试议监控视频压缩方式

一、远程监控视频压缩编码方案

本文提出的编码方案主要从视频图像预处理，视频对象提取和帧间运动补偿三个方面提高图像的压缩率，实现视频的实时传输。

1.视频图像预处理由于现场摄像机拍摄得到的视频帧序列图像为彩色图像RGB三通道,但彩色图像对于我们实时掌握路面大体情况和装备状态没有必要，为了提高视频压缩率，将其转化为单通道灰度图像,公式如下[4]：I=λRR+λGG+λBBI为转换后的灰度值，灰度值范围从0到255，它由R、G、B三种颜色以不同比例拟和而成，本文中RGB的三个系数采用一组图像处理中比较常用的值：0.2989，0.5870，0.1140。然后对得到的视频图像进行一级离散小波变换(DWT)，由此得到LL1、LH1、HL1和HH14个子带。根据监控图像具有对比度低和纹理细节少的特点,舍弃所有高频子带,只保留低频子带LL1，而以后所有进行的帧内视频对象的提取和帧间的运动补偿编码都是在预处理后的子带LL1上进行的，这样不但消除了视频监控图像中大量的视觉冗余，而且有效的提高了视频图像的压缩率。

2.视频对象的提取在视频图像处理中，有三种比较常用的运动物体检测方法：①背景差值法；②图像帧间差分法；③基于光流的方法以及基于块匹配的方法[2]。由于本文监控视频都是采用固定的摄像机拍摄，所得的视频背景是相同的，因此采用背景差值法提取视频对象。其公式如下：Δf(x,y)=fk(x,y)-b(x,y)其中fk(x,y)为视频图像的当前帧，b(x,y)为视频的背景，不随帧数的改变而改变。由于本文研究的对象是设备运行的状态，因此可以提前采集背景，但由于光照、摄像机抖动、天气等原因可能造成视频运动背景的变化，因此设定一个阀值T，当Δf(x,y)变化值小于T时，认定背景图像没有发生变化，当大于T时，更新背景帧。编码的具体步骤如下：Step1：提前采集背景，设定原始背景帧b(x,y)，采用CDF9/7小波进行离散小波变换，采用较低的编码比特率对背景图像进行SPIHT编码后传至解码端保存；Step2：将预处理后的视频帧LL1子带与背景帧LL1子带做差得到视频前景，也就是视频的运动对象，采用CDF17/11小波进行离散小波变换，采用较高的编码比特率对得到的运动对象区域进行高质量的压缩编码并传输；Step3：在解码端根据设定的背景帧对视频进行还原，并判断Δf(x,y)与阀值T的关系，判断是否需要更新背景帧。

3.帧间的运动补偿根据上节确定的运动区域内，采用块匹配的算法得到运动矢量。将得到当前帧的运动对象的区域划分2×2的宏块，用全搜索算法在参考帧的运动对象区域中搜索匹配块，得到运动矢量。利用这些运动矢量，对原始图像进行运动补偿，补偿后的图像即为预测误差。对运动矢量和预测误差进行量化、编码后进行传输，在解码端进行反变换得到原始图像。对于固定背景的远程视频图像，本文采用24帧/s采集速度速度，其视频序列的组成为IBBPBBPBBPBBPBBPBBPBBP。其中I帧采用前述的帧内编码的方式，也就是基于固定背景视频对象提取的编码方法，P帧采用帧间预测编码方式获得，而B帧是解码时由解码程序根据各个视频对象运动估计矢量插值得到的双向帧，不占编码传输的比特数，这样不但可以提高解码视频图像的视觉质量，而且提高了帧速率。

二、实验及结果分析

取一段监控视频，利用本文的方法进行视频压缩重建。取其中的几帧图像视觉效果以及PSNR。经检测，解码后的图像的PSNR均在29以上，符合人眼视觉的最低要求，且由图1内容可以看出，根据本文提出的压缩编码方法对远程视频图像进行处理后重建的图像从人的视觉效果和PSNR值都满足要求，具有可行性。其压缩比能够达到300:1，经过16Kb/s的短波信道的传输试验，没有明显的延迟现象，能够清晰辨别视频中对象的运动状态，满足实时传输的要求。

三、结论

提出了一种基于固定背景下的远程视频图像的压缩编码方法，预处理过程去掉了视频中的视觉冗余，并减少了视频后续编码的计算量和编码比特率。通过固定背景的差分法提取运动对象，背景与运动对象的分别编码传输减少了帧间冗余，并且加强了感兴趣区域的图像质量，通过帧间的运动补偿编码消除了帧间的时间冗余，提高了视频图像编码的效率。实验证明，在重建图像质量满足需要的前提下，视频图像的压缩率达到300:1，基本满足短波信道的16Kb/s的带宽实时传输需求。

作者：王晓日慕晓冬柯冰许夙辉单位：第二炮兵工程大学理学院