網(wǎng)絡電視監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)字視頻編碼有關問題

來源：《網(wǎng)絡與電視監(jiān)控工程監(jiān)理手冊》黎連業(yè)、黃子河、及延輝 編著-僅供學習參考更新時間：2014-07-16

【標遠線纜www.guuih.cn】

網(wǎng)絡電視監(jiān)控系統(tǒng)

基于網(wǎng)絡的電視監(jiān)控系統(tǒng)的概念是在20世紀末提出來的。雙絞線、光纖。無線電波、紅外線、激光等有限或無線傳輸介質(zhì)，借助各種接入設備，構筑了當今社會各式各樣的局域網(wǎng)，而這些不同類型的網(wǎng)絡的規(guī)模也不盡相同，既可能是覆蓋某一單位或住宅小區(qū)的廣域網(wǎng)。因此，從系統(tǒng)的物理機構看，同一區(qū)域或不同區(qū)域的不同區(qū)域間的不同類型的網(wǎng)絡終端設備都已通過上述不同種類、不同規(guī)模的網(wǎng)絡實現(xiàn)了物理連接，這也是基于網(wǎng)絡的電視監(jiān)控系統(tǒng)的物理雞蛋糊。各獨立的電視監(jiān)控設備通過嵌入式網(wǎng)絡接入設備或是通過聯(lián)網(wǎng)的計算機便可接入到網(wǎng)絡，監(jiān)控攝像機的圖像則可以通過網(wǎng)絡，以數(shù)字流媒體的形式傳輸?shù)娇刂浦行幕蚱渌岸说母魇芸卦O備。如今各類寬帶網(wǎng)絡及帶寬交換講技術正在突飛猛進。因而將電視機監(jiān)控技術建立在網(wǎng)絡環(huán)境下，其用意是顯而易見的。

數(shù)字視頻編碼有關問題

多媒體一般包括文本、圖形圖像、視頻和動畫等媒體。一般的文本由于數(shù)據(jù)量不大，所以存儲時所占用的存儲空間不多，在傳輸時也不占用很多的時間。通過壓縮而多媒體中的圖形圖像和語音的數(shù)據(jù)量大，占用的存儲空間大，傳輸時占用的時間多，對于這些問題現(xiàn)有的計算機或通信網(wǎng)絡技術基本上能夠解決。

如果是連續(xù)的圖像信號，如電視視頻信號，則數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量要打得多，按照CCIR601標準，以4∶2∶2編碼標準為例，其比特流為（13.5×8＋6.75×8×2）Mbps＝216Mbps。這種速率在一般的計算機上很難處理。每分鐘數(shù)字視頻所占用的空間為216Mbps×60s/8＝1620MB。這么龐大的數(shù)據(jù)使得一張650MB的CD-ROM不能存儲1min的視頻影像，而一塊10GB硬盤也存儲不了幾分鐘的視頻圖像。因此，多媒體中聲音和體香的數(shù)據(jù)很大，如果不對視頻圖像進行壓縮，計算機很難實時處理或?qū)崟r傳輸。

多媒體特別是圖像確實具有很大的數(shù)據(jù)壓縮的潛力，他們存在著很多數(shù)據(jù)冗余。

1.      編碼冗余

對圖像編碼時要建立碼本以表達圖像數(shù)據(jù)。這里碼本是指用來表達一定量的信息或一組時間所需要的一系列符號。其中對每個信息或事件所賦的碼符個數(shù)為碼子的長度。如果編碼所用的碼本不能使每像素所需的平均特數(shù)達到最小，就說明存在編碼冗余。

2.      像素間冗余

在很多形式的圖像數(shù)據(jù)中，像素與像素之間無論是在行方向還是在列方向抖具有很大的相關性，因而整體上數(shù)據(jù)的冗余度很大，在允許一定限度失真的前提下，可以對圖像數(shù)據(jù)進行很大程度的壓縮。這種與像素間相關性聯(lián)系著的數(shù)據(jù)冗余叫像素間冗余，也稱為空間冗余，另外在連續(xù)序列圖像中的幀間冗余也算是一種特例。一幅圖像各像素的值可可以比較方便地由它臨近像素的值預測出來，每個獨立的像素所攜帶的信息相對較少。為了減少圖像中的像素間冗余，需要將常用的二位像素菊展表達形式轉(zhuǎn)換為某種更有效的表達形式。

3.      心理視覺冗余

眼睛所感受到的圖像區(qū)域亮度不僅僅與區(qū)域的反射光有關，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于眼睛并不是對所有視覺信息有相同的敏感度。有些信息寫在通常的視覺過程中相對來說不那么重要，這些信息可認為是心理視覺冗余的。心理視覺冗余的存在與人觀察圖像的方式有關，人在觀察圖像時主要是尋找某些比較明顯的目標特征，而不是定量地分析圖像中每個像素的亮度。人通過腦子里分析這些特征與先驗只是結(jié)合以完成對圖像的解釋過程。

正式由于以上原因，圖像的數(shù)據(jù)壓縮是可能的。圖像數(shù)據(jù)壓縮及時是多媒體圖像技術中十分重要的組成部分。如果不進行有效的數(shù)據(jù)壓縮，則不論傳輸還是存儲都很難實用化。

只有通過壓縮處理，數(shù)字化視頻信號的實時處理以及存儲和傳輸才能適應更廣泛的應用領域。

4.      數(shù)字視頻的帶寬

現(xiàn)行電視系統(tǒng)的掃描格式是625/50/2∶1，即每幀圖像由625行掃描線組成，每秒以2∶1隔行掃描方式顯示50場（即25幀）圖像（相當于在時間域的離散化處理）。由于場周期為20ms，而場正程時間為18.4ms，因此場正程期間的有效掃描行數(shù)為625×18.4/20=575行?？紤]到電視畫面的寬高比4∶3，且數(shù)字化后的像素數(shù)應為整數(shù)，因此每幀圖像的有效像素數(shù)應為768×576=442 368 像素（相當于在空間域的離散化處理）。如果將每個像素的顏色按紅、綠、藍三基色進行分解，并將分解后的色成分（模擬量）按強度劃分為256級亮度（灰度）來標識。由此推算出一幀圖像需要用442 368×24=10 616 832b來表示。而每秒鐘的圖像則需要10 616 832×25=2.65×108b，這一數(shù)字按傳輸速率來說即為265Mbps，若按存儲容量來說則相當于33.2Mbps（8b=1B），數(shù)據(jù)量大得驚人。

如果按ITU-R601標準，即亮度信號Y的采樣頻率選為13.5MH_Z,兩個色差信號R-Y和B-Y的采樣頻率分別選為6.75MH_Z,且每個樣值規(guī)定為8b量化，則亮度信號的碼率應為13.5×8=108Mbps，每個色差信號的碼率應為6.75×8=54Mbps。所以在不采用任何壓縮措施時，視頻信號的總碼率達到108+54+54=216Mbps。這相當于3000多路數(shù)字電話話路的帶寬。

實際上，ITC-R601建議已經(jīng)從數(shù)據(jù)的有效性方面來考慮減少數(shù)據(jù)量的問題。以PAL制電視信號為例，由于電視掃描的行頻為15.6kM_Z，則亮度信號在水平方向的實際樣點數(shù)應為864×（64－12）/64=702點/行（601建議規(guī)定為720點/行）。另外，場逆程期間（兩場共49行）也不需要傳信號，因此垂直方向的有效掃描行數(shù)為576行/幀。兩個色差信號的取樣點數(shù)在水平和垂直方向上均減半，即水平360點/行，垂直288行/幀，因而每秒鐘的像素速率為（720×576+2×360×288）×25幀/s=15.552Mbps。當每個像素按8b量化時，總的碼率為15.552×8=124.4Mbps。由此可見，去除了行、場掃描逆程的冗余，數(shù)字化視頻信號的碼率仍然是相當高的。

從理論上講，PCM（脈沖編碼調(diào)制）二進制傳輸信道每1H_Z帶寬能傳輸?shù)淖罡叽a率是2bps，這就意味著僅傳輸124.4Mbps的數(shù)字電視碼流就至少需要62.2MH_Z的信道寬帶（這還未包括聲音和同步等數(shù)據(jù)），是現(xiàn)有視頻信號嗲款的10倍以上。這樣高的碼率顯然不適合在現(xiàn)有信道傳輸，必須先對數(shù)字化后的信源進行數(shù)據(jù)壓縮，額按后在傳輸。

由此可見，對視頻信號來說，利用壓縮技術來去掉信號中的冗余信息（甚至丟掉一些不大重要的有用信息）使十分重要的。這就意味著數(shù)字壓縮技術已成為數(shù)字視頻得已發(fā)展的制約性因素。

5.      壓縮的概念

圖像壓也稱圖像編碼，它的主要作用是可以減少數(shù)據(jù)的存儲量，減低傳輸速率，壓縮頻帶，從而降低傳輸成本。數(shù)字視頻信號的壓縮可分為有損壓縮和無損壓縮兩類。如果在進行數(shù)據(jù)壓縮的過程中不丟棄任何有效信息，使得還原出的數(shù)據(jù)與未經(jīng)壓縮的原始信號有多差別。由于人眼的分辨力有限，某些圖像信息被丟棄后人眼時難以察覺的，因此可以保證視頻信號在壓縮程度較大的情況下仍有較高的信號質(zhì)量。

實際上，視頻信號具有很高的冗余度。在每一幀圖像內(nèi)，領近先別告訴的幅值可能很接近，有很高的空間冗余度；而相領幀的圖像內(nèi)容一般變化也不大，大多數(shù)信息在前面幾幀中可能都已經(jīng)存在了，有很高的時間冗余度?？臻g冗余度和時間冗余度都可以被去除，而不會引起明顯的信息丟失。壓縮編碼就是設法減少圖形和視頻數(shù)據(jù)的冗余度，以達到壓縮數(shù)據(jù)率的目的，從而節(jié)約傳輸帶寬和存儲空間。圖像數(shù)據(jù)的冗余度越高，壓縮比就可以越大。

標遠線纜安防弱電線纜專業(yè)品牌，專業(yè)生產(chǎn)各種優(yōu)質(zhì)安防弱電線纜，安防工程商、弱電集成商的好伙伴。

專業(yè)專注   精“芯”為您！