視頻監(jiān)視系統(tǒng)的視頻壓縮和數(shù)據(jù)流(08-100)

　　傳統(tǒng)模擬基系統(tǒng)的很多問題正在影響數(shù)字基系統(tǒng)的向前發(fā)展。

　　IP視頻監(jiān)視系統(tǒng)(VSIP)中，硬件處理的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量是相機(jī)的組成部分。這是因?yàn)橛上鄼C(jī)數(shù)字化視頻信號，而且為了克服網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制，信號傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器前要進(jìn)行壓縮。異機(jī)種處理器架構(gòu)，如DSP/GPP，是達(dá)到最大系統(tǒng)性能所希望的。中斷密集任務(wù)，如視頻捕獲、存儲和視頻流可分配到GPP，而MIPS密集視頻壓縮由DSP完成。數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器后，服務(wù)器以文件形式存儲壓縮的視頻流到硬盤，這樣可克服模擬存儲器件傳統(tǒng)的性能退化。

　　為數(shù)字視頻信號壓縮已開發(fā)了各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)，可歸納為以下兩類：

　　·靜止圖像壓縮—獨(dú)立地編碼每個視頻幀做為一個靜止圖像。最著名的標(biāo)準(zhǔn)是JPEG。MJPEG標(biāo)準(zhǔn)用JPEG算法編碼每個幀。

　　圖1示出H.264編碼器框圖。類似于其他ME基視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它靠宏單元(16×16像素)處理每個幀宏單元(macroblockMB)。它有一個前向通路和重建通路。前向通路編碼幀為位。重建通路從編碼位產(chǎn)生1個參考幀。

　　在前向通路(DCT到Q)中，每個MB可以以內(nèi)模式或交互模式編碼。在內(nèi)模式中，靠ME模塊在先編碼中求得參考MB。在交互模式中，從現(xiàn)在幀采樣中形成M。

　　重建通路(IQ到IDCT)的目的是確保編碼器和譯碼器作相同的參考幀來產(chǎn)生圖像。另外，編碼器和譯碼器之間的誤差將累積。

　　由于時序視頻幀往往包含很多相關(guān)信息，所以ME基方法可以達(dá)到較高的壓縮比。例如，對于NTSC標(biāo)準(zhǔn)分辨率(30f/s)，H.264編碼器可以在2mbps編碼視頻，達(dá)到60:1壓縮比的比均圖像品質(zhì)。為了達(dá)到類似的品質(zhì)，MJPEG的壓縮比大約為10：1~15：1。

　　MJPEG與ME基方法相比有幾個優(yōu)點(diǎn)。最主要的優(yōu)點(diǎn)，JPEG需要相當(dāng)少的計(jì)算和功耗。另外，大多數(shù)PC所具有的軟件能譯碼和顯示JPEG圖像。在單個圖像或少量圖像記錄一個特殊事件(如某人步入門口)時MJPEG也更有效。假若不可能保證網(wǎng)絡(luò)帶寬，則優(yōu)先選用MJPEG。采用ME基方法，1個幀的延遲/丟失將導(dǎo)致整個GOP的延遲/丟失，這是因?yàn)橄?幀將不被譯碼直到先參考幀可用時為止。

　　在典型的數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)中，從傳感器捕獲視頻、壓縮視頻、然后數(shù)據(jù)流到視頻服務(wù)器。不希望中斷在DSP架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的視頻編碼器任務(wù)，這是由于每個前后關(guān)系開關(guān)轉(zhuǎn)換包含大量寄存器存儲和超高速緩沖存儲器開關(guān)。因此，異機(jī)種架構(gòu)是理想的，這樣視頻捕獲和數(shù)據(jù)流任務(wù)可以脫載DSP。下面說明用在視頻監(jiān)視應(yīng)用中的DSP/GPP處理器實(shí)例。

　　DSP/GPP SoC基系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號壓縮時，開發(fā)人員首先應(yīng)該適當(dāng)?shù)胤峙涔δ苣K來實(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)性能。

　　EMAC驅(qū)動器、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)棧和HTTP服務(wù)器(與流到外部的壓縮視頻信號工作在一起)、和ATA驅(qū)動器都應(yīng)該在ARM中實(shí)現(xiàn)，這有助于脫載DSP處理。壓縮應(yīng)在DSP芯核中實(shí)現(xiàn)，這是由于其VLIW架構(gòu)處理這類計(jì)算密集任務(wù)是特別好的。

　　一旦經(jīng)過處理器的視頻輸入口從相機(jī)捕獲視頻幀，則由執(zhí)行視頻編碼器任務(wù)對原始視頻進(jìn)行壓縮，然后把壓縮的視頻存儲到板上硬盤中。

　　在現(xiàn)場應(yīng)用的這種系統(tǒng)中，可以用PC監(jiān)視實(shí)時視頻景物，這是靠檢索視頻服務(wù)器中的數(shù)據(jù)流和譯碼、顯示數(shù)據(jù)流在監(jiān)視器上。在這種情況下，通過Internet可以在板上檢索1個編碼的JPEG圖像文件。在單個PC上可以監(jiān)視多個數(shù)據(jù)流。也可以從網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)同時監(jiān)視數(shù)據(jù)流。不同于傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)，VSIP中央辦公室可以通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連系視頻服務(wù)器并可物理定位網(wǎng)絡(luò)中的任何地點(diǎn)。此時失效的單點(diǎn)變成數(shù)碼相機(jī)，而不是中央辦公室。也可以動態(tài)配置JPEG圖像的品質(zhì)。

　　圖1 H.264編碼器框圖