视频压缩传输技术原理概述

视频压缩传输技术原理概述摘要：在大数据时代，视频数据占据绝大部分。如何高效编码传输与保存海量的高清视频数据已成为视频实时处理关键技术挑战之一。近年来，在各种视频压缩技术的支持下，视频传输技术得到了飞速的发展。同时，高效率的视频压缩技术的运用又使得视频数据对传输错误有很强的敏感性。本文将重点介绍视频压缩传输原理。关键词：视频编解码，视频传输1视频压缩传输1.1视频处理一个完整的视频处理系统不仅仅包含视频编解码器，还可能包括前端数据采集、图像预处理，图像后处理以及播放显示等，如下图，1.2视频压缩原理视觉是人类获取信息的重要形式，视频信号具有直观、生动以及信息量大的特点。利用人类的视觉惰性，视频信号在时间轴上通常情况被离散化，从而产生帧率的概念。根据图像的帧率和图像大小，我们可以得到视频信号的传输带宽。假设图像采用4：2：0格式，图像分辨率为720×576，帧率为30f／s，每个YUV分量用8bit表示，则比特率为bit_rate=12*width*height*flame_rate=142Mbit／s这样的比特率对大部分应用来说是无法承受的。为了保证视频信号的有效传输或存储，视频编码技术得到迅速发展。如果从1991年MPEG-1的诞生开始算起，视频编码的应用已经发展了十多年。在这期问，编码效率得到不断提高的同时，编码算法的复杂度也大幅度增加。根据编码数据能否完全可逆，可以分为有损压缩和无损压缩。无损压缩的编码效率比较低，压缩率通常在10倍以下，主要适用于对数据精度要求比较高的应用，例如医学图像处理，数据文件压缩等。有损压缩利用量化方法，删除了大量不相干(irrelevancy)信息，能实现几十倍乃至上百倍的压缩率。有损压缩后的数据只能近似的重构原始图像，因此压缩率和图像质量之间构成了一种互相制约的关系。通常情况下，量化会降低图像客观质量，然而根据人眼对高频信息的不敏感特性，只要选择合适的量化因子，图像的主观质量不会受到很大的影响。传统的视频编码技术有熵编码、变换编码、预测编码等，这些技术仍然在不断改进中，并且至今它们还处于视频压缩领域中的主流地位。（1）熵编码。熵编码是根据符号的出现概率给每个符号分配不同的码字，即概率大的符号对应短码字，而概率小的符号对应长码字，从而实现平均码长最短。在视频压缩领域中，哈夫曼编码(Huffmancoding)和算术编码(arithmeticcoding)是应用最广泛的两种熵编码技术。在实际编码时，它们通常和游程编码相结合，以进一步提高压缩率。哈夫曼编码是一种不等长最佳编码方法。当各符号概率等于2的负整数次幂时获得最佳编码效率，不过在实际应用中很难满足这个条件。简单哈夫曼编码采用静态码表，对每个符号采用固定的码字，和编码内容无关。在编码过程中，如果符号集的概率是一个动态参数，则可以采用自适应的哈夫曼编码来提高编码效率，然而这种编码方式需要计算或者存储大量的不规则码表。为了降低自适应编码的复杂度，可以用简单的前缀码来代替不规则码表，这些前缀码的特点是可以通过简单的计算获得码字，例如哥氏码，一元码，多元码等[1]。算术编码把一个码字分配给整个输入流，而不是给每个符号分配码字。它在编码时需要两个基本的参数：符号概率和编码间隔。信源符号的概率决定了编码效率，也决定了编码过程中信源符号的间隔。这些间隔通常位于在0和1之间，它们决定了符号压缩后的输出。由于哈夫曼编码存在一些固有缺陷，算术编码通常能获得更好的编码效率。然而与静态哈夫曼编码相比，算术编码计算量和复杂度都要大的多。（2）变换编码。变换编码是通过某种正交变换，把图像转换到变换域上再进行编码。当所选正交空间的基向量与图像的特征向量接近时，经过变换后的能量就集中在少数几个系数上；若再对这些变换系数进行量化，则大部分的系数都将变成零，然后结合游程编码和熵编码，图像的空间冗余性就被大幅度的降低。用于图像编码的正交变换有很多类型，例如哈尔变换，沃尔什．哈达码变换，K-L变换，离散余弦变换(DCT）。对于自然图像，DCT具有很好的变换性能，另外它还有各种快速变换算法，因此被许多压缩标准所采纳。DCT是一种浮点运算。在实际应用时，通常采用高位宽的定点运算替代浮点运算，以减少硬件开销，但是计算量仍然较大；另外定点运算还会引起失配问题(Mismatch)[2]。为了解决这些缺点，提出了整数变换(IntergerTransform)，整数变换的性质和DCT基本类似，它的特点是变换系数都为整数，这样运算精度不会有任何损失。（3）预测编码。预测编码是利用图像空间和时间的相关性，用相邻象素进行预测。帧间编码利用时间相关性进行象素预测。为了提高帧间预测的正确性，通常需要根据运动矢量进行补偿。运动矢量的搜索是一个计算量很大的过程，为了实现实时编码，很多文献提出了各种快速搜索算法，例如三步搜索嘲[3]，四步搜索[4]，菱形搜索[5]等。帧内编码利用空间相关性进行预测，最简单的是DC系数预测。最近几十年，一些新的编码技术得到了发展，包括小波编码、分形编码、基于对象编码等。尽管不同编码标准的复杂度存在较大的差别，然而它们的编码原理基本类似。一般情况下，各个视频标准都是由下列部分或全部模块组成：熵编码、量化、变换、帧问／帧内预测以及去块滤波等。1.3视频传输视频传输种类：基带同轴传输；基带双绞线传输；射频调制解调传输；光缆调制解调传输；视频数字（网络）传输；微波传输（无线天线）。（1）基带同轴传输同轴电缆是唯一可以不用附加传输设备也能有效传输视频信号方法（绝对衰减最小）。可知要求75-5≤200m75-7≤400m75-9≤600m75-13≤800m如超过800m，不建议用同轴传输，由于分布参数更大，寄生干扰引入，图像质量下降。(2)双绞线传输由于双绞线上的两个信号大小相等，极性相反，且两线相绞（不断改变方向），这样线间的寄生电抗与其相邻电抗也极性相反大小相等（两线完全平衡时）。C1、C2、…Cn是每对双绞线每一绕结的分布电容。L1、L2、…Ln是每对双绞线每一绕结的感应电感。电容C总=C1+C2+…+Cn+(-Cn+1)总感应电感LA=L1+(-L3)+…+LnLB=-L2+L4+…+(-Ln+1)当绕结基本平衡时：Cn=Cn+1，L总=0，C总=0这表明从传输信号的角度分析两线间的寄生电容、寄生电感趋于零，但对外界干扰信号而言上述结果并不存在（干扰信号在两根线上幅度极性都一样）。（3）射频调制解调传输通过宽频调制器将图像信号调制到高频载波，使多路信号可在同轴电缆中上行传输，传输到控制室经过单路或多路视频解调，解调出标准视频信号。首先将同轴电缆的0～1000MHz划分为不同的传输通道（上行、下行、报警传输、隔离带），8MHz为一频道。然后将利用移频键控（指视频调幅调制、音频调频调制及FSK数据调制）技术,将不同的信号调制到不同的通道上，通过一根“电缆”上行、下行同时传输，使多系统、多信号共缆。（4）光缆调制解调传输视频信号的传输路径：“C”VF进入发射机的（VTDEOIN）接口，经PFM调制，电光转换，变成光信号经适配器注入光纤，经光纤传输至光接收机，光电转换，PLL锁相解调，还原成VF信号进入。控制数据传输路径：从指挥中心发出的控制数字信号从光接收机数据入口（DATEIN）进入光端机，经PFM调制，电光转换，变成光信号经适配器注入光纤，经光→前端光端机，经光电转换，PLL锁相解调，恢复控制码，经数据接口输出到解码箱。（5）视频数字（网络）传输原理：本地就近存储、用现有网络（校园网等）传输终端还原。(D→D/A→A→A/D→D）（6）微波传输系统（无线天线）高吞吐量、高可靠性、卓越的传输距离和高性价比，5.8GHz无线宽带接入产品一般采用DFDM（正交频分多路复用技术）。方案实现：无线网络（视距）；中继（非视距）。