MPEG-4在视频监控应用中的软件实现

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1 引言

目前,用于数字视频监控的图像压缩标准主要是H.261 和MPEG-1,他们在实际应用中有一定的局限性。第一,他们的适应性差,不能根据网络情况自适应的调节传输率,使得网络发生拥塞时性能急剧下降;第二,他们不具备较强的用户交互性。MPEG-4 能弥补以上不足,还具有在监控应用中的独特优势:由于压缩比是同质量的MPEG-1 的十倍多,所以可大大节约存储空间和网络带宽;错误恢复能力强:当网络传输有误码或丢包现象时,MPEG4 受的影响很小并且能够迅速恢复;图像质量高:可以达到接近DVD 的效果。

2 设计思路

根据视频监控的图像特点及其实时性要求,考虑到实际中网络的不稳定性,进行了编码软件的设计。视频监控的原始图像有一个显著的特点,即有大量的背景对象是静止不动的或极少运动的。MPEG-4 最基本的思想是基于对象的编码,编解码的基本单元是对象。所以可以把图像分割为运动物体对象和背景对象。背景对象采用压缩比较高、损失较大的方法进行编码,运动物体对象采用压缩比较低、损失较小的方法编码。基于此,我们采用MPEG-4 中Sprite 编码的思想来对背景对象编码。这是软件实现的一个重点所在。针对视频监控的实时性要求,算法的设计与选择上,除尽可能提高压缩比外,还要考虑到算法的复杂性,使其尽量满足实时性要求。这一思想贯穿于编码的整个过程,具体的,如VOP 的定义与生成,Sprite 编码等。另外考虑到网络的不稳定性,采用了MPEG-4 的可分级编码思想。

3 MPEG-4 的软件实现过程

现在,基于MPEG-4 标准的应用大多为硬件方案,采用专门的MPEG-4 编码芯片,难以实现升级,灵活性也较差,而本文中使用软件方案,可按实际应用要求进行编码,易于以后的升级,具有很好的灵活性。本文中,实现的是自然视频编码,不涉及音频编码。软件设计的总体步骤是首先利用图像分割技术生VOP,接下来是Sprite 生成,最后是对各VOP 的编码。软件实现流程如图1 所示。下面对其中的关键技术作介绍,重点是以前的标准中所没有的:视频对象平面VOP(video object plane)的定义与生成,Sprite 生成与编码,形状、运动、纹理编码,可扩展编码。MPEG-4 中,VOP 分四种,I-VOP、P-VOP、B-VOP、S-VOP,对于普通视频对象,只涉及到前三种,S-VOP 指SpriteVOP。

 

3.1 VOP 的定义与生成

MPEG-4 的编码单位是VOP,但标准并未规定生成VOP 的具体算法,而将其列入公开研究的内容。VOP 的生成是通过视频分割实现的。视频分割是实现基于对象的视频编码系统的基础,也是MPEG-4 编码的一个难点。图像分割技术根据分割所利用的信息,分为基于纹理的分割、基于运动的分割和基于时空的分割三类。按照人工参与的程度,图像分割分为自动分割和半自动分割。自动分割不需要用户的参与,只需要设置一些基本的参数,就可以由分割算法自动将视频对象分割出来,但是结果不很准确,主要用于实时编码;半自动分割需要用户的参与,因此可以得到准确的语义对象和边界,主要用于基于内容的操纵和交互式访问。基于编码对图像分割的要求不是很高,主要在于实时性上,这里,选用了一种时空联合自动视频对象分割算法。该算法首先对时域分割采用基于F-假设检验的方法来得到初始的变化检测模板,然后通过与基于形态学的空域分割融合来获得最终的运动对象。此算法计算比较简单,能较好的将前景运动对象从背景中分离出来

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