浅析动态图像采集压缩技术

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1、浅析动态图像采集压缩技术　　【摘要】在互联网飞速发展和广泛普及的今天，在实战中的具体功能、实际威力以及真实效果，使决策者和科技人员获得动态和感性的认识，有身临其境之感。在工业上，需要对一些多变的、有毒的、人类不宜久留的场合进行监测。在医疗上，则需要一些高级专家对异地的病人进行诊断和治疗，这些都是基于高保真实时准动态图像采集压缩和远程传输技术的综合实现。　　1系统设计思想　　本系统的设计目标是基于互联网实现远程站点之间的高保真准动态图像的实时传输。整个系统贯彻如下设计思想：发送站点和接收站点都具有对图像质量的控制功能，以适应互联网传输率不稳定

2、的情况；对图像采用多种类型的压缩技术，以适应不同的图像分辨率和环境要求；在互联网信道传输率较差时，能够启动自适应功能。　　2系统设计中的关键技术和优化策略　　2.1视频采集技术分析和选择　　为了实时视频采集，需要安装相应的视频采集设备。即视频采集卡和摄像头等。并需要安装相应的驱动软件来支持这些设备的运行。　　实际运行过程表明，上述分析是正确的。本系统设计中采用了overlay模式。这一选择对稳定性起到了较好的优化作用。　　2.2视频压缩、解压缩技术的优选和优化　　针对视频应用中可能遇到的各种情况，本系统的压缩、解压缩模块设计采用三种压缩方案

3、，使用时可以从中选择一种，以适应不同环境和不同需求。　　一是国际通用的高压缩比方案H.263，该方案压缩比高，但图像质量较差，适用于网络传输性能较差的情况，该方案大体符合现场图像的处理要求。二是图像压缩质量最好、算法最先进的MPEG-4方案，该方案图像质量好，但压缩比较低，适用于网络传输性能良好的情况。三是在H.263的基础上作了较大幅度修改和优化的TH.263方案，该方案在压缩比与H.263相近的情况下，图像质量有明显改善。TH.263方案是在对H.263深入分析基础上实施的。通过分析H.263的整个系统程序，得到其设计思想如下：首先将采

4、集到的原始图像划分成8×8的宏块，然后判断此帧是不是关键帧。如果是关键帧，则对每个宏块作DCT（DiscreteCosineTransform）变换，对变换后的视频数据采用视觉能够接受的量化比量化，量化后许多高频分量将变成零，为了最大限度提高压缩编码效果，采用Z形扫描技术将其重新组合，然后对组合串做行程编码，最后对得到的结果进行哈夫曼编码；如果是非关键帧，则对每个宏块先进行运动矢量的计算，然后与上一幅图像作差，再象关键帧那样经过DCT变换、量化和行程编码、哈夫曼编码得到压缩的图像。图像解压缩与压缩过程正好相反，即先将压缩的图像数据作行程解码

5、和哈夫曼解码，然后进行反量化，并据此进行IDCT变换。如果此帧是关键帧，则直接将这个宏块重组即得出还原后的图像；否则，根据运动矢量将各宏块的数据与上一帧进行组合才得出还原后的图像。由于解压缩不需要分析图像和网络的情况，也不需要考虑压缩比和压缩质量，只是简单地将图像还原，所以程序比较简单。通过分析和测试表明，格式转换、对关键帧和非关键帧离散余弦变换DCT、对非关键帧的帧间压缩是最重要最耗时的环节。为此，在设计中对这些环节进行了优化。　　具体讲，在格式转换、DCT变换中，一是在采集到的RGB色彩空间图像到压缩算法视频输入格式CIF变换中，用整型

6、算法和移位相结合的优化转换函数代替速度较慢的浮点运算；二是在关键帧和非关键帧的DCT变换中，采用零系数预测策略对DCT变换的输入数据分类，节省了大量无效运算；三是采用多媒体处理指令集MMX实现DCT变换，大幅度提高了运算速度。此外，为了实现良好的帧间压缩，比较了两种不同的压缩方式。　　第一种方式是以象素为基础，首先将其与上一帧作差，得到一个稀疏矩阵。在作差的过程中，采用小范围匹配的方法去掉一部分噪声，然后采用优化的行程编码得到最后结果，并把当前帧保存在指定的内存区，作为下一帧作差的参考帧。　　第二种方式是以宏块为基础的运动补偿方式，首先计算

7、运动矢量，然后采用行程编码和哈夫曼编码。用运动补偿技术既可以达到较高的压缩比又有相当好的图像质量。　　对于第一种以象素为基础的编码方式，在保证较高的帧频和压缩比的情况下，图像质量好。而对于第二种以宏块为基础的运动补偿编码方式，图像质量稍差，但压缩比较高，适用于数据传输率较低的情况。为吸收二者的长处，笔者在对H.263源程序分析的基础上进行了优化，采用混合压缩编码方案。此方案将上述两种方式结合起来，从而使系统有效地适用于互联网传输。因为远程站点之间通过互联网进行传输时，信道的数据传输率不是固定的。所以，系统中通过信道测试反馈信息改变量化时的步

8、长，从而调节视频信息的数码率，以便更好地适应信道传输率的变化。　　2.3用UDP和RTP实现图像传输并进行实时优化　　视频图像的实时传输有如下特征：　　?数据量大，尤其是高保真活