關鍵詞： 視頻監控 , 視頻壓縮 , 數據流

隨著人們安全意識的提高，視頻監視系統日益普及，現已廣泛應用于機場、銀行、公共交通中心乃至私人住宅中。但傳統模擬系統存在諸多問題，這促使人們希望轉而采用數字系統。

此外，隨著計算機網絡、半導體及視頻壓縮技術的日益推廣，新一代視頻監視系統將無疑采用數字技術，并將實行標準化技術，支持IP網絡。  

就因特網協議視頻監視系統(VSIP)而言，處理網絡流量的硬件是攝像頭系統的重要組成部分，因為視頻信號要通過攝像頭進行數字化、壓縮處理，然后才傳輸到視頻服務器，從而解決網絡的帶寬限制問題。DSP/GPP等異構處理器架構有助于最大化系統性能。視頻采集、存儲和視頻流都是中斷密集型(Interruptintensive)任務，我們可將其分配給GPP來處理，而高密度MIPS視頻壓縮工作則交給DSP去完成。數據傳輸給視頻服務器后，服務器將壓縮視頻流作為文件存儲在硬盤驅動器上，從而避免了像傳統模擬存儲設備那樣出現視頻質量下降問題。我們針對數字視頻信號的壓縮技術開發了多種標準，可分為以下兩大類：  

運動估算(ME)法：每N幀為一個圖像組(GOP)。我們對圖像組中的第一幀進行獨立編碼，而對其它(N-1)幀來說，我們只將當前幀與其前面已編碼的幀（即前向參考幀）的時差加以編碼。常用的標準為MPEG-2、MPEG-4、H.263及H.264。  

靜態影像壓縮法：每個視頻幀作為靜態影像獨立編碼。最常用的標準為JPEG。MJPEG標準采用JPEG算法對每個幀進行編碼。  

運動估算法與靜態影像壓縮法的比較

圖1：H.264編碼器結構圖  

圖1顯示了H.264編碼器的結構圖，與其它ME視頻編碼標準類似，H.264編碼器將輸入影像分為多個16x16像素的宏塊(MB)，然后逐塊處理。H.264編碼器包括正向路徑和重構路徑。正向路徑將幀編碼為比特位；重構路徑從編碼位中產生一個參考幀。下圖中的IDCT、IQ、ME和MC分別代表（反向）離散余弦變換、（反向）量化、運動估算及運動補償。  

在正向路徑中（從DCT至Q），每個宏塊(MB)均可以幀內模式或幀間模式編碼。在幀間模式下，運動估算(ME)模塊將參考MB位于前面已編碼的幀處；而在幀內模式下，參考MB在當前幀中由采樣形成。  

重構路徑（從IQ至IDCT）的目的是確保編碼器和解碼器采用相同的參考幀生成影像。否則就會累積編碼器與解碼器間的誤差。

圖2：JPEG編碼器結構圖  

圖2給出了JPEG編碼器結構圖。該編碼器將輸入影像分為多個8x8像素的模塊，然后逐個處理。每個模塊首先通過DCT模塊，隨后量化器根據量化矩陣對DCT系數進行取整。在此過程中，編碼質量與壓縮比均可根據量化步驟調節。最后熵編碼器對量化器輸出進行編碼，并生成JPEG影像。  

由于連續視頻幀通常包括大量相關信息，因此ME方法可實現更高的壓縮比。舉例來說，就每秒30幀的標準NTSC分辨率而言，H.264編碼器能以2mbps的速度進行視頻編碼，從而實現了平均壓縮比高達60:1的影像質量。在影像質量相同的情況下，MJPEG的壓縮比則為10:1至15:1。  

MJPEG相對于ME方法有如下幾點優勢。首先，JPEG需要的計算量和功耗相對大幅降低。此外，大多數PC都配置了JPEG影像專用的解碼及顯示軟件。如果記錄特定事件只需一幅或幾幅影像，比如人通過門口，那么MJPEG的效率會更高。如果網絡帶寬沒有保證，那么我們更傾向于采用MJPEG標準，因為某幀的丟失或延遲不會影響其它幀。而對于ME方法來說，某幀的延遲或丟失會導致整個GOP的延遲或丟失，因為只有獲得前向參考幀(previousreferenceframe)才能對下一幀進行解碼。  

許多VSIP攝像頭都有多個視頻編碼器，因此用戶可根據具體應用要求選擇最合適的視頻編碼器。某些攝像頭甚至還能同時執行多種編解碼器。MJPEG對VSIP攝像頭的要求通常是最低的，幾乎所有VSIP攝像頭都可安裝JPEG編碼器。  

MJPEG標準的實施  

在典型數字監視系統中，視頻通過傳感器采集、壓縮，再以流媒體方式傳輸到視頻服務器中。新型DSP架構上執行的視頻編碼器任務如果發生中斷，就會出現問題，因為每次環境轉換(contextswitch)都會導致大量寄存器存儲和高速緩存釋放。因此我們應采用異構架構，這樣就能將DSP從視頻采集和流媒體任務中解脫出來。以下結構圖顯示了視頻監視應用中的DSP/GPP處理器架構實例。

圖3：視頻監視應用中的DSP/GPP處理器架構實例