視頻監(jiān)控中圖像壓縮技術(shù)分析

楊兆龍，蘇兆兆

（晉中信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像壓縮技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)。為實現(xiàn)此項技術(shù)的良好應(yīng)用，研究者與技術(shù)人員需明確視頻監(jiān)控中的圖像壓縮需求，重視此項技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用意義，然后根據(jù)實際情況與實際需求，將此項技術(shù)合理應(yīng)用到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，從而充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，促進(jìn)視頻監(jiān)控技術(shù)的良好應(yīng)用與發(fā)展。

1 視頻監(jiān)控中的圖像壓縮需求分析

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，其圖像數(shù)據(jù)通常都十分龐大，數(shù)據(jù)冗余問題也比較嚴(yán)重。在這種情況下，如果不能對這些數(shù)據(jù)加以有效處理，其儲存、傳輸以及計算等都會花費巨大的資源。為有效提升視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的圖像儲存及其傳輸效果，就需要通過先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行圖像壓縮，從而消除其中的數(shù)據(jù)冗余[1]。就目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來看，其圖像壓縮技術(shù)的主要應(yīng)用需求就是消除數(shù)據(jù)冗余。表1為視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的主要數(shù)據(jù)冗余消除需求情況。

表1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的主要數(shù)據(jù)冗余消除需求情況

除上述冗余之外，在通過圖像壓縮技術(shù)進(jìn)行視頻監(jiān)控圖像處理的過程中，知識冗余、結(jié)構(gòu)冗余等也都需要消除。通過這樣的方式，才可以讓龐大的數(shù)據(jù)得以有效壓縮，從而使其儲存、處理和傳輸更加靈活、高效，讓數(shù)據(jù)傳輸信道帶寬及其儲存空間得以有效減小。

2 圖像壓縮技術(shù)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中的應(yīng) 用意義

當(dāng)前的視頻監(jiān)控主要分聲音、文本和圖像三種儲存形式，其中最為常見和基本的一種儲存形式就是圖像。通過圖像的形式，可以將數(shù)據(jù)信息更加直觀、生動地展現(xiàn)出來，同時也更容易被人所接受和理解。但是在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)，在上述的三種儲存形式中，圖像所占的數(shù)據(jù)量最大，若不能對其進(jìn)行合理的壓縮處理，便會對其儲存、處理和傳輸造成很大難度，同時也會對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展造成一定程度的制約[2]。

通過圖像壓縮處理技術(shù)的合理應(yīng)用，在可讓視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的圖像得到良好壓縮，讓信源具有更好的傳輸效率，同時也可以實現(xiàn)信道利用率的進(jìn)一步提升，并顯著降低圖像數(shù)據(jù)的存儲量，從而實現(xiàn)能源的有效節(jié)約。由此可見，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，圖像壓縮處理技術(shù)具有非常顯著的應(yīng)用意義。

3 圖像壓縮技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的主 要應(yīng)用分析

本文所研究的是某遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的圖像壓縮技術(shù)應(yīng)用。為有效確保屏幕監(jiān)控實時性，其主要的功能需求包括以下幾個方面：一是通過計算機對屏幕內(nèi)容進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；二是查看和監(jiān)視儲存在計算機中的資源；三是監(jiān)控計算機中的目錄、程序或文件打開；四是攝像頭、打印機等計算機周邊設(shè)備的任意操作；五是計算機目錄、文件的上傳和下載；六是遠(yuǎn)程計算機各個程序進(jìn)程的查看與終止；七是各類事件監(jiān)控資料的記錄；八是遠(yuǎn)程計算機注冊表的按需修改；九是遠(yuǎn)程計算機服務(wù)的控制；十是遠(yuǎn)程計算機的開關(guān)控制。

3.1 圖像壓縮技術(shù)應(yīng)用

因為本文所研究的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的實時性要求，若直接對其位圖進(jìn)行數(shù)字化傳輸，將會具有非常大的數(shù)據(jù)量，從而增大傳輸難度。比如，對于一副180 kB的圖像，如果要達(dá)到24幅/s的位圖圖像傳輸要求，且系統(tǒng)需要同時對20臺計算機進(jìn)行監(jiān)視，每秒鐘的網(wǎng)絡(luò)流量需要超過84 MB。在這樣的情況下，無論是對于監(jiān)控端的計算機而言，還是對網(wǎng)絡(luò)傳輸而言，其壓力都比較大，若不采取有效的措施來進(jìn)行圖像壓縮，便很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞乃至于網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況[3]?；诖耍谠撘曨l監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用了分形圖像壓縮技術(shù)，其主要原理是按照多個可重疊的定義塊和不重疊的值域塊對一幅圖像進(jìn)行劃分，對于各個值域塊，需要確定與其向?qū)?yīng)的定義塊映射及其映射關(guān)系，從而組成一個分塊迭代形式的函數(shù)系統(tǒng)，達(dá)到有效的圖像壓縮效果。這種圖像壓縮技術(shù)在統(tǒng)計意義上具有一定的自相似特征，其分形集的定義方法比較簡單，且能夠通過變換的方式迭代產(chǎn)生。在通過線性變換法對平面圖形中的各個點進(jìn)行變換之后，圖像上各個點間距都將會較原來縮小，因此這種變換也叫作收縮放射變換。

在具體變換中，首先需要將源圖像按照多個互不重疊形式的分類塊進(jìn)行分割，每個分類快陣列均為n×n。然后再將圖像按照多個相互重疊的范疇塊進(jìn)行分割，每個范疇塊陣列均為m×m，一般情況下，m的值應(yīng)該等于2n。為確保圖像壓縮后的質(zhì)量，兩相鄰范疇塊的水平和垂直方向上都需要存在重疊。之后再找出與分類塊一一匹配的范疇塊，該范疇塊需要采用收縮仿射變換的方法進(jìn)行處理，最大限度地使其與分類塊接近。其主要方法是對每組范疇塊中的四個相鄰像素依次進(jìn)行求和處理，再取其平均值，從而將一個陣列為2n×2n形式的范疇塊收縮為一個陣列是n×n形式的范疇塊。最后再通過最小二乘法進(jìn)行分類塊和范疇塊的匹配計算[4]。通過這樣的方式，便可達(dá)到良好的圖像壓縮效果。

3.2 圖像分塊技術(shù)應(yīng)用

為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸量的進(jìn)一步減小，使系統(tǒng)性能得到合理優(yōu)化，從而達(dá)到更好的圖像壓縮與視頻監(jiān)控效果，在本文所研究的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，也對圖像分塊技術(shù)進(jìn)行了合理應(yīng)用。該技術(shù)與傳統(tǒng)形式的圖像分割技術(shù)存在很大不同，它所顯示的并不是相互關(guān)聯(lián)的監(jiān)控圖像畫面，而是將不同攝像頭拍攝的不同場景畫面經(jīng)圖像壓縮處理之后顯示在同一個監(jiān)視界面上，從而達(dá)到良好的視頻監(jiān)控效果。在通過監(jiān)控端向客戶端進(jìn)行整個屏幕視頻信息發(fā)送的過程中，選擇的圖像分塊方案是將整個屏幕按照多個小塊進(jìn)行均勻劃分。本項目中，主要通過9×9的格式將原來的一個屏幕劃分為81塊，在每一次監(jiān)控視頻畫面?zhèn)鬏斨?，都先對本次所傳輸?shù)钠聊恍畔⑴c上一次傳輸?shù)钠聊恍畔⑦M(jìn)行比較，看哪些小分塊信息和上一次傳輸?shù)男畔⑾嗤?，如果相同，便不再傳輸該小分塊監(jiān)控圖像，僅傳輸不同部分的小分塊監(jiān)控圖像。通過這樣的方式，不僅可實現(xiàn)圖像壓縮任務(wù)量的有效減小，同時也可以讓視頻監(jiān)控圖像的傳輸更加流暢。

具體比較中，其比較方法主要有兩種：一是直接比較，其主要原理是按字節(jié)對前后兩個位圖小塊數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而明確其是否相同；二是CRC比較，其主要原理是將上一幅圖像中的CRC值保存，并將其與待傳輸?shù)膱D像CRC值對比，從而對視頻監(jiān)控圖像是否變化做出判斷。通過實踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，無論是在CPU占用方面還是在時間占用方面，直接比較法都比CRC比較法更加優(yōu)越。基于此，在本文所研究的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，分塊圖像的比較便選擇了直接比較法。表2為1920×1080視頻監(jiān)控屏幕上的各種截圖格式及其圖像壓縮是否受損情況。

表2 1920×1080視頻監(jiān)控屏幕上的各種截圖格式及其圖像壓縮是否受損情況

由此可見，在圖像分塊技術(shù)與圖像壓縮技術(shù)的聯(lián)合使用中，TIFF格式、PNG格式以及BMP格式都具有較好的應(yīng)用效果。

3.3 其他技術(shù)應(yīng)用

為確保該遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果，滿足其實際應(yīng)用功能需求，在應(yīng)用圖像壓縮技術(shù)的同時，可應(yīng)用以下幾項技術(shù)。一是遠(yuǎn)程呼喚技術(shù)，借助于服務(wù)器端的軟件，可收集監(jiān)控網(wǎng)格設(shè)備中接入的計算機網(wǎng)卡的M AC地址，再將其發(fā)送到Magic Pack中，這樣便可實現(xiàn)遠(yuǎn)程開機。二是關(guān)機和重啟技術(shù)：將相應(yīng)的指令從客戶端發(fā)給服務(wù)器，在接收到關(guān)機指令之后，服務(wù)器會調(diào)用shutdown.exe；在接收到重啟指令之后，服務(wù)器會調(diào)用reboot.exe指令，從而達(dá)到遠(yuǎn)程關(guān)機與重啟控制目的[5]。三是進(jìn)程信息獲取，首先在服務(wù)器端建立系統(tǒng)快照，以此來獲取其所有的進(jìn)程信息，將相應(yīng)的進(jìn)程名稱與信息編碼發(fā)送給客戶端，用戶便可實現(xiàn)對進(jìn)程信息的遠(yuǎn)程獲取與查看。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

通過應(yīng)用圖像壓縮技術(shù)，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的良好應(yīng)用效果提供保障，筆者對本文研究的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了測試。在測試中，其用戶端設(shè)置了一臺監(jiān)控計算機，服務(wù)器端設(shè)置了16臺計算機，同時將一臺計算機用來進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，所有計算機顯示屏幕分辨率均為1920×1080，操作系統(tǒng)均為windows 10 64位。表3所示為本次遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)測試中的主要測試環(huán)境情況。

表3 本次遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)測試中的主要測試環(huán)境情況

本次檢測中，主要分一畫面、四畫面、八畫面以及十六畫面進(jìn)行檢測。通過檢測發(fā)現(xiàn)，除十六畫面監(jiān)控視頻存在少量丟幀現(xiàn)象之外，其他畫面的質(zhì)量及其流暢度都很好，且經(jīng)畫面壓縮處理之后的網(wǎng)絡(luò)流量也并不是很高。表4所示為本次遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試結(jié)果。

表4 本次遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試結(jié)果

由此可見，在通過圖像壓縮技術(shù)進(jìn)行處理之后，該遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的分屏監(jiān)控應(yīng)用效果也比較好，達(dá)到良好的八畫面視頻監(jiān)控效果。但是若要實現(xiàn)分屏數(shù)量的進(jìn)一步增加，還需要對圖像壓縮技術(shù)以及圖像分塊技術(shù)的應(yīng)用加以科學(xué)改進(jìn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，越來越多先進(jìn)技術(shù)開始投入應(yīng)用，并發(fā)揮顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。其中，圖像壓縮技術(shù)就是一種關(guān)鍵的技術(shù)，通過合理應(yīng)用該技術(shù)，可在有效確保視頻監(jiān)控畫面質(zhì)量的同時消除冗余，從而實現(xiàn)良好的畫面流暢度。基于此，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的具體設(shè)計與開發(fā)中，開發(fā)者與技術(shù)人員需要對圖像壓縮技術(shù)進(jìn)行深入研究，并將其與圖像分塊技術(shù)和其他技術(shù)相配合，從而實現(xiàn)良好的視頻監(jiān)控圖像處理效果，滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求。