 3 ) 提供了三种色度二次采用格式：4 ：2 ：0 ( 与m p e g - - i 相同，4 个亮 度块，一个c ，块，一个c 6 块) 、4 ：2 ：2 ( 色度仅在水平方向上进行二次采用， 4 个亮度块，两个g 块，两个c 6 块) 和4 ：4 ：4 ( 色度不进行二次采用，4 个亮 度块，4 个g 块，4 个c 6 块) 。 1 6 电子科技大学硕士论文 2 3 5 运动图像压缩标准( m p e g -