网络电视监控系统与数字视频编码有关问题

来源：《网络与电视监控工程监理手册》黎连业、黄子河、及延辉 编著-仅供学习参考更新时间：2014-07-16

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网络电视监控系统

基于网络的电视监控系统的概念是在20世纪末提出来的。双绞线、光纤。无线电波、红外线、激光等有限或无线传输介质，借助各种接入设备，构筑了当今社会各式各样的局域网，而这些不同类型的网络的规模也不尽相同，既可能是覆盖某一单位或住宅小区的广域网。因此，从系统的物理机构看，同一区域或不同区域的不同区域间的不同类型的网络终端设备都已通过上述不同种类、不同规模的网络实现了物理连接，这也是基于网络的电视监控系统的物理鸡蛋糊。各独立的电视监控设备通过嵌入式网络接入设备或是通过联网的计算机便可接入到网络，监控摄像机的图像则可以通过网络，以数字流媒体的形式传输到控制中心或其他前端的各受控设备。如今各类宽带网络及带宽交换讲技术正在突飞猛进。因而将电视机监控技术建立在网络环境下，其用意是显而易见的。

数字视频编码有关问题

多媒体一般包括文本、图形图像、视频和动画等媒体。一般的文本由于数据量不大，所以存储时所占用的存储空间不多，在传输时也不占用很多的时间。通过压缩而多媒体中的图形图像和语音的数据量大，占用的存储空间大，传输时占用的时间多，对于这些问题现有的计算机或通信网络技术基本上能够解决。

如果是连续的图像信号，如电视视频信号，则数字化后的数据量要打得多，按照CCIR601标准，以4∶2∶2编码标准为例，其比特流为（13.5×8＋6.75×8×2）Mbps＝216Mbps。这种速率在一般的计算机上很难处理。每分钟数字视频所占用的空间为216Mbps×60s/8＝1620MB。这么庞大的数据使得一张650MB的CD-ROM不能存储1min的视频影像，而一块10GB硬盘也存储不了几分钟的视频图像。因此，多媒体中声音和体香的数据很大，如果不对视频图像进行压缩，计算机很难实时处理或实时传输。

多媒体特别是图像确实具有很大的数据压缩的潜力，他们存在着很多数据冗余。

1.      编码冗余

对图像编码时要建立码本以表达图像数据。这里码本是指用来表达一定量的信息或一组时间所需要的一系列符号。其中对每个信息或事件所赋的码符个数为码子的长度。如果编码所用的码本不能使每像素所需的平均特数达到最小，就说明存在编码冗余。

2.      像素间冗余

在很多形式的图像数据中，像素与像素之间无论是在行方向还是在列方向抖具有很大的相关性，因而整体上数据的冗余度很大，在允许一定限度失真的前提下，可以对图像数据进行很大程度的压缩。这种与像素间相关性联系着的数据冗余叫像素间冗余，也称为空间冗余，另外在连续序列图像中的帧间冗余也算是一种特例。一幅图像各像素的值可可以比较方便地由它临近像素的值预测出来，每个独立的像素所携带的信息相对较少。为了减少图像中的像素间冗余，需要将常用的二位像素菊展表达形式转换为某种更有效的表达形式。

3.      心理视觉冗余

眼睛所感受到的图像区域亮度不仅仅与区域的反射光有关，这种现象的产生是由于眼睛并不是对所有视觉信息有相同的敏感度。有些信息写在通常的视觉过程中相对来说不那么重要，这些信息可认为是心理视觉冗余的。心理视觉冗余的存在与人观察图像的方式有关，人在观察图像时主要是寻找某些比较明显的目标特征，而不是定量地分析图像中每个像素的亮度。人通过脑子里分析这些特征与先验只是结合以完成对图像的解释过程。

正式由于以上原因，图像的数据压缩是可能的。图像数据压缩及时是多媒体图像技术中十分重要的组成部分。如果不进行有效的数据压缩，则不论传输还是存储都很难实用化。

只有通过压缩处理，数字化视频信号的实时处理以及存储和传输才能适应更广泛的应用领域。

4.      数字视频的带宽

现行电视系统的扫描格式是625/50/2∶1，即每帧图像由625行扫描线组成，每秒以2∶1隔行扫描方式显示50场（即25帧）图像（相当于在时间域的离散化处理）。由于场周期为20ms，而场正程时间为18.4ms，因此场正程期间的有效扫描行数为625×18.4/20=575行。考虑到电视画面的宽高比4∶3，且数字化后的像素数应为整数，因此每帧图像的有效像素数应为768×576=442 368 像素（相当于在空间域的离散化处理）。如果将每个像素的颜色按红、绿、蓝三基色进行分解，并将分解后的色成分（模拟量）按强度划分为256级亮度（灰度）来标识。由此推算出一帧图像需要用442 368×24=10 616 832b来表示。而每秒钟的图像则需要10 616 832×25=2.65×108b，这一数字按传输速率来说即为265Mbps，若按存储容量来说则相当于33.2Mbps（8b=1B），数据量大得惊人。

如果按ITU-R601标准，即亮度信号Y的采样频率选为13.5MH_Z,两个色差信号R-Y和B-Y的采样频率分别选为6.75MH_Z,且每个样值规定为8b量化，则亮度信号的码率应为13.5×8=108Mbps，每个色差信号的码率应为6.75×8=54Mbps。所以在不采用任何压缩措施时，视频信号的总码率达到108+54+54=216Mbps。这相当于3000多路数字电话话路的带宽。

实际上，ITC-R601建议已经从数据的有效性方面来考虑减少数据量的问题。以PAL制电视信号为例，由于电视扫描的行频为15.6kM_Z，则亮度信号在水平方向的实际样点数应为864×（64－12）/64=702点/行（601建议规定为720点/行）。另外，场逆程期间（两场共49行）也不需要传信号，因此垂直方向的有效扫描行数为576行/帧。两个色差信号的取样点数在水平和垂直方向上均减半，即水平360点/行，垂直288行/帧，因而每秒钟的像素速率为（720×576+2×360×288）×25帧/s=15.552Mbps。当每个像素按8b量化时，总的码率为15.552×8=124.4Mbps。由此可见，去除了行、场扫描逆程的冗余，数字化视频信号的码率仍然是相当高的。

从理论上讲，PCM（脉冲编码调制）二进制传输信道每1H_Z带宽能传输的最高码率是2bps，这就意味着仅传输124.4Mbps的数字电视码流就至少需要62.2MH_Z的信道宽带（这还未包括声音和同步等数据），是现有视频信号嗲款的10倍以上。这样高的码率显然不适合在现有信道传输，必须先对数字化后的信源进行数据压缩，额按后在传输。

由此可见，对视频信号来说，利用压缩技术来去掉信号中的冗余信息（甚至丢掉一些不大重要的有用信息）使十分重要的。这就意味着数字压缩技术已成为数字视频得已发展的制约性因素。

5.      压缩的概念

图像压也称图像编码，它的主要作用是可以减少数据的存储量，减低传输速率，压缩频带，从而降低传输成本。数字视频信号的压缩可分为有损压缩和无损压缩两类。如果在进行数据压缩的过程中不丢弃任何有效信息，使得还原出的数据与未经压缩的原始信号有多差别。由于人眼的分辨力有限，某些图像信息被丢弃后人眼时难以察觉的，因此可以保证视频信号在压缩程度较大的情况下仍有较高的信号质量。

实际上，视频信号具有很高的冗余度。在每一帧图像内，领近先别告诉的幅值可能很接近，有很高的空间冗余度；而相领帧的图像内容一般变化也不大，大多数信息在前面几帧中可能都已经存在了，有很高的时间冗余度。空间冗余度和时间冗余度都可以被去除，而不会引起明显的信息丢失。压缩编码就是设法减少图形和视频数据的冗余度，以达到压缩数据率的目的，从而节约传输带宽和存储空间。图像数据的冗余度越高，压缩比就可以越大。

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