多媒体数字视频监控技术的现状和应用发展

书书书第２９卷增刊２００９年８月大地测量与地球动力学ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＧＥＯＤＥＳＹＡＮＤＧＥＯＤＹＮＡＭＩＣＳＶｏｌ．２９Ｓｕｐｐ．　Ａｕｇ．，２００９　　文章编号：１６７１５９４２（２００９）Ｓｕｐｐ．０１５５０４多媒体数字视频监控技术的现状和应用发展吴　鹏（华中师范大学汉口分校电子信息与通信工程学院，武汉　４３０２１２）摘　要　介绍数字化视频监控技术的应用前景，探讨其下一代产品的发展趋势。包括：１）视频压缩算法———决定产品主要特性的技术；２）网络技术———面向未来多用途的视频多媒体设备以及大规模数字视频多媒体网络系统的构成基础；３）智能化技术———数字视频系统根据应用领域的不同可以提供各种智能化的功能。关键词　多媒体数字视频；监控技术；视频网络传输；发展；现状中图分类号：ＴＰ２７７　　　　文献标识码：ＡＳＴＡＴＵＳＡＮＤＰＲＡＣＴＩＣＡＬＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴＯＦＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲＭＵＬＴＩＭＥＤＩＡＤＩＧＩＴＡＬＩＺＥＤＶＩＤＥＯＷｕＰｅｎｇ（ＣｅｎｔｒａｌＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＨａｎｋｏｕＢｒａｎｃｈ，Ｗｕｈａｎ　４３０２１２）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｄｉｇｉｔｉｚｅｄｖｉｄｅｏｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｉｔｓｐｒｏｓｐｅｃｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｓ：１）Ｖｉｄｅｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｄｉｃｉｄｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓ．２）Ｎｅｔｗｏｒｋｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｂａｓｅｆａｃｉｎｇｆｏｒｍｕｌｔｐｕｒｐｏｓｅｖｉｄｅｏｍｕｌｔｉｍｅｄｉａｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｌａｒｇｅｓｃａｌｅｄｉｇｉｔａｌｖｉｄｅｏｍｕｌｔｉｍｅｄｉａｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｙｔｅｍ．３）Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｈａｔｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｖｉｄｅｏｓｙｓｔｅｍｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｖａｒｉｏｕｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐｐｌｉｅｄｆｉｅｌｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａｄｉｇｉｔａｌｖｉｄｅｏ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｖｉｄｅｏｎｅｔｗｏｒｋｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｓｔａｔｕｓ１　视频压缩算法１．１　Ｈ．２６４压缩算法目前，压缩算法分为两大类：标准算法和专用算法。标准算法为国际组织ＩＳＯ／ＩＴＵ发布，早期的ＪＰＥＧ压缩比太小，传输网络带宽要求过高；后期ＭＰＥＧ１算法压缩比之前有所提高，但是还不能适应目前的宽带网络；近两年来ＭＰＥＧ４／Ｈ．２６３的推广使得远程传输成为可能［１］。专用算法是一些专业公司开发的压缩技术，通用性较差，性能各异，针对网络传输的算法可以支持低带宽网络，但是图像效果不理想。Ｈ．２６４是最新的国际视频编码标准，由ＩＴＵＴ和ＩＳＯ／ＩＥＣ国际标准化组织联合制定。标准在ＩＴＵＴ被最终通过为Ｈ．２６４；在ＩＳＯ／ＩＥＣ通过后，被称为国际标准１４４９６１０（ＭＥＰＧ４第１０部分）。因此可见Ｈ．２６４并不比ＭＰＥＧ４先进。以前大量使用的ＭＰＥＧ４是采用了标准的ＭＥＰＧ４第１０部分以前的版本，名称对应的关系为：Ｈ．２６４ＢａｓｅｌｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ对应ＭＰＥＧ４ＳＰ；Ｈ．２６４ＭａｉｎＰｒｏｆｉｌｅ对应ＭＰＥＧ４ＡＳＰ；收稿日期：２００９０５２３作者简介：吴鹏，男，１９８０年生，教师，硕士，现主要从事通信技术方面的教学与研究．Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]大地测量与地球动力学２９卷Ｈ．２６４ＥｘｔｅｎｄｅｄＰｒｏｆｉｌｅ对应ＭＰＥＧ４ＡＲＴＳｏｒＦＧＳ；Ｈ．２６４ＢａｓｅｌｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ对应ＭＰＥＧ４Ｓｔｕｄｉｏ。作为目前最新的视频编码技术，在Ｈ．２６４标准中采用了高精度、多模式预测技术来提高压缩比、降低码流。Ｈ．２６４标准针对网络传输的需要设计了视频编码层ＶＣＬ和网络提取层ＮＡＬ结构，网络抽象层是提供“网络友好”的界面，从而使视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。Ｈ．２６４标准针对网络传输的需要设计了差错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中的传输，从而保证了视频传输的有效性。１．２　Ｈ．２６４压缩算法实现的难度Ｈ．２６４算法分为ＢａｓｅｌｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ、ＭａｉｎＰｒｏｆｉｌｅ、ＥｘｔｅｎｄｅｄＰｒｏｆｉｌｅ和ＨｉｇｈＰｒｏｆｉｌｅ４层，与以前的算法相比，在算法复杂度上Ｈ．２６４ＢａｓｅｌｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ是以前ＭＰＥＧ－４的２倍左右，Ｈ．２６４ＭａｉｎＰｒｏｆｉｌｅ是ＭＰＥＧ４的１０倍以上，ＨｉｇｈＰｒｏｆｉｌｅ复杂度最高；在压缩码流方面，ＢａｓｅＰｒｏｆｉｌｅ低于ＭＰＥＧ４１０～２０％，ＭａｉｎＰｒｏｆｉｌｅ低于ＭＰＥＧ４的一半。从而可以看出，实现Ｈ．２６４ＭａｉｎＰｒｏｆｉｌｅ算法后可以使视频码流降低一半，可以实现ＣＩＦ格式视频在普通的ＡＤＳＬ上实时连续传输，即使在网络有波动的情况下也不会受影响。同时由于Ｈ．２６４算法具有网络编码层和网络传输层结构，这样对于普通的宽带网络和无线网络的适应性得到加强，由此不会由于网络的误码而影响传输的质量。然而目前的芯片处理能力还不能够实现完整的Ｈ．２６４算法，现在只能实现Ｈ．２６４算法中的部分功能，因此需要一个过程才能够体验到Ｈ．２６４带来的优点。１．３　Ｈ．２６４压缩算法的实现平台在ＪＰＥＧ和ＭＰＥＧ１／２时代，压缩芯片以ＡＳＩＣ芯片为主，从ＭＰＥＧ４开始压缩芯片已经过渡到ＤＳＰ时代，使用ＡＳＩＣ芯片的产品越来越少。这是由于芯片处理能力逐步提高，可以适应算法的不断优化，ＡＳＩＣ技术产品化周期长，已经无法适应算法进步的步伐。由于ＤＳＰ体系结构的限制，面对复杂的Ｈ．２６４算法实现低成本的实时压缩已经非常困难。在算法和芯片技术成熟以后，未来的主流压缩平台应该是ＡＳＩＣ，当然ＡＳＩＣ和ＤＳＰ技术相结合的芯片也能够适合未来算法发展的需要。２　图像预处理和后处理技术２．１　图像滤波影响图像质量好坏的问题主要是摄像头的干扰问题，中低档的摄像头表现得比较明显，特别在低照度的环境中，干扰对图像质量有非常大的影响。根据分析主要有两种噪声会影响视频质量：一种是相邻色素之间产生的伪颜色噪声，另一种是由于信号强度而产生的泊松噪声（会影响物体的边缘清晰度）。一般滤波器是先做低通滤波，然后再做高通滤波，以提高图像的清晰度。从频谱上分析，物体的边缘成分在做低通的时候已经损失掉了一部分，尽管在高通后通过一定的处理可以还原大部分，但实际上它已经不能够达到最理想的效果。由于多数视频压缩算法是通过前后帧图像的差异实现压缩，因此这种随机噪点对压缩的影响非常大，有时候甚至会造成码流成倍上升，将压缩算法的优点全部掩盖。对时间轴上的滤波与对空间轴上的滤波方法对噪点的处理使得中低档摄像头能够同样达到理想的压缩效果，特别是对于光线不好情况下效果更加明显［２］。时间轴滤波采用运动自适应方式去除伪颜色噪声的同时还原运动物体；空间轴滤波用来去除泊松噪声同时强化物体边缘。除此之外，还包括一套柱状均衡器，它通过平滑亮度信号的突变来改善对比度。在帧间编码的技术中主要采用了针对摄像头主要环境特征即静止图像和图像变化不大的情况下压缩处理，这样保证在正常情况下图像都可以以高质量的水平保存。另一方面，通过实时滤波技术，使得在压缩之前就排除了信号中的干扰，压缩还原的图像的能力有很大提高，同时也降低了码流。２．２　图像的其他处理技术如对于全幅图像（ＦｕｌｌＤ１）的处理。全幅图像是由前后两场图像数据合成的，如果图像运动得比较快，就会造成两场图像差别较大，运动快的部分图像有一定的位移，这样就会造成合成图像在运动快的部分图像边缘形成锯齿效应。采用Ｄｅｉｎｔｅｒｌａｃｅ技术就能较好地解决这个问题。同时，在解码回放的时候也可以应用ＤｅＢｌｏｃｋ技术，排除由于解码而造成的各种干扰，使得图像还原效果提升一个层次。３　网络技术３．１　组网技术目前绝大多数视频组网有两个特点：采用集中式和私有控制协议。集中式的可靠性和扩展性比较差，对于小规模视频应用尚可，但对于较大的区域范围甚至更大的应用范围，视频接点成千上万，集中方式的中心节点将不堪重负，网络非常脆弱。如果采用私有控制协议，已有的视频组网只能一个系统应用于一个工程、一个工程一个设计的格局，从而费时６５１　增刊吴鹏：多媒体数字视频监控技术的应用发展和现状费力，不能互通，形成视频应用的“孤岛”，使维护管理和升级变得非常复杂。随着新的视频应用的增加，尤其是城市应急联动、城市智能交通、保安监测网络化以及各个行业的区域监控网的建立，视频组网的规模将越来越大，并且存在不断扩展的需要，因此视频组网必须打破过去集中式和私有控制协议带来的弊端，采用分布式、标准化的组网方案。基于ＳＩＰ协议的组网结构既能够组建纯ＳＩＰ的下一代视频多媒体网，也能够与软件交换结合组建下一代视频多媒体网，完全可以适应应用的需要。由于ＳＩＰ本身具有的简单灵活、分布式控制以及对移动性良好支持等优点，随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的迅猛发展，尤其在最近的两年时间内，由ＩＥＴＦ提出的ＳＩＰ协议已经开始被ＩＴＵＴＳＧ１６、ＥＴＳＩＴＩＰＯＮ（欧洲标准化组织）、ＩＭＴＥ等各种标准化组织所接受，并在这些组织中成立了与ＳＩＰ相关的工作组。特别是作为ＩＴＵＴＳＧ１６主要成员，在多年发展Ｈ３２３应用的基础上，针对ＳＩＰ应用在视频领域的特点，提出了ＳＩＰ的应用指导，并推出了相应的ＳＩＰ协议栈，使得ＩＴＵ的成员实现了这两种协议之间的互通性［３］。视频多媒体需求的大众化以及ＳＩＰ相关技术的逐渐成熟，ＳＩＰ已成为新兴的视频多媒体领域的主流信令控制协议。ＳＩＰ组网的运营模式与传统的运营模式不同，它没有长途和本地之分，主要是基于内容或者服务的运营模式。利用ＳＩＰ可快速组网，灵活部署业务，为用户提供可移动的视讯服务。基于ＳＩＰ组建网络为用户提供语音、数据和视频的移动多媒体应用已经开始崭露头角。目前国外厂商已经推出了基于ＳＩＰ的即时信息、语音和视频等应用。如：微软的ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ采用ＳＩＰ信令协议，这意味着ＳＩＰ能够在个人计算机上实现视频多媒体应用；又如：３ＧＰＰ（ＴｈｉｒｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰａｒｔｎｅｒｓｈｉｐＰｒｏｊｅｃｔ）也采用了ＳＩＰ的３Ｇ体系结构计划，从而使ＳＩＰ成为３Ｇ用户建立包括视频在内的实时通信会话的基石。３．２　网络传输技术从目前的应用情况来看，面向实用的系统面临两大难题，即视频服务质量和网络信息安全问题。即使在宽带网络上由于没有有效的ＱＯＳ机制，很难保障高质量的视频连续传输。网络信息安全是另一个限制数字视频应用发展的因素，目前的广域网络上没有一个有效的安全保障机制，这样就大大限制了网络视频的应用。由于网络的带宽不固定，同时有一定的误码率，需要采用动态参数调整技术，自动探测网络传输的状况，实时调整压缩的参数，保证能够自动适应网络的变化完成图像的传输，保证传输的质量。同时解码器能够正确地处理误码，保证工作长期稳定。同时网络数据安全是一个制约应用的重要因素，视频数据加密的技术对实时网络视频具有重要意义，可保障网络传输的安全。３．３　网络协议从产业化角度考虑，由于ＩＰ地址资源的限制和目前网络的体系结构，很大程度上约束了大容量系统的建设和应用，实现几路视频的网络传输是一回事，建立、管理一个数千路视频应用是另外一回事，在目前的网络技术体系下几乎是不可能的［４］。网络协议ＩＰＶ６是未来发展的重要方向，ＩＰＶ６支持网络地址自动配置和动态域名服务、安全认证、数据安全、服务质量保证；支持ＤＨＣＰ／ＰＰＰＯＥ等多种网络协议；支持组播功能。可以看出，ＩＰＶ６真正解决了目前ＩＰＶ４中存在的