基于MPEG-4關(guān)鍵技術(shù)的視頻醫(yī)療系統(tǒng)

　　引言

　　隨著無線多媒體應(yīng)用的出現(xiàn)和多數(shù)據(jù)服務(wù)的繁殖,無線服務(wù)被廣泛的應(yīng)用到各個方面,在多媒體通訊中利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻和視頻信息變得更加重要。這就要求在多媒體信息處理中能夠動態(tài)地、實(shí)時地處理聲音、動畫以及視頻信號,但是計(jì)算機(jī)難以實(shí)時地從存儲器中將圖像信息處理過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)傳送到中央處理器,因此如果不對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理,要達(dá)到實(shí)時性的要求幾乎是不可能的。這就要求在易產(chǎn)生誤碼的無線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全的低碼率編碼和傳輸,MPEG-4技術(shù)為此提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

　　MPEG-4圖像壓縮技術(shù)針對一定比特率下的視頻、音頻編碼,強(qiáng)調(diào)了基于內(nèi)容的交互性。因此,利用MPEG-4編碼解碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)壓縮也就成為多媒體系統(tǒng)開發(fā)中進(jìn)行無線視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。多媒體視頻會議系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它通過多媒體技術(shù)和通信技術(shù)的支持為跨地區(qū)的人們提供了一個相互交流、討論問題和協(xié)同工作(CSCW)的環(huán)境,并產(chǎn)生“你見即我見”的效果。

　　多媒體視頻會議系統(tǒng)將大大提高人們的工作效率,并將改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的工作和交流模式,具有深遠(yuǎn)而又深刻的社會意義。視頻醫(yī)療系統(tǒng)是多媒體視頻會議系統(tǒng)的一個嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。在視頻醫(yī)療系統(tǒng)中,由JMF (JavaMedia Framework)提供一個統(tǒng)一的架構(gòu)和通信協(xié)議來管理基于時間媒體的獲取、處理和傳輸。采用實(shí)時傳輸協(xié)議/實(shí)時傳輸控制協(xié)議(RTP /RTCP)很好的保證了視頻傳輸過程中的實(shí)時性,并在JMF中引入了MPEG-4壓縮算法插件進(jìn)行視頻壓縮。MPEG-4壓縮算法壓縮比高,并且具有良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。在程序?qū)崿F(xiàn)過程中效果良好。

　　1 MPEG-4關(guān)鍵技術(shù)

　　MPEG-4采用了基于對象第二代壓縮編碼技術(shù),并使用AV對象(Audio /VisualObject)進(jìn)行的可視化編碼,同時提供了許多基于內(nèi)容的交互性視頻服務(wù)功能,也支持傳統(tǒng)的流視頻。MPEG-4除了利用第一代視頻編碼的核心技術(shù)(如運(yùn)動估計(jì)與補(bǔ)償、熵編碼)外,還提出了一些新的關(guān)鍵技術(shù):

　　1) 視頻對象分割MPEG-4的基于內(nèi)容的交互性最主要是通過對視頻對象的分割實(shí)現(xiàn)的。所謂的視頻對象分割,就是將視頻、圖像分割成不同的對象或是將運(yùn)動對象從背景中分離出來,進(jìn)而對不同的對象采用不同的編碼方法來實(shí)現(xiàn)高效壓縮,比如對運(yùn)動對象采用壓縮比較低、損失較小的方法,盡可能保留視頻對象的細(xì)節(jié)和平滑性;對背景對象采用大壓縮比的編碼策略,以取得壓縮效率和解碼圖像之間的較好的平衡?；究梢苑譃槿?通過濾波對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化;對視頻、圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取,比如顏色、紋理、運(yùn)動、語義等特征;最后是相關(guān)的后處理操作,以達(dá)到去噪和準(zhǔn)確提取邊界的目的。

　　由此可見,MPEG-4編碼技術(shù)要求對圖像以及視頻作出更多的分析理解,而不同于過去的壓縮算法,只是去掉了幀內(nèi)和幀間的冗余。因此基于對象的編碼可以提高數(shù)據(jù)的壓縮比,視頻對象的分割(提取)技術(shù)也成為MPEG-4視頻編碼中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2) 視頻編碼可分級技術(shù)視頻分級編碼技術(shù)的目的是解決在不同傳輸特性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行視頻傳輸?shù)男枰?。視頻編碼的可分級性,指的是碼率的可調(diào)整性。也就是說,視頻編碼只壓縮一次,卻可以以多個幀率、空間分辨率或視頻質(zhì)量來進(jìn)行解碼,從而支持不同用戶的不同應(yīng)用需求。視頻編碼的分級技術(shù)是通過視頻對象層(VOL)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。有兩種基本的分級工具,分別是時域分級和空域分級,同時也支持時域空域的混合分級。每一級編碼至少有兩層的VOL,低層(基本層)用來提供視頻序列的基本信息,高層(增強(qiáng)層)用來提供視頻序列的更高的分辨率和細(xì)節(jié)。

　　3) 運(yùn)動估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)在視頻編碼中,運(yùn)動估計(jì)相當(dāng)耗時,對編碼的實(shí)時性影響很大。在運(yùn)動估計(jì)部分,必須通過反復(fù)計(jì)算,以確定鄰近幀中宏模塊的相關(guān)性。通常使用塊匹配準(zhǔn)則進(jìn)行估計(jì),比如絕對誤差和( SAD)準(zhǔn)則和均方差(MSE)準(zhǔn)則,來選擇進(jìn)行一種最佳匹配操作來產(chǎn)生最佳匹配點(diǎn)的運(yùn)動估計(jì)。例如,可以通過開發(fā)MPEG-4 專用的適應(yīng)再同步、數(shù)據(jù)分割和數(shù)據(jù)恢復(fù)的句法單元來優(yōu)化比特流,使其具有固定容錯能力。在大多數(shù)情況下,高壓縮比的視頻數(shù)據(jù)無法避免由信道退化帶來的誤碼影響。然而,只要通過采用一系列適當(dāng)?shù)姆椒ê凸ぞ邅頊p小誤碼的影響,高質(zhì)量的無線視頻傳輸是完全可能實(shí)現(xiàn)的。

　　2 MPEG-4技術(shù)的應(yīng)用———視頻醫(yī)療系統(tǒng)

　　通過以上對MPEG-4視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)的分析,可以看出, MPEG-4視頻編碼在視頻傳輸方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn): (1)基于內(nèi)容的交互性; (2)高效的編碼方法; (3)通用的訪問性。

　　將視頻會議系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療過程的視頻醫(yī)療系統(tǒng)是視頻會議的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。在視頻醫(yī)療系統(tǒng)中,可以采用點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的應(yīng)用形式來進(jìn)行一對一的診療以及專家會診,還可以進(jìn)行醫(yī)療教學(xué)實(shí)踐等。視頻系統(tǒng)主要具有視頻的實(shí)時采集、同步壓縮、實(shí)時傳輸及回放的功能。也就是說在傳送本地視頻的同時,可以回放并監(jiān)控本地的視頻信息,另外還提供視頻的快照及存儲功能。圖1即為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型圖。

　　從圖1可以看出,在視頻醫(yī)療系統(tǒng)中,基于MPEG-4進(jìn)行的視頻采集及壓縮是關(guān)鍵步驟。在視頻醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,由于軟件的視頻壓縮算法極為耗時,因此為了提高壓縮效率,在JMF 中引入了MPEG-4 壓縮算法插件, 采用了基于MPEG-4的視頻采集及傳輸技術(shù)來進(jìn)行視頻壓縮,同時輔以雙緩沖和多線程等技術(shù)。

　　視頻對象的交互和編解碼的一個重要前提就是利用視頻對象的分割技術(shù),通過運(yùn)動估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)得到一個基于運(yùn)動信息和視覺特性的跟蹤,并最終得到視頻對象的跟蹤結(jié)果。在視頻采集線程將采集到的每一幀視頻圖像分別存放到視頻源緩沖區(qū)1和視頻源緩沖區(qū)2中,然后通過軟件壓縮線程對頻源緩沖區(qū)1和視頻源緩沖區(qū)2中的圖像進(jìn)行壓縮,并將壓縮后的結(jié)果分別保存到壓縮視頻緩沖區(qū)1和壓縮視頻緩沖區(qū)2中。在兩個視頻源緩沖區(qū)中至少有一個為空時,視頻采集線程將繼續(xù)進(jìn)行圖像的采集工作;同樣的,當(dāng)視頻源緩沖區(qū)至少有一個為滿,并且壓縮視頻緩沖區(qū)至少有一個為空時,軟件壓縮線程才進(jìn)行壓縮。所有經(jīng)過壓縮的視頻數(shù)據(jù)的線程按隊(duì)列進(jìn)行排列,它們可以同時使用非空的壓縮視頻緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。當(dāng)最后一個線程使用完壓縮視頻緩沖區(qū)后,將向視頻采集線程發(fā)出采集下一幀的命令。從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)并將緩沖區(qū)狀態(tài)置為空,向緩沖區(qū)中放入數(shù)據(jù)時則將緩沖區(qū)的狀態(tài)置為滿。而MPEG-4視頻編碼的可分級技術(shù)則使視頻在具有不同傳輸特性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上的傳輸?shù)玫搅藢?shí)現(xiàn)。

　　MPEG4壓縮算法壓縮比高,并且具有很好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。在使用MPEG-4壓縮算法的同時采用雙緩沖和多線程等技術(shù),可以使得圖像的采集、壓縮和傳輸并發(fā)執(zhí)行,大大提高CPU的使用效率,使視頻采集、壓縮和傳輸?shù)恼w性能得到很大的提高。

　　視頻采集壓縮的流程圖如圖2所示。

　　經(jīng)過視頻采集壓縮后獲取的圖像如圖3。

　　3 結(jié)語

　　由于MPEG-4的可量測性和柔韌性以及寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),可以預(yù)見到在不久的將來無線多媒體服務(wù)將成為時代的潮流。寬帶無線網(wǎng)絡(luò)中的MPEG-4視頻傳輸將成為不斷出現(xiàn)的多媒體應(yīng)用的一個重要組成部分。MPEG-4的低存儲容量和高清晰度的特點(diǎn),決定了MPEG-4在低帶寬網(wǎng)絡(luò)成為一種優(yōu)越的視頻壓縮方式。由此可以看出,在視頻醫(yī)療系統(tǒng)中進(jìn)行視頻壓縮時,使用基于MPEG-4壓縮算法的插件進(jìn)行的一對一的視頻傳輸,可以獲得質(zhì)量較高的視頻圖像,并且基本能夠達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時性的要求,這是傳統(tǒng)的多點(diǎn)傳輸視頻系統(tǒng)無法做到的。