人类接受的信息70%来自视觉,视频具有确切、直观、具体生动、真实和高效等特点,这正是电影和电视的无穷魅力所在。由于大规模集成电路(VLSI)、计算机和通信技术的迅速发展和结合,促进了视频技术的进步与广泛应用。多媒体计算机,多媒体通信,信息高速公路,高清晰度电视,高宽带综合业务数据网等都是围绕如何有效的交流视频信息展开研究的。但是,由于视频信息十分丰富且信息量大,故对视频信号的处理、传输、存储和显示等提出了新的要求。因此,视频技术的研究和应用是目前信息技术领域最热门的话题之一。
技术基础
本文主要论述了数字视频的一个应用领域:数字视频远程监控系统。
传统的模拟闭路电视监控系统的局限性:首先,有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感,当传输距离大于1000米时,信号容易产生衰耗、畸变、群延时,并且易受干扰,使图像质量下降;其次,有线模拟视频监控无法联网,只能以点对点的方式监视现场,并且使到布线工程量极大;最后,有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质(如录像带),查询取证时十分烦琐。
而数字化视频监控的优点正好克服了模拟闭路电视监控的局限性:首先,数字化视频可以在计算机网络(局域网或广域网)上传输图像数据,基本上不受距离限制,信号不易受干扰,可大幅度提高图像品质和稳定性;其次,数字视频可利用计算机网络联网,网络带宽可复用,无须重复布线;另外,数字化存储成为可能,经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中,查询十分简便快捷。
数字视频远程监控系统要解决的两大技术:
一是视频数据的压缩和解压缩,视频图像的信息量是巨大的。例如,1幅640*480中分辨度的彩色图像(24bit/像素),其数据量为0.92MB,如果以每秒30帧的速度播放,则视频信号的数码率高达27.6Mbps。显然,视频压缩技术数字化 是压缩技术的关键。目前,适用于远程视频监控的图像压缩标准有 H.261, MPEG—1。 H.261标准简称p*64,由国际电报电话咨询委员会(CCITT)的一个专家组在1990年12月制定, MPEG—1则在1992年成为标准。 两者的核心技术都是离散余弦变换及运动补偿算法, 它的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。 H.261适合在64—384Kbps的低带宽下传输实时视频图像、但图像质量不理想;MPEG—l在800KbPs—2Mbps的传输速率下图像清晰度能达到较好的图像效果。用户可根据不同的场合和需求选用不同的压缩标准。
二是视频数据的实时传输技术。 数字视频远程监控系统的数据通信有以下特点:
实时性: 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、同步。分布性:现场图像采集和发送主机和图像接收显示主机位于不同地点,通过计算机局域网或广域网连接。
同步性:尽管视频信息具有分布性,但在用户终端显示时必须保持同步,另外,声音与视频也必须保持同步。
目前, TCP/IP网络通信协议是一种即成事实的工业标准,视频远程监控系统为可在各种网络结构中运行,也必须采用 TCP/IP协议。然而,TCP/IP协议用于可靠传输,作为结果,如果你在Internet上向另外一台计算机发送一个数据包,你可以确信它将准确无误地到达目的地,但你决不可能得到数据将在特定时间内到达的保证。事实上,数据包在到达目的地前延时数小时或数天,在理论上都是站得住脚的。但作为视频传输这样的特例,但对时间却十分敏感,因此必须确保数据的实时性和同步性。国际通信联合会(InternationalTelecommunication Union,ITU)和国际互联网工程任务组(Internet Engineerjng Task Force, IETF)设计了一个实时传输协议 RTP(RealTime TransportProtocol)来解决传输实时性数据的难题。RTP —般运行在不可靠的协议层上如 UDP(事实上经数学统计 UDP包的可靠性在99%以上)。 每个经过RTP传输的数据包中有时间信息和—个相关的序列号,这个信息使应用程序混合音频和视频信息相对容易。由于应用程序可以很容易地决定当视频帧需要略过时将跳到的正确数据包号,因此同每个包相关的时间信息可以平滑同步过程。
应用
在监控领域中、数字化和网络化是一种趋势,可厂泛应用在电信、电力、交通、银行、水利、智能大厦等领域。在电信局无人值守机房、电力无人值守变电站、水文站、银行营业所等场所,通常具有以下特点:有重大经济价值,安全防范要求高,在地理位置上分布较厂或位置较偏僻。利用数字视频远程监控技术可在本系统内建立监控调度中心、对远端现场的图像声音及其他敏感数据进行实时监控以便对敏感事件进行快速反应。具体实现的方式是:利用各种数据通信网络如: DDN、ISDN、El、xDSL,把经过数字化压缩、编码的视频、音频、报警感应数据传输置监控中心,中心的计算机对各种数据进行解压缩、解编码同时回放视频、音频,对报警事件进行告警处理。
例如, TecView数字视频远程监控系统采用了图像处理技术、计算机网络通信技术使系统具有较高的可用性、可靠性和先进性。它的主要特点是:1、支持 H.161和 MPEG—1压缩算法,并对其进行了改善,使系统在32Kbps到2Mbps的传输带宽都具有出色的图像品质; 2、结构简单灵活,支持各种带宽通信网络;3、功能完善,具有远程云台镜头控制、报警联动,报警前、后触发录像、数字化压缩存储,系统崩溃自恢复等先进功能;4、带有简单易用、功能丰富二次开发编程接口;5、具有良好的人机界面,采用了电子地图管理方式。该系统在北京电信局(复兴门)运行维护中心采用128KISDN线与北京市郊的分钟寺管线分局连通,在112Kbps(16k用于传输控制数据和报警数据)的图像传输速率下仍然可以达到10帧/秒—15帧/秒的回放速率,图像的格式为 CIF(384*288),图像清晰稳定。广域网)上传输图像数据,基本上不受距离限制,信号不易受干扰,可大幅度提高图像品质和稳定性;其次,数字视频可利用计算机网络联网,网络带宽可复用,无须重复布线;另外,数字化存储成为可能,经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中,查询十分简便快捷。