視頻監視系統的視頻壓縮和數據流(08-100)

　　傳統模擬基系統的很多問題正在影響數字基系統的向前發展。

　　IP視頻監視系統(VSIP)中，硬件處理的網絡業務量是相機的組成部分。這是因為由相機數字化視頻信號，而且為了克服網絡的帶寬限制，信號傳輸到視頻服務器前要進行壓縮。異機種處理器架構，如DSP/GPP，是達到最大系統性能所希望的。中斷密集任務，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。數據傳輸到視頻服務器后，服務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的性能退化。

　　為數字視頻信號壓縮已開發了各種各樣的標準，可歸納為以下兩類：

　　·靜止圖像壓縮—獨立地編碼每個視頻幀做為一個靜止圖像。最著名的標準是JPEG。MJPEG標準用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基視頻編碼標準，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生1個參考幀。

　　在前向通路(DCT到Q)中，每個MB可以以內模式或交互模式編碼。在內模式中，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信息，所以ME基方法可以達到較高的壓縮比。例如，對于NTSC標準分辨率(30f/s)，H.264編碼器可以在2mbps編碼視頻，達到60:1壓縮比的比均圖像品質。為了達到類似的品質，MJPEG的壓縮比大約為10：1~15：1。

　　MJPEG與ME基方法相比有幾個優點。最主要的優點，JPEG需要相當少的計算和功耗。另外，大多數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。假若不可能保證網絡帶寬，則優先選用MJPEG。采用ME基方法，1個幀的延遲/丟失將導致整個GOP的延遲/丟失，這是因為下1幀將不被譯碼直到先參考幀可用時為止。

　　在典型的數字監視系統中，從傳感器捕獲視頻、壓縮視頻、然后數據流到視頻服務器。不希望中斷在DSP架構上實現的視頻編碼器任務，這是由于每個前后關系開關轉換包含大量寄存器存儲和超高速緩沖存儲器開關。因此，異機種架構是理想的，這樣視頻捕獲和數據流任務可以脫載DSP。下面說明用在視頻監視應用中的DSP/GPP處理器實例。

　　DSP/GPP SoC基系統中實現數字視頻信號壓縮時，開發人員首先應該適當地分配功能模塊來實現良好的系統性能。

　　EMAC驅動器、TCP/IP網絡棧和HTTP服務器(與流到外部的壓縮視頻信號工作在一起)、和ATA驅動器都應該在ARM中實現，這有助于脫載DSP處理。壓縮應在DSP芯核中實現，這是由于其VLIW架構處理這類計算密集任務是特別好的。

　　一旦經過處理器的視頻輸入口從相機捕獲視頻幀，則由執行視頻編碼器任務對原始視頻進行壓縮，然后把壓縮的視頻存儲到板上硬盤中。

　　在現場應用的這種系統中，可以用PC監視實時視頻景物，這是靠檢索視頻服務器中的數據流和譯碼、顯示數據流在監視器上。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上可以監視多個數據流。也可以從網絡的多點同時監視數據流。不同于傳統模擬系統，VSIP中央辦公室可以通過TCP/IP網絡連系視頻服務器并可物理定位網絡中的任何地點。此時失效的單點變成數碼相機，而不是中央辦公室。也可以動態配置JPEG圖像的品質。

　　圖1 H.264編碼器框圖