（交通信息工程及控制专业论文）基于H264的网络视频监控系统设计.pdf

中文摘要 摘要：随着我国“平安城市”的建设，对各类公共场所安全要求越来越高。 为了给公共场所提供一种安全的环境，并为各种公共场所提供一种有效的安全监 控预防机制，本论文设计了一种基于h 2 6 4 的网络视频监控系统。本论文的主要 工作是针对目前国内安防监控市场的需求，采用了h 2 6 4 视频压缩技术，完成了 系统整体设计和系统测试。 论文分析了目前国内视频监控系统的状况和特点，结合当前视频监控市场需 求，确定了基于h 2 6 4 的网络视频监控系统的功能和技术指标。 考虑到系统的数字化和网络化及视频信息对网络带宽的影响，并结合网络视 频监控系统对视频图像清晰度和流畅度的要求，系统视频编码采用了h 2 6 4 的视 频压缩标准，并对m p e g - 4 和h 2 6 4 两种在视频监控系统中常用的视频压缩标准 进行了分析比较。 论文分析了模拟视频信号和数字视频信号的特点，基于h 2 6 4 视频压缩算法， 给出了网络视频监控系统的总体设计方法。本文给出了网络视频监控系统的总体 硬件框图，分析了系统各个组成模块的硬件电路图，并分析了各个模块的功能。 论文确定了使用服务器、客户端模式的软件架构，分析给出了软件实现框图， 视频监控服务器和视频监控客户端的功能和软件流程图，并给出了系统实现原理。 最后，对系统进行了实验测试。从实验检测结果分析，该系统设计达到了网 络视频监控系统的要求。 总之，该系统具有功能齐全、视频压缩率高、低功耗、系统易升级、操作方 便简单、人机交互性能好等优点，完全能满足网络视频监控系统的要求。 关键词：h 2 6 4 ；网络；视频；监控 分类号：t p 2 7 7 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec h i n e s e g r e e n c i t y s e c u r i t y d e m a n d sa l ei n c r e a s i n go nv a r i o u sp u b l i cp l a c e s i no r d e rt op r o v i d eas a f ee n v i r o n m e n t a n de f f e c t i v ep r e v e n t i o ns a f e t ym o n i t o r i n gm e c h a n i s mf o rv a r i o t mp u b l i cp l a c e s ，t h e p a p e rd e s i g n e dan e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d 0 1 1 1h 2 6 4 t h ep a p e r sm a i n w o r ki st od e s i g nav i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 1 1h 2 6 4t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t o fv i d e om o n i t o r i n gm a r k e ti no u re o t m l a y , i nt h i s s y s t e m , t l a ev i d e om o n i t o r i n g s y s t e m so v e r a l ld e s i g ni sr e a l i z e da n ds y s t e mt e s t i n gi sm a d e t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mo f o u rc o u n t r ym a n a l y z e di n t h ep a p e r , a n dc o m b i n e dw i t ht h ed e m a n do fv i d e om o n i l d r i n gn l a r k e t ；t h ev i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m sf u n c t i o na n dt e c h n i q u ep a r a m e t e ra ms t u d i e da n dg i v e ni nt h e p a p e r , w h i c hi sb a s e d o nh 2 6 4 t h eh 2 6 4v i d e oc o d i n gs t a n d a r di su s e di nt h em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n c o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c eo fn e t w o r kb a n d w i d t hb r o u g h tb yt h e d i g i t a l a n d n e t w o r k - b a s e ds y s t e m m p e g - 4a n dh 2 6 4a 糟c o m p a r e da n da n a l y s i si ns y s t e m , w l a i e l a a o f t e nu s e di nn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n a l o gv i d e os i g n a l sa n dd i g i t a ls i g n a l sa r ea n a l y z e di n t h ep a p e r v i d e oc o d i n gs t a n d a r db a s e dt h em e t h o do f v i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n a r ma n dn e t w o r ki sg i v e n t h ew h o l eh a r d w a r eo ft h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi s d e s i g n e da n dr e a l i z e d , i nt h ep a p e rt h eh a r d w a r ef r a m ea n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h e m o d u l e s ，a n dt h es c h e m a t i c so ft h em o d u l e s t h es y s t e m sf l o wc h a r to fm a i ns o t t w a r e ，v i d e om o n i t o r i n gs y s t e ms e r v e r , a n d v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mc l i e n ti sg i v e ni nt h ep a p e r t h es y s t e m sp r i n c i p l ei sa l s o g i v e n i nt h ee n d , t h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e m st e s t i n gi sm a d e w ec a l ls e ef r o mt h e r e s u l t st h a tt h es y s t e mm e e t st h ed e m a n do f t h ep a r a m e t e rm a d ei nt h ed e s i g n i nc o n c l u s i o n , t h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sm u l t i f u n c t i o n , h i 曲c o m p r e s s i o n r a t i o ，l o wp o w e r , e a s yu p g r a d e s ，e a s yo p e r a t i o n , g o o di n t e r f a c ea n dm a n a g e a b l e i tc a n m e e tt h ed e m a n do f v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r i o $ ：h 2 6 4 ；n e t w o r k ；v i d e o ；m o n i t o r i n g c i 。a s s n o ：t p 2 7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：物窿驴 导师签名： 签字日期：w 年i 月。) 日 、乙 砂 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：和瘦砂签字日期：该1 年f 五月哆日 致谢 本论文的工作是在我的导师魏学业教授的悉心指导下完成的，魏学业教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 魏学业教授对我的关心和指导。 魏学业教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向魏学业老师表示衷心的谢意。 魏学业教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，谢涛、张屹、蒋海峰等同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母和姐姐，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 绪论 1 1视频监控系统状况及发展趋势 视频监控业务具有悠久的历史，在传统上广泛应用于安防领域，是协助公共 安全部门打击犯罪、维持社会安定的重要手段。近年来，随着宽带的普及，计算 机技术的发展，图像处理技术的提高，视频监控系统正越来越广泛地渗透到教育、 政府、娱乐、医疗、酒店、运动等其他各种领域【1 l 。 目前，我国视频监控市场正在快速发展中，各种监控需求正在逐年增多，监 控设备也越来越丰富。随着国家“十一五”规划的实施，预防各类犯罪案件成为 国家发展的重中之重，而一旦犯罪案件发生，确凿而有力的证据是制裁各类犯罪 案件的最有效的工具。这些方面的需求使得视频监控系统得以快速发展，在车站、 超市、码头、楼宇等各类公共场是犯罪高发地，也是调查取证比较难的场所，在 这类地方，视频监控系统有着比其他监控系统更直接和有效。 视频监控的基本业务功能是提供实时监视的手段，并对被监视的画面进行录 像存储，以便事后回放。在此基础上，视频监控系统可以对监控装置进行远程控 制，接收报警信号，并能处理报警信息。传统的模拟视频监控如图1 1 所示：” 图1 1 模拟视频监控系统 f i 9 1 1a n a l o gv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m 最早的视频监控系统是全模拟的视频监控系统，也称闭路电视监控系统 ( c c t v ) 。图像信息采用视频电缆，以模拟方式传输，一般传输距离不能太远， 主要应用于小范围内的监控，监控图像一般只能在控制中心查看。全模拟视频监 控系统以模拟视频矩阵和磁带式录像设备( v c r ) 为核心。 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，随着数字技术的发展，数字视频监控系统开始 出现，以数字控制的视频矩阵替代原来的模拟视频矩阵，以数字硬盘录像机( d v r ) 替代原来的长延时模拟录像机，将原来的磁带存储模式转变成数字存储录像，实 现了将模拟视频转为数字录像。d v r 集合了录像机、画面分割器等功能，跨出数 字监控的第一步。在此基础上产生了全数字的视频监控系统，可以基于p c 机或嵌 入式设备构成监控系统，并进行多媒体管理。这类系统是目前视频监控市场的主 流。 随着宽带网络的普及，视频监控逐渐从本地监控向远程监控发展，出现了以 网络视频服务器为代表的远程网络视频监控系统。网络视频服务器解决了视频流 在网络上的传输问题，从图像采集开始进行数字化处理、传输，这样使得传输线 路的选择更加多样性，只要有网络的地方，就提供了图像传输的可能。整个系统 趋向平台化、智能化。很多互联网企业己开始涉足此类视频监控系统的开发，目 前尚属市场起步阶段。 典型的网络视频监控系统如图1 2 所示，” 图1 2 网络视频监控系统 f i 9 1 2n e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e i n 2 图中管理中心和监控前端、监控中心是视频监控系统的主要组成部分，无线 网络部分则是视频监控和其他系统互通的一个接1 3 ，如果视频监控系统和其他业 务网络共同使用时，也可能会融为一体。 1 2 视频监控系统的数字化和网络化 随着计算机技术、网络技术、嵌入式技术的发展，数字化和网络化是视频监 控系统的未来趋势，在视频监控系统中具有很多优点，比如信号清晰度，视频信 息容易保存、传输、处理和管理等。 在我国，视频监控系统正处在模拟视频监控系统己发展非常成熟，性能稳定， 在实际工程中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。 数字视频监控系统是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频 监控系统。该系统解决了模拟系统部分弊端，但仍需进一步完善和发展。从整个 视频监控系统的发展上看，数字视频监控系统最终会取代模拟视频监控系统成为 主流。 数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字 化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。 网络视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术 为中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控 制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监 控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现 管理和控制，这也是系统集成化的含义。 数字视频监控系统是以计算机或嵌入式系统为中心，视频处理技术为基础， 是符合图像数据压缩的国际标准，综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制 和人工智能等技术的一种新型监控系统。由于数字视频监控系统对视频图像进行 了数字化，所以与传统的模拟监控系统相比，数字监控具有许多优点。数字化的 视频系统可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显 示，数字化视频处理技术提高了图像的质量与监控效率，使系统易于管理和维护。 整个系统是模块化结构，体积小，易于安装、使用和维护。正是由于数字视频监 控技术具有传统模拟监控技术无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、 网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监控技术正在逐步取代模拟监控技术， 广泛应用于各种监控系统中。 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的 发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视 频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 网络视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过 渡，集散式系统采用多层分级的结构形式，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，组成集散式监控系统 的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性 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、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等功能。系统 的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络 化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统 集成的一个重要概念。 1 3网络视频监控系统的优点 随着视频压缩技术的发展和网络的普及，网络带宽成本正在下降，千兆以太 网及高端路由器产品的出现使局域网与广域网的界限越来越模糊。与此同时，带 有地址的l a n ( 局域网) 接口摄像机、编解码器、硬盘录像机等相继出现， 并被应用于基于网络的电视监控系统中，而利用数字图像处理技术对监控视频信 号进行优化处理，以及利用网络优势实现基于网络的远程视频监控的应用更是比 传统的模拟闭路电视监控系统具有更大的优点【2 l 。 网络视频监控系统的优点主要有： ( 1 ) 数字图像提高了图像传输的质量和监控效率； ( 2 ) 数字图像处理技术使监控显示画面更加清晰； ( 3 ) 数字存储方式提高了图像清晰度； ( 4 ) 数字图像处理技术使远程实时侦测成为可能； ( 5 ) 利用现有网络有效节约资源； ( 6 ) 便于计算机进行处理； ( 7 ) 能够提供远程访问； ( 8 ) 便于对历史记录的检索与取证； ( 9 ) 保证了原始证据的真实性； ( 1 0 ) 更易于管理维护和升级。 因为网络视频监控系统比传统的模拟闭路电视监控系统具有上述十大优点， 所以网络视频监控系统在各种安防监控系统中迅速发展起来。网络视频监控系统 的发展前景十分光明。 4 本文即设计了一款基于h 2 6 4 的网络视频监控系统，采用了h 2 6 4 视频压缩 标准，对采集的数字视频信号进行压缩传输，并通过远程监控对视频信息进行管 理，取得了很好的效果。 2 视频信号和视频压缩技术 视频制式的分类，最早是由电视发展而来的。电视中最早采用的技术是模拟 视频制式，最后在模拟视频制式的基础上发展而成了数字视频信号，后来由于网 络的发展和存储的需求，产生了一些视频压缩算法和标准，比如我们熟知的 m p e g 4 、h 2 “等视频压缩标准。 本章就先从模拟视频信号的发展和数字信号的发展讲起，然后在讲一讲常用 的视频压缩标准，最后重点讲述h 2 6 4 视频压缩标准”纠 2 1模拟视频制式 2 1 1模拟视频制式简介 目前世界上现行的模拟视频制式有三种：n t s c 制、p a l 制和s e c a m 制【3 】。 n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) 彩色电视制是1 9 5 2 年美国国 家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿 大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾都采用这种 制式。 由于n t s c 制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国( 当时的西德) 于1 9 6 2 年制定了p a l ( p h a s e - m t e m a t i v el i n e ) 制彩色电视广播标准，称为逐行倒 相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这 种制式。 法国制定了s e c a m ( 法文：s 既l u c n t i a lc o l e u ra v e cm e m o i r e ) 彩色电视广播 标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界 上约有6 5 个地区和国家试验这种制式。 n t s c 制、p a l 制和s e c a m 制式都是兼容制式。这里说的“兼容有两层意思： 一是指黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像；另一层意思是彩色 电视机能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像，这叫逆兼容性。为了既能实 现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系统应满足下列几方面的要求： ( 1 ) 必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、扫描行频、场频、 帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等。 ( 2 ) 需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号，以及代表色度的两 6 个色差信号，并将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。在接收端，彩色电 视机将彩色全电视信号重新转换成三个基色信号，在显像管上重现发送端的彩色 图像。 2 1 2扫描和同步 扫描有隔行扫描( i n t e r l a c e ds c a n n i n g ) 和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐 行扫描，图2 1 表示了这两种扫描方式的差别。黑白电视和彩色电视都用隔行扫描， 而计算机显示图像时一般都采用非隔行扫描。 ( a ) 逐行扫描 ( b ) 隔行扫描 图2 1 图像的逐行扫描和隔行扫描 f i 9 2 1p r o g r e s s i v e9 9 r n $ a n di n t e r l a c e ds c a n n i n go f i m a g e 在非隔行扫描中，电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显 7 示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像，如图2 1 ( a ) 所示。 在隔行扫描中，电子束扫完第1 行后回到第3 行开始的位置接着扫，如图2 1 ( b ) 所示，然后在第5 、7 ，行上扫，直到最后一行。奇数行扫完后接着扫 偶数行，这样就完成了一帧( f r a m e ) 的扫描。由此可以看到，隔行扫描的一帧图 像由两部分组成：一部分是由奇数行组成，称奇数场，另一部分是由偶数行组成， 称为偶数场，两场合起来组成一帧。因此在隔行扫描中，无论是摄像头还是显示 器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像。 在隔行扫描中，扫描的行数必须是奇数。如前所述，一帧画面分两场，第一 场扫描总行数的一半，第二场扫描总行数的另一半。隔行扫描要求第一场结束于 最后一行的一半，不管电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就 可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌在第一场各扫描线的中间。正是这个原因，才 要求总的行数必须是奇数。 每秒钟扫描多少的行数称为行频f h ；每秒钟扫描的场数称为场频乐每秒扫描 的帧数称为帧频f f 。厅和f f 是两个不同的概念。 1 p a l 制电视的扫描特性 p a l 电视制的主要扫描特性是： ( 1 ) 6 2 5 行( 扫描线) 帧，2 5 帧，秒( 4 0 毫秒帧) ( 2 ) 高宽比( a s p e c tr a t i o ) ：4 ：3 ( 3 ) 隔行扫描，2 场，帧，3 1 2 5 行场 ( 4 ) 颜色模型：y u v 一帧图像的总行数为6 2 5 ，分两场扫描。行扫描频率是1 5 6 2 5 h z ，周期为6 4 p s ； 场扫描频率是5 0 i - i z ，周期为2 0 m s ；帧频是2 5 i - i z ，是场频的一半，周期为4 0 m s 。 在发送电视信号时，每一行中传送图像的时间是5 2 2 1 a s ，其余的1 1 8 i t s 不传送图 像，是行扫描的逆程时间，同时用作行同步及消隐用。每一场的扫描行数为 6 2 5 2 = 3 1 2 5 行，其中2 5 行作场回扫，不传送图像，传送图像的行数每场只有2 8 7 5 行，因此每帧只有5 7 5 行有图像显示。 2 n t s c 制电视的扫描特性 n t s c 彩色电视制的主要特性是： ( 1 ) 5 2 5 行帧，3 0 帧秒( 2 9 9 7 币s ，3 3 3 7 毫秒，帧) ( 2 ) 高宽比：电视画面的长宽比( 电视为4 ：3 ；电影为3 ：2 ；高清晰度电 视为1 6 ：9 ) ( 3 ) 隔行扫描，一帧分成2 场( f i e l d ) ，2 6 2 5 线，场 ( 4 ) 在每场的开始部分保留2 0 扫描线作为控制信息，因此只有4 8 5 条线的 可视数据。l a s e r d i s c 约为4 2 0 线，s - v h s 约为3 2 0 线。 8 ( 5 ) 每行6 3 5 微秒，水平回扫时间l o 微秒( 包含5 微秒的水平同步脉冲) ， 所以显示时间是5 3 5 微秒。 ( 6 ) 颜色模型：y i q 一帧图像的总行数为5 2 5 行，分两场扫描。行扫描频率为1 5 7 5 0h z ，周期为 6 3 5 邺；场扫描频率是6 0h z ，周期为1 6 6 7n 塔；帧频是3 0h z ，周期3 3 3 3m s 。每 一场的扫描行数为5 2 5 2 = 2 6 2 5 行。除了两场的场回扫外，实际传送图像的行数为 4 8 0 行。 彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的。彩色电视的许多特性，如扫描、 同步等都与黑白电视相同，不同的是显示的图像的颜色不同。 根据三基色的基本原理，任何一种颜色都可以用r 、g 、b 三个彩色分量按一 定的比例混合得到，但要精确地复显自然景物中的彩色确是相当困难的。值得庆 幸的是，科学家们对人的彩色视觉特性经过长期研究后发现，在重显自然景物彩 色过程中，并不一定要恢复原景物辐射的所有光波成分，而重要的是获得与原景 物相同的彩色感觉。 2 1 3彩色视频信号 按照色度学的基本原理，用r 、g 、b 三基色的各种线性组合可以构造出各种 不同的彩色空间来表示景物的颜色。各种不同的彩色空间在不同的应用中也许会 比原始的r g b 彩色空间具有更有用的特性，更有效且更经济。因此在彩色电视中， 用y 、c l 、c 2 彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，c l 、c 2 的含义与具 体的应用有关。在n t s c 彩色电视制中，c l 、c 2 分别表示i 、q 两个色差信号；在 p a l 彩色电视制中，c l 、c 2 分别表示u 、v 两个色差信号：在c c i r 6 0 1 数字电视 标准中，c 1 、c 2 分别表示c r 、c b 两个色差信号。所谓色差是指基色信号中的三个 分量信号( 即r 、g 、b ) 与亮度信号之差。 在彩色电视中，使用y 、c l 、c 2 有两个重要优点： ( 1 ) y 和c 1 、c 2 是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，y 分 量可由黑白电视接收机直接使用而不需做任何进一步的处理。 ( 2 ) 可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜 色模型，可以使c 1 、c 2 的带宽明显低于y 的带宽，而又不明显影响重显彩色图像 的观看。因此，为了满足兼容性的要求，彩色电视系统选择了一个亮度信号和两 个色差信号，而不直接选择三个基色信号进行发送和接收。 9 2 2 视频图像数字化 数字视频信号有很多优点。例如，可直接进行随机存储使电视图像的检索变 得很方便，复制数字电视图像和在网络上传输数字电视图像都不会造成质量下降， 很容易进行非线性电视编辑3 1 。 2 2 1数字化方法 在大多数情况下，数字电视系统都希望用彩色分量来表示图像数据，如用 y c b c r 、y 1 、y i q 或r g b 彩色分量。因此，电视图像数字化常用“分量初始化 ( c o m p o n e n td i g i t i z a t i o n ) ”这个术语，它表示对彩色空间的每一个分量进行初始化。 视频信号数字化常用的方法有两种： 1 先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后数字化。我们现在接触到的 大多数电视信号源是彩色全电视信号，如来自录像带、激光视盘、摄像机等的电 视信号。对这类信号的数字化，通常的做法是首先把模拟的全彩色电视信号分离 成y c b c r ，y 1 ，y i q 或r g b 彩色空间中的分量信号，然后用三个a d 转换器 分别对它们数字化。 2 首先用一个高速a d 转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域 中进行分离，以获得所希望的y c b c r ，y 1 ，y i q 或r g b 分量数据。 在视频图像数字域中r g b 和y c b c r 两个彩色空间之间的转换关系用下式表 刁芎： y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 1 1 4 b c b = ( 0 1 6 8 7 r 0 3 3 1 3 g + 0 5 0 0 b ) + 1 2 8 c r = ( o 5 0 0 r 0 4 1 8 7 g 0 0 8 1 3 b ) + 1 2 8 在视频图像数字化的过程中，一般采用分别采集模拟视频信号的一个亮度信 号和两个色差信号的方法，利用不同的采样频率，对三个信号进行采样，在系统 中，接收三个采样信息，压缩编码。 2 2 2采样频率 c c i r 为n t s c 制、p a l 制和s e c a m 制规定了共同的电视图像采样频率。这 个采样频率也用于远程图像通信网络中的电视图像信号采样。 对p a l 制、s e c a m 制，采样频率为 = 6 2 5 2 5 n = 1 5 6 2 5 n = 1 3 5m h z ，n = 8 6 4 l o 其中，n 为每一扫描行上的采样数目。 对n t s c 制，采样频率为 f b = 5 2 5 x 2 9 9 7 n = 1 5 7 3 4 x n = 1 3 5m h z ，n = 8 5 8 其中，n 为每扫描行上的采样数目。 采样频率和同步信号之间的关系如图2 2 所示。 色 p a l 制 图2 2 采样频率和同步信号之间的关系 f i 9 7 2r e l a t i o n s h i po f s a m p l i n gf r e q u e n c ya n ds y n c h r o n o u ss i 冒a l 2 2 3数字化标准 对视频图像进行采样时，可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采样频 率对图像的亮度信号和色差信号进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别 采用不同的采样频率进行采样。如果对色差信号使用的采样频率低于对亮度信号 使用的采样频率，这种采样就称为图像子采样( s u bs a m p l i n g ) 。 图像子采样在数字图像压缩技术中得到广泛的应用。这种压缩方法的基本根 据是人的视觉系统所具有的两条特性，一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度 信号的敏感程度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人 无察觉；二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可以把图 像中的高频信号去掉而使人不易察觉。子采样也就是利用入的视觉系统这两个特 性来达到压缩彩色电视信号。 目前使用的子采样格式有如下几种： ( 1 ) 4 ：4 ：4 ，这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点取4 个亮度y 样本、4 个红色差c r 样本和4 个蓝色差c b 样本， 这就相当于每个像素用3 个样本表示。 ( 2 ) 4 ：2 ：2 ，这种子采样格式是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点取4 个亮度y 样本、2 个红色差c r 样本和2 个蓝色差c b 样本，平均每个像素用2 个 样本表示。 ( 3 ) 4 ：l ：l ，这种子采样格式是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点取4 个亮度y 样本、1 个红色差c r 样本和1 个蓝色差c b 样本，平均每个像素用1 5 个样本表示。 ( 4 ) 4 ：2 ：0 ，这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2 个连续的采样 点上取2 个亮度y 样本、1 个红色差c r 样本和1 个蓝色差c b 样本，平均每个像 素用1 5 个样本表示。 平均每个像素的样本表示越低，说明对图像采样压缩的越好，但所含的视频 图像信息也越少。 视频i t u rb t 6 0 1 用于对隔行扫描电视图像进行数字化，对n t s c 和p a l 制 彩色电视的采样频率和有效显示分辨率都作了规定。表2 1 给出了i t u rb t 6 0 1 推荐的采样格式、编码参数和采样频率。 i t u - rb t 6 0 1 推荐使用4 ：2 ：2 的彩色电视图像采样格式。使用这种采样格 式时，y 用1 3 5m h z 的采样频率，c r ，c b 用6 7 5m l - i z 的采样频率。采样时，采 样频率信号要与场同步和行同步信号同步。 表2 1r r u - r b t 6 0 l 标准 m i b l e 2 1s t a n d a r d o f 兀u rb t 6 0 1 采样格式信号形式采样频率样本数扫描行数字信号取值范围 ( m h z )n t s c眦( 柚) 4 ：2 ：2y1 3 58 5 8 7 2 08 6 4 7 2 0 2 2 0 级( 1 6 2 3 5 1 c r 6 7 5 4 2 9 3 6 04 3 2 3 6 02 2 5 级( 1 6 2 4 0 1 c b6 7 5 4 2 9 ，3 6 04 3 2 3 6 0 ( 1 2 8 士1 1 2 ) 4 ：4 ：4y1 3 58 5 8 7 2 08 6 “7 2 0 2 2 0 级( 1 6 2 3 5 ) c r1 3 58 5 8 7 2 0 8 6 4 7 2 0 2 2 5 级( 1 6 2 4 0 ) c b1 3 58 5 8 7 2 0 8 6 4 7 2 0( 1 2 8 1 1 2 ) 2 2 4数字视频图像格式 为了既可用6 2 5 行的电视图像又可用5 2 5 行的电视图像，c c i t t 规定了称为 公用中分辨率格式c i f ( c o m m o n i n t e r m e d i a t e f o r m a t ) ，1 4 公用中分辨率格式 ( q u a r t e r - c i f ，q c i f ) 和( s u b - q u a r t e rc o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t ，s q c w ) 格 式，具体规格如表2 2 所示。 c 格式具有如下特性： ( 1 ) 电视图像的空间分辨率为家用录像系统( v i d e oh o m es y s t e m ，v h s ) 的 分辨率，即3 5 2 x 2 8 8 。 ( 2 ) 使用非隔行扫描( n o n - i n t e r l a c c ds c a n ) 。 ( 3 ) 使用n t s c 帧速率，电视图像的最大帧速率为3 00 0 0 1 0 0 1 = 2 9 9 7 幅，j 眇。 ( 4 ) 使用1 2 的p a l 水平分辨率，即2 8 8 线。 ( 5 ) 对亮度和两个色差信号( y 、c b 和c r ) 分量分别进行编码，它们的取值 范围同r r u r b t 6 0 l 。即黑色= 1 6 ，白色= 2 3 5 ，色差的最大值等于2 4 0 ，最小值等 于1 6 。 表2 2 图像格式参数比较 t a b l e 2 2c o m p a r eo f m a g ep a r a m e t e r c m q c i fs q c i f 行数帧像素行 行数帧 像素，行 行数帧 像素行 亮度( 2 8 8 3 6 0 ( 3 5 2 ) l “ 1 8 0 ( 1 7 6 ) 9 61 2 8 色度( c b ) 1 4 4 1 8 0 ( 1 7 6 ) 7 2 9 0 ( 8 8 ) 4 8 6 4 色度( c r ) 1 4 4 1 8 0 ( 1 7 6 ) 7 2 9 0 ( 8 8 ) 4 86 4 2 3 视频压缩技术 当前在网络视频监控系统中常用的视频压缩标准包括h 2 6 1 、h 2 6 3 、m p e g - 1 、 m p e g 4 等。面向实际应用，i s o i e c 和i t u t 两大国际标准化组织最近共同制定 的h 2 6 4 建议是视频编码技术的新发展。它在多模式运动估计、整数变换、统一 v l c 符号编码、分层编码语法等方面都有它的独到之处。因此h 2 6 4 算法具有很 高的编码效率，发展前景很好。 2 3 1基本原理 视频信息具有一系列优点，如直观性、确切性、高效性、广泛性等等。但是 视频信息的信息量太大，要使得视频得到有效的应用，必须首先解决视频压缩编 码的问题，其次要解决压缩后视频质量保证的问题。这两者之间是相互矛盾的， 最好的视频压缩技术是既要有较大的压缩比，又要保证一定的视频质量。 一个好的压缩算法应具有亮点基本特点。一方面，必须压缩在一定的带宽内， 即视频编码器应具有足够压缩比的功能；另一方面，视频信号压缩以后，经过解 码后应保持一定的视频质量，通常用信噪比( s n ) 来度量。 视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。其中冗余信息 可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉， 即去除数据之间的相关性。基本的视频压缩技术包扩预测编码和变换编码。 1 预测编码 一幅图像由许多个称为像素的点组成，如图2 3 所示，图中的圆点“0 ”表示 一个像素。大量的统计表明，同一幅图像之间具有较强的相关性，两个像素之间 的距离越短，则其相关性越强。通俗的讲，即两个像素的值越接近。换言之，两 个相邻像素的值发生突变的概率极小，“相等、相似或缓变”的概率则极大。 于是，人们可以利用这种像素闯的相关性进行压缩编码。例如当前像素x ( 设 为立即传送的像素) 可用前一个像素a 或b 、c ，或者三者的线性加权来预测。这 些a ，b ，c 被称为参考像素。在实际传送时，把实际像素x ( 当前值) 和参考像素 ( 预测值) 相减，例如只传送x - a ，到了接收端再把( x a ) + a 恢复为x 。由于a 是已经传送的( 在接收端被储存) ，于是得到了当前值x 。由于x 与a 相似，( x - a ) 值很小，视频信号别压缩。这种压缩方式称为帧内预测编码，叼 图2 3 像素间相关性 f i 9 2 3p e r t i n e n c eo f d i f f e r e n c ee l e m e n t s 另外一种编码是利用帧间相关性进行压缩编码，如图2 4 所示。由于邻近之间 的相关性比帧内像素间的相关性更强，可得到的压缩比也更大。 图2 4 帧间相关性 f i 9 2 4p e r t i n e n c eo f d i f f e r e n c ef l a m e s 由此可见，利用像素之间( 帧内) 的相关性和帧间的相关性，找到相应的参 考像素或参考帧作为预测值，即可实现视频压缩编码。 2 变换编码 大量统计表明，视频信号中包含着在能量上占主要部分的直流和低频成分( 即 图像的平坦部分) ，还有少量的高频成分，即图像的细节。因此，可以用另一种方 法进行视频编码，将图像经过某种数学变换后，得到变换域中的图像，如图2 3 所 示。其中u ，v 分别是空间频率坐标。在图2 5 中，用“o ”表示的低频和直流成分 占图像能量中的大部分，而高频成分( 用“x ”表示，要用码传送) 则是少量的， 其余均为零值，用“0 ”表示，于是可以用较少的码表示直流低频以及高频，而“o ” 则不必用码传送，即可以完成视频压缩编码1 图2 5 变换域图像 f i 9 2 5t r a n s f o r mf i e l di m a g c 2 3 2压缩标准的分类和发展 1 1 1 在视频监控网络中常用的视频压缩标准是m p e g - 1 、m p e g 2 、m p e g - 4 、h 2 6 1 、 h 2 6 3 、h 2 6 4 等。 m p e g 一1 图像编解码标准：m p e g 1 由国际标准化组织( i s o ) 于1 9 9 1 年制定， 是基于一般低端应用的视频、音频的编解码标准，它主要针对3 5 2 像素2 8 8 行( c i f 格式) 分辨率和每秒3 0 帧的图像质量，将视频信号和相应的伴音在可以接受的质 量要求下编码成1 5 m b p s 的数据流。感官上，图像较细腻而且很流畅，对大多数 视频会议与图像监控是一个可以接受的标准。 m p e g - 2 图像编解码标准：m p e g 2 标准制定于1 9 9 4 年，设计目标是高级工 业标准的图象质量以及更高的传输率，它追求的是c c i r 6 0 1 建议的图象质量d v b 。 h d t v 和d v d 等制定的3 m b p s 1 0 m b p s 的运动图像及其伴音的编码标准。 m p e g 2 也可提供并能够提供广播级的视像和c d 级的音质。由于m p e g 2 在设计 时的巧妙处理，使得大多数m p e g - 2 解码器也可播放m p e g 1 格式的数据( 如v c d 等) 。因为m p e g - 2 可以提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量、 存储容量以及带宽的要求，所以除了作为v c d 和d v d 的指定标准外，m p e g 2 还可用于为广播、有线电视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频。 m p e g - 4 图像编解码标准：m p e g - 4 的发展目的是基于p 的视频传送，其最 大优点是考虑了网络的传输问题，而且可在压缩品质和压缩量上取得最佳平衡， 以确保传输时的流畅。m p e g - 4 就利用很窄的带宽，通过帧重建技术来压缩和传输 数据，以求利用最少的数据获得最佳的图象质量。m p e g 4 标准主要应用于视频电 话，视频