高保真實(shí)時(shí)準(zhǔn)動態(tài)圖像采集壓縮…

發(fā)布時(shí)間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數(shù):521

在ｉｎｔｅｒｎｅｔ飛速發(fā)展和廣泛普及的今天，信息傳輸從兩方面加強(qiáng)力度：一是多媒體化；二是實(shí)時(shí)化。在此基礎(chǔ)上，高保真準(zhǔn)動態(tài)圖像采集、壓縮和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)成為許多先進(jìn)國家計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要研究課題。在軍事上，戰(zhàn)場信息已經(jīng)不只是文字類型，而需要為決策者提供高質(zhì)量的動態(tài)實(shí)時(shí)圖像信息，以便及時(shí)準(zhǔn)確地了解戰(zhàn)場真實(shí)情況；另外，對國外新式戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等先進(jìn)武器和裝備，也不只是從文字上了解其功能、從靜態(tài)圖片上了解其形狀，而是要了解其在實(shí)戰(zhàn)中的具體功能、實(shí)際威力以及真實(shí)效果，使決策者和科技人員獲得動態(tài)和感性的認(rèn)識，有身臨其境之感。在工業(yè)上，需要對一些多變的、有毒的、人類不宜久留的場合進(jìn)行監(jiān)測。在醫(yī)療上，則需要一些高級專家對異地的病人進(jìn)行診斷和治療……這些都是基于高保真實(shí)時(shí)準(zhǔn)動態(tài)圖像采集壓縮和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)的綜合實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合課題組長期的研究闡述其主要技術(shù)及其優(yōu)化策略。

１系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是基于ｉｎｔｅｒｎｅｔ實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程站點(diǎn)之間的高保真準(zhǔn)動態(tài)圖像的實(shí)時(shí)傳輸。整個系統(tǒng)貫徹如下設(shè)計(jì)思想：發(fā)送站點(diǎn)和接收站點(diǎn)都具有對圖像質(zhì)量的控制功能，以適應(yīng)ｉｎｔｅｒｎｅｔ傳輸率不穩(wěn)定的情況；對圖像采用多種類型的壓縮技術(shù)，以適應(yīng)不同的圖像分辨率和環(huán)境要求；在ｉｎｔｅｒｎｅｔ信道傳輸率較差時(shí)，能夠啟動自適應(yīng)功能。

２系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在物理上，本系統(tǒng)分為發(fā)送站點(diǎn)和接收站點(diǎn)兩部分。在邏輯上，本系統(tǒng)分為圖像采集、壓縮和傳輸子系統(tǒng)、性能控制子系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包含如下六個獨(dú)立的功能模塊，如圖１所示。

（１）圖像采集、壓縮和傳輸子系統(tǒng)

·圖像采集模塊，發(fā)送站點(diǎn)從攝像機(jī)讀取原始視頻流，按一定的格式存儲為視頻數(shù)據(jù)。

·圖像壓縮模塊，發(fā)送站點(diǎn)將視頻數(shù)據(jù)壓縮，為網(wǎng)絡(luò)傳輸作準(zhǔn)備。

·視頻傳輸模塊，利用ｒｔｐ和ｕｄｐ協(xié)議將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程站點(diǎn)。

·視頻解壓縮模塊，接收站點(diǎn)將接收到的壓縮數(shù)據(jù)用解壓縮算法還原成視頻數(shù)據(jù)。

（２）性能控制子系統(tǒng)

·客戶／服務(wù)器同步模塊，使發(fā)送站點(diǎn)和遠(yuǎn)程接收站點(diǎn)在視頻格式和設(shè)置方面保持一致。

·自適應(yīng)模塊，在信道傳輸率較差時(shí)，能自動啟動自適應(yīng)功能，使系統(tǒng)的視頻傳輸適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)情況。

３系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化策略

３．１視頻采集技術(shù)分析和選擇

為了實(shí)時(shí)視頻采集，需要安裝相應(yīng)的視頻采集設(shè)備。即視頻采集卡和攝像頭等。并需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動軟件來支持這些設(shè)備的運(yùn)行。

ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系統(tǒng)提供了ｖｆｗ（ｖｉｄｅｏｆｏｒｗｉｎｄｏｗｓｓｄｋ）。ｖｆｗ包含了大量與視頻采集有關(guān)的編程接口。這些編程接口通過操作系統(tǒng)提供的ｖｆｗ－ｔｏ－ｗｄｍｖｉｄｅｏｃａｐｔｕｒｅｍａｐｐｅｒ調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序中的相關(guān)例程，為系統(tǒng)的圖像采集提供了底層接口編程基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)用到的最主要的編程調(diào)用有如下幾個：

ｃａｐｃｒｅａｔｅｃａｐｔｕｒｅｗｉｎｄｏｗ，創(chuàng)建一個視頻采集窗口；

ｃａｐｄｒｉｖｅｒｃｏｎｎｅｃｔ，連接視頻采集設(shè)備驅(qū)動程序；

ｃａｐｓｅｔｖｉｄｅｏｆｏｒｍａｔ，設(shè)定視頻格式；

ｃａｐｄｌｇｖｉｄｅｏｆｏｒｍａｔ，設(shè)置對話框。ｖｆｗ提供了兩種視頻采集模式：ｐｒｅｖｉｅｗ（簡稱ｐ模式）和ｏｖｅｒｌａｙ（簡稱ｏ模式）。筆者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過實(shí)驗(yàn)和測試比較了這兩種模式。

·ｐ模式占用較多的系統(tǒng)資源。在這種模式中，硬件將采集的視頻幀傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中，然后在視頻采集窗口用ｗｉｎｄｏｗｓｇｄｉ函數(shù)進(jìn)行顯示；而ｏ模式下，視頻采集子系統(tǒng)直接通過硬件方法顯示視頻，相對來說節(jié)省內(nèi)存，且速度較快。

·ｏ模式穩(wěn)定性較好，但也要求電源性能較好。在直流電源性能較好情況下，采用ｏｖｅｒｌａｙ模式進(jìn)行視頻采集。

實(shí)際運(yùn)行過程表明，上述分析是正確的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了ｏｖｅｒｌａｙ模式。這一選擇對穩(wěn)定性起到了較好的優(yōu)化作用。

３．２視頻壓縮、解壓縮技術(shù)的優(yōu)選和優(yōu)化

針對視頻應(yīng)用中可能遇到的各種情況，本系統(tǒng)的壓縮、解壓縮模塊設(shè)計(jì)采用三種壓縮方案，使用時(shí)可以從中選擇一種，以適應(yīng)不同環(huán)境和不同需求。

一是國際通用的高壓縮比方案ｈ．２６３，該方案壓縮比高，但圖像質(zhì)量較差，適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸性能較差的情況，該方案大體符合現(xiàn)場圖像的處理要求。二是圖像壓縮質(zhì)量最好、算法最先進(jìn)的ｍｐｅｇ－４方案，該方案圖像質(zhì)量好，但壓縮比較低，適