杨永杰，包志华
南通工学院 信息工程系
摘 要：文章提出并实现了一种基于H.261建议的远程视频监控系统.系统采用了一种新的变码率技术—根据视频图像数据量来自动调整编码率，利用这种变码率技术对由摄像机获取的视频信号进行编码压缩处理，再通过光纤通信系统对标准的H.261数据流进行传输，以供监控中心进行实时监控和备案查询.实验表明，该系统技术性能稳定，具有良好的监控效果.
关键词：变码率；编码压缩；数据流
目前，在视频监控领域中，数字化和网络化已成为一种趋势.随着视频图像压缩技术逐步走向成熟，H.26x和MPEG等一系列标准相继推出并获得了广泛应用.视频监控中压缩算法的硬件系统一般由数字信号处理器或专用芯片（ASIC）实现.在应用ASIC实现的编、解码系统中仍然需要对系统初始化和量化参数进行实时控制，以获得良好的图像质量[1].
本文给出了一种基于H.261标准的由大规模集成电路实现的视频信号的压缩、传输、存储和解压缩系统，提出了一种新技术——根据图像数据量的大小来自动调整编码率的变码率压缩编码，同时系统还采用了有效的量化控制策略，应用这一方案后，在整个视频监控过程中，视频图像质量得到了很好的保证，同时大大降低了视频图像记录时的数据量，也降低了系统的成本.在此基础上由光纤通信网络将标准的H.261视频数据流传输给监控中心，一方面加以存储以便以后的检索，另一方面由系统监控中心采用与编码系统同步的时钟对相应视频数据进行解压缩处理，使视频图像得到很好的还原，从而实现了对视频图像的实时监控.实测结果表明：采用变码率技术的该系统对视频图像数据处理完全正确，远程监控效果良好，技术方案是完全可行的.
1关于H.261建议
H.261标准简称P×64kbit/s，由国际电报电话咨询委员会(CCITT，1993年3月1日起改组为ITU-T)的一个专家组在1990年12月制定[2]，它解决了不同厂商间的产品兼容性问题，推动了电视会议系统和视频监控系统的迅猛发展.该建议适用于P×64 kbit/s码率，并可实现不同电视制式之间的连接，它的核心技术是离散余弦变换及运动补偿算法，主要思想是通过减少每帧图像间时间上和空间上的冗余性和相关性信息来减少数据量.为了适用于不同的彩电制式，不论是625行还是525行的视频信号，都被编码成统一的中间格式(CIF) 信号，即亮度信号的抽样结构是：每帧288行，每行360个像素；彩色信号的采样结构是144行/帧×180像素/行.帧频规定为29.97帧/s，不隔行.CIF的抽样结构如图1所示，图中，×表示亮度信号；○表示彩色信号.在视频复用单元中形成视频数据结构，每帧图像的开始有图像头，包括图像起始码，信息类型指示等.每帧分成若干个数据块组（GOB），一个块组的大小为CIF图像的1/12或QCIF图像的1/3.每个块组又分成33个宏块.每个宏块由8×8像素的6个子块（4个亮度子块和2个色度信号）构成.这样一来，除了对每个宏块的地址、型式、量化类型、运动矢量、变换系数和结束指示等应有相应的码元外，对应每个GOB的起始码、地址、型式等也应配置相应的码元.
2变码率技术的原理与实现
2.1变码率技术的理论基础
由于视频图像的信息量十分巨大，因此视频数据的压缩和解压缩是视频远程监控系统的两大关键技术\[3\].首先考虑到H.261建议采用预测编码（DPCM）和运动补偿，实际传输的是图像之间的差值，而图像数据之间相差或大或小，同时H.261建议支持P×64 kbit/s (P=1，2，3，…，30)的传输码率，这就为可变速率传输提供了坚实的物质基础；其次由于编码芯片VP2612提供了传输缓冲区的读写指针，根据读写指针的差值可获得当前缓冲区的数据量，这正是传输码率变化的依据[3].同时为防止误差积累，H.261建议每132帧强制刷新一次(采用帧内编码)，而该状态信息可通过一定的逻辑电路提取，这样传输码率根据缓冲区数据量大小在出现刷新帧时改变，将大大提高图像质量.另外，在视频数据存储时，系统应将当前传输码率信息同时存入，这样系统解码时才会根据传输码率信息采用相应的码率，否则会发生视频失真.可见该系统采取变码率传输是完全可行的.
2.2变码率编码系统硬件的实现
变码率技术的实现与系统的编码有着密切的关系.由于DCT、运动补偿、变长游程编码等运算量大的工作已由专用芯片完成，对变码率传输控制算法的计算量相对较小，像89C51这一类的单片机是能够胜任的.系统采用89C51作为编码控制器，同时也降低了系统的成本和复杂度.图2为笔者采用MITEL公司H.261专用芯片和CPU实现的CIF格式编码系统硬件框图.视频信号经SA7111进行信号分离、量化，输出16 bit的Y、C信号，其量化比为8∶4∶4.量化后的Y、C信号进入VP520，经过格式转换和滤波后成为CIF格式，像素为352×288，每秒30帧，DRAM用作帧缓存器.VP2611对CIF格式的图像信号进行数据压缩处理，包括DPCM、量化和DCT变换等，然后存入帧缓存器，缓存器由41C16256担任.VP2612对压缩后的数据进行变长游程编码和纠错编码，为了平滑由于图像数据的瞬时变化导致的码率变动，需要使用传输数据缓冲器，它由SRAM实现.
2.3变码率技术中量化控制
当视频信号输入时，需要实时改变编码器的参数以控制编码器产生的数据量，避免传输数据缓冲器溢出并获得标准的线路传输速率，实现变码率编码和传输.控制编码器产生数据量的方法有：（1） 信源编码前的预处理；（2） 调整量化阶距；（3） 块的重要性判别准则；（4） 时间二次采样[4].H.261建议对量化控制策略未作规定，因此这部分是开放的，允许针对不同的图像特点进行控制以求得更好的图像质量.VP2611、VP2612芯片预留了量化控制接口，控制器依据 VP2612给出的数据缓冲区读、写指针，计算数据区充满度P，经适当的控制算法运算后输出量化阶距Q，然后通过CPU写入VP2611.当输出数据缓冲区中数据量过多时，还可控制VP2611作跳帧处理.具体控制算法的实现框图如图3所示，其中Pg为输出数据缓冲区数据量设定值，控制算法以RQ模型为控制对像[5].当P＞Pg时，加大Q，图像数据量下降，输出数据缓冲区数据量减少，图像质量降低.反之，当P＜Pg时，减小Q,图像数据量增加，输出数据缓冲区数据量增加，图像质量提高.缓冲区大小的确定应综合考虑延时和溢出.当缓冲区较小时，延时小、易溢出；反之不易溢出，延时较大.H.261规定最大编码延时为 150 ms，若仅考虑传输缓冲器引起的延时，则各种传输码率时的缓冲区最大值要尽可能大些.Pg的选取应兼顾提高缓冲区的利用率和防止溢出.大量实验结果表明，Pg值取最大值的2/3较为合适.
2.4光纤通信系统的实现
视频数据处理的另一关键是实时传输技术，因此数字视频远程监控系统的数据通信应考虑以下几方面的因素：（1） 视频数据属于实时数据，必须实时处理，例如，实时压缩、解压缩、传输和同步.（2） 现场图像采集与发送和图像接收显示主机位于不同地点，通过光纤或计算机网络连接.（3） 尽管视频信息具有分布性，但在监控中心显示时必须保持同步，同时声音与视频也必须保持同步，该系统是通过编码模块的时钟（Clock）与解码模块中的时钟保持同步来实现的.图4为系统采用光纤通信对视频信号进行远程监控的结构框图.首先由摄像机获取视频信号，通过编码系统进行变码率编码和压缩控制，然后将H.261标准视频数据流通过光纤传输给远端的视频监控中心，在监控中心数据流分成两路，一路直接给计算机，通过视频采集卡存入硬盘中，供查询使用；另一路通过解码板进行相应的解码处理，还原后通过监视器进行实时监控.
3结果验证
为了验证系统量化控制策略和变码率压缩编码方案的正确性，同时获得P、Q数据和相应的码率变化情况，系统与PC机进行串行通信.测试信号源为32 s DVD图像，图像1～2 s黑屏慢，2～10.5 s有平稳的运动，10.5～11.5 s黑屏，12～18 s有一定的运动，19 s前后有剧烈的运动，25 s以后运动平稳.控制算法一定、控制周期为2.5 ms时的P、Q波形见图5,同时通过计算得到的量化阶距Q的均值和方差见表1.
由图5可见，控制周期为2.5 ms时，对P的变化响应快，P值波动平稳；但控制器输出Q调整幅度较大，Q的均值、方差较大.P的曲线平稳，说明缓冲器利用率较低，码率变化慢.优点是当图像运动剧烈时，缓冲区不易溢出.
同时，通过实际测量可知：当控制周期增大，对P值的变化响应较慢，因此P值的波动大，Q比较平稳，均值、方差略小.但当图像运动剧烈时，由于跟踪慢，P波动大、缓冲区易于溢出，码率变化快.最后，编码后的数据经解码器恢复出的图像质量令人满意，与采集的P、Q数据吻合，实验充分表明，该系统所选取的变码率压缩编码的方案完全正确.
4结论
由于系统的DCPM、运动补偿、DCT和变长游程编码等运算量大的工作已由专用芯片完成，对量化阶距Q的控制算法和变码率编码与传输控制的运算量相对较小，该系统完全能实现对视频编码器量化阶距的实时控制.当控制算法一定时，在采用变码率技术的同时，再根据图像数据量的特性选取适当的控制周期可获得最佳效果.该系统可靠性好，完全适用于一般视频监控的要求，具有很好的应用前景.
参考文献
［1］庞浩.TMS320C542在脱机视频编/解码系统中的应用 [J].电子技术应用，2001(1)：47-49.
［2］CCITT Recommendation H.2611990，Video codec for audiovisual services at P×64 kbit/s, COM XVR 37E [S].
［3］CCITT Recommendation H.2611990, Video codec for audiovisual services at P×64 kbit/s ，Temporary document 5E Geneva [S].
［4］TEKALP A MURAT.数字视频处理 [M].北京：电子工业出版社，1998.
［5］楼生强.基于RQ模型的视频编码缓存控制技术 [J].通信学报，2000(3):1-3
摘自 光通信研究
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