韓 強，戰(zhàn)鐵兵，趙星博，宮 姍，梁士利

(1.國家電網吉林送變電工程公司國際分公司，長春130033;2.東北師范大學物理學院，長春130024)

0 引 言

在當今社會，視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)中非常重要的一部分，并且逐步向著實時網絡傳輸的方向發(fā)展［1－5］。所以，現代的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對畫面清晰度和實時性的要求越來越高，使視頻數據不斷增長，但是，由于當前視頻數據編碼解碼技術的限制和網絡帶寬資源占用過大等因素，導致現有視頻數據實時傳輸無法達到預期的效果，甚至由于網絡有限的帶寬而無法進行視頻數據的實時傳輸，所以，急切需要對這些龐大的視頻數據進行高效的壓縮編碼。以期在超窄帶寬的網絡環(huán)境下，進行視頻數據的實時傳輸。圖像壓縮的目的是在滿足一定圖像質量的條件下用盡量少的比特數表示原圖像，從而減輕圖像存儲和傳輸的負擔，特別是能實現圖像在網絡上的實時傳輸。傳統(tǒng)的圖像編解碼是以信息論為基礎，多采用離散余弦變換(DCT:Dual Clutch Transmission)為主要技術［6］，去除圖像中冗余信息。但DCT技術的時頻局域性較差，并在高壓縮比條件下會出現明顯方塊效應，嚴重影響圖像質量。小波變換可在時域和頻域同時進行變換，相比DCT變換，大幅度提高了圖像信息的定位精度，因此，小波變換方法可根據信息的重要性進行優(yōu)先編碼和傳輸，這種圖像處理的多分辨率和人眼視覺柔和特性，使小波變換圖像壓縮方法成為當前圖像壓縮算法的發(fā)展趨勢。

筆者以小波壓縮算法為核心技術，將視頻流媒體文件低損高倍壓縮，提高了原圖像的分辨率，并將該方法實際應用于國家電網非洲赤道幾內亞的視頻管理系統(tǒng)中，實現了超窄帶寬下的高清視頻實時傳輸。

1 小波變換

1.1 Mallat算法

在小波變換圖像壓縮算法中，Mallat設計了基于濾波器組的正交小波分解和重構算法［7］。圖像壓縮編碼可通過Mallat算法對圖像進行分解處理，首先經過一組分解濾波器L和H對信號進行濾波，L和H代表低通濾波器和高通濾波器。其中低通濾波器用來處理原始圖像信號的平滑部分;而高通濾波器生成原始圖像信號的細節(jié)部分，最后通過采樣產生重構信號。

在圖1中，LL，LH，HL和HH是4個具有方向特性和頻率特性的濾波器。其中LL濾波器只檢測低頻分量，HL濾波器檢測水平信號中的細節(jié)和邊緣分量，LH濾波器檢測垂直方向的細節(jié)和邊緣分量，而HH濾波器則檢測兩個對角線方向的分量。

圖1 小波分解示意圖Fig.1 Wavelet transform schematic diagram

1.2 USDC壓縮算法

筆者在Mallat濾波器組的正交小波分解和重構算法的基礎上，通過在L和H濾波器上增加了四叉樹結構，整合出一種Mallat算法與四叉樹相結合的新型壓縮方法USDC，使濾波器的精度增加1倍，圖像壓縮時動作預測多達64個角度。從而比H.264［3］節(jié)約小于60%的帶寬。

圖2 四叉樹結構圖Fig.2 The quadtree structure diagram

四叉樹［8］(Quadtree)是一種對柵格數據進行壓縮和編碼的研究方法。其本質是把圖像的每幅柵格數據層平分為4部分，再對這些柵格的灰度屬性值進行逐塊檢查;如果具有相同檢測結果，此區(qū)域將不再進行分割處理;如果檢測結果不同，將把此區(qū)域再平分為4個子區(qū)，并按照以上方式進行分割，使每個子塊都含有相同的灰度值。圖2表示四叉樹結構。

2 系統(tǒng)設計及效能分析

2.1 系統(tǒng)設計

2.1.2 系統(tǒng)整體設計

筆者根據赤道幾內亞的實際情況，包括:地理環(huán)境、自然條件和網絡環(huán)境等因素，提出了一種最有效、最便利的實時視頻監(jiān)控的硬件設計方案。

基于小波壓縮算法的境外實時視頻傳輸系統(tǒng)主要由數據采集單元、壓縮單元、以太網和數據接收單元等組成。硬件設備包括:防腐防爆云臺攝像機、高靈敏度拾音器、USDC編解碼器、路由器、計算機、手機和平板電腦等，其系統(tǒng)整體設備連接如圖3所示。

圖3 境外實時視頻傳輸系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Overseas real－time video transmission system schematic diagram

2.1.2 軟件整體設計

圖4為視頻監(jiān)控中心處理框架圖，整體系統(tǒng)軟件完成系統(tǒng)管理、監(jiān)控錄像和信息查詢等功能［9－16］。

圖4 視頻監(jiān)控中心處理平臺框架圖Fig.4 Monitoring center processing platform framework diagram

1)系統(tǒng)管理功能。實現各項參數的設置、資料的修改、用戶管理等功能。在用戶管理功能中，為每個用戶提供登陸和操作的交互平臺;其中資料修改功能是用戶用來修改個人資料和登錄密碼，并且方便不同的用戶操作使用;平臺參數、網絡參數、圖像參數和云臺參數的設置是在參數設置功能中實現。

2)監(jiān)控錄像。主要包括手動錄像模式、手動控制云臺和視頻圖像抓拍等功能。手動錄像模式是通過手動開啟錄像模式，可直接把錄像儲存起來，方便以后查找;用戶手動控制云臺是用戶可以根據想要監(jiān)控地點方向隨意調整攝像頭的方向;視頻圖像抓拍是指用戶可根據需要把有用的錄像進行圖片抓拍和查找。

3)信息查詢功能。軟件系統(tǒng)可實現警示記錄和圖片查詢、歷史的回放。視頻歷史回放是提供視屏的歷史記錄;告警記錄功能是指告警時間、恢復時間和監(jiān)控點狀態(tài)的記錄查詢;而監(jiān)控圖片查詢功能是對某時段的圖像進行查詢，根據結果對圖像進行細節(jié)特征處理。

2.2 系統(tǒng)效能分析

2.2.1 系統(tǒng)特點

1)更高壓縮比。USDC編碼技術壓縮比是國際通用標準H.264編碼技術3～8倍。

2)更高的傳輸效率。USDC編碼技術實時流暢傳輸D1(704×576像素)畫質音視頻文件，碼流僅需20～200 kbit/s;傳輸720P畫質音視頻文件，碼流僅需200～700 kbit/s。

3)更清晰流暢的畫面。傳輸D1畫質圖像的信噪比大于等于43 dB，遠程圖像實時傳輸延遲小于1 s。

4)更靈活的監(jiān)控方式?？蛇h程實時有線(平臺)監(jiān)控，實時無線(手機、筆記本)監(jiān)控USDC編解碼技術與H.264編解碼技術分析比較如表1所示。

表1 USDC編解碼與H.264編解碼對比分析Tab.1 The comparison for USDC and H.264

2.2.2 實驗結果分析

1)在規(guī)定碼流同為13.3 kbit/s的情況下，在USDC編解碼下的視頻效果明顯高于H.264編解碼下的視頻效果(見圖5)。

2)當限定碼流同為50 kbit/s時，在USDC編解碼下的視頻畫面很流暢，而在H.264編解碼下的視頻畫面延遲、卡頓嚴重(見圖6)。

3)在視頻畫質相同的情況下，在USDC編解碼下的碼流只有18 kbit/s，而用H.264編解碼時，碼流達到146 kbit/s(見圖7)。

圖5 同碼流下的畫質對比圖Fig.5 Picture quality comparison chart at same code rate

圖6 限碼流下畫面?zhèn)鬏斝Ч麑Ρ葓DFig.6 Video transmission quality comparison chart at limited code rate

圖7 相同畫質下的碼流對比圖Fig.7 Video transmission quality comparison chart at same code rate

從實驗結果分析可以得出，USDC的編解碼技術優(yōu)于H.264的編解碼技術，并且解決了超窄帶寬下的視頻傳輸，實現了對境外工作環(huán)境的實時視頻監(jiān)控。

3 結 語

筆者對境外實時視頻傳輸系統(tǒng)的設計中，以小波壓縮算法為核心技術，將視頻流媒體文件低損高倍壓縮，原圖像分辨率越高，壓縮比越高，該系統(tǒng)在相同的網絡環(huán)境下，僅需20～200 kbit/s的超低碼流，即可流暢的傳輸D1(704×576像素)畫質的音視頻文件，僅需200～700 kbit/s的超低碼流即可傳輸720P畫質的音視頻文件，且遠程圖像實時傳輸延遲小于1 s。隨著物聯網技術的發(fā)展與推廣，基于小波的壓縮算法將憑借傳輸高清圖像占用帶寬極小、畫質清晰流暢、畫面延遲小和降低運營成本等技術特性，不斷應用到各領域中，實現超窄帶寬下的高清視頻實時傳輸。

［1］王濤，顧志華.基于小波變換的圖像壓縮［J］.交通與計算機，2004，4(22):30－34.WANG Tao，GU Zhihua.Image Compression Based on Wavelet Transform ［J］.Computer and Communications，2004，4(22):30－34.

［2］鄭偉，崔躍利，王芳.基于小波變換的圖像壓縮編碼研究綜述［J］.通信技術，2008，2(41):83－86.ZHENG Wei，CUI Yueli，WANG Fang.A Review of Image Compression Coding Based on Wavelet Transform ［J］.Communications Technology，2008，2(41):83－86.

［3］劉輝.基于H.264和小波變換的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現［D］.長春:東北師范大學物理學院，2013.LIU Hui.The Design and Implementation of Video Monitoring System Based on H.264 and Wavelet Transform ［D］.Changchun:College of Physics，Northeast Normal University，2013.

［4］王劍平，張捷.小波變換在數字圖像應用［J］.現代電子技術，2011，34(1):91－94.WANG Jianping，ZHANG Jie.Application of Wavelet of Transformin Digital Image Processing ［J］.Modern Electronics Technique，2011，34(1):91－94.

［5］魏明果.實用小波分析［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.WEI Mingguo.Practical Wavelet Analysis［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2005.

［6］南敬昌，謝國民，惠曉威.小波變換視頻壓縮編碼技術研究［J］.遼寧工程技術大學學報，2003，22(4):638－640.NAN Jingchang，XIE Guomin，HUI Xiaowei.Wavelet Transform Video Compression Coding Technology Research ［J］.Journal of Liaoning Technical University，2003，22(4):638－640.

［7］STEPHAN WENGER.H.264/AVC over IP ［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2003，13(7):110－116.

［8］朱述龍.四叉樹結構在數字圖像分割中的應用［J］.解放軍測繪學院學報，1994，11(1):22－25.ZHU Shulong.Quad－Tree－Basing Structure Image Segment Technology ［J］.Journal of the PLA Institute of Surveying and Mapping，1994，11(1):22－25.

［9］楊建全，梁華，王成友.視頻監(jiān)控技術的發(fā)展與現狀［J］.現代電子技術，2006，21(236):84－87.YANG Jianquan，LIANG Hua，WANG Chengyou.Development and Status of Video Surveillance Technology ［J］.Modern Electronics Technique，2006，21(236):84－87.

［10］李銳，李佳田，王華，等.基于四叉樹結構的加權Voronoi圖生成算法［J］.計算機應用，2012，32(11):3078－3081.LI Rui，LI Jiatian，WANG Hua，et al.Algorithm for Generating Weighted Voronoi Diagram Based on Quadtree Structure［J］.Journal of Computer Applications，2012，32(11):3078－3081.

［11］安丹丹.基于小波變換的視頻壓縮算法研究［D］.河北:河北工業(yè)大學信息工程學院，2007.AN Dandan.Research on Video Compression Algorithms Using Wavelet Transform ［D］.Hebei:School of Information Engineering，Hebei Industrial University，2007.

［12］ANDREOPOULOS Y，MUNTEANU A，BARBARIEN J.In－Band Motion Compensated Temporal Filtering［J］.Signal Process Image Communication，2004，19(7):653－673.

［13］FERGUSON K L，ALLINSON N M.Psychophysicallyderived Quantisantion Model for Efficient DWT Image Coding［J］.IEEE Proc－Vis Image Signal Proeess，2002，149(1):51－56.

［14］YANG X，RAMCHANDRAM K.Scalable Wavelet Video Coding Using Alisasing Redues Hierarchiecl Motion Compensation［J］.IEEE Trans on Image Proeessing，2000，9(5):778－791.

［15］董天燁.網絡數字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計及實現［D］.上海:上海交通大學信息安全工程學院，2007.DONG Tianye.The Research on the Network Video Monitoring System and Its Application［D］.Shanghai:College of Information Security，Shanghai Jiaotong University，2007.

［16］張澎濤，劉晉浩.連續(xù)小波變換在機械故障特征提取中的應用［J］.吉林大學學報:信息科學版，2014，32(2):172－176.ZHANG Pengtao，LIU Jinhao.Application of CWT in Mechanical Fault Feature Extraction ［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2014，32(2):172－176.