视频图像压缩算法的研究(毕业论文).doc
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1、_精品资料本科毕业设计(论文)题目 视频图像压缩算法的研究 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 2009 专 业 自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 论文提交日期 2013-5-17 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明: 所呈交的本科毕业设计(论文),是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名: 日期: 常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人
2、完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定,即:本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许毕业设计(论文)被查阅和借阅;学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计(论文),并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。本人签名: 日期: 导师签名: 日期: 视频图像压缩算法的研究摘 要目前,视频监控已经进入高清时代,原有的视频压缩标准已经不能适应视频监控的发展了。MPEG-4
3、视频压缩标准是一个适用于低传输速率应用的标准,它同时支持交互操作,并对错误易发环境具有较高的鲁棒性。其良好的交互性和高压缩率在视频监控领域发挥了巨大的作用。本文以视频监控为对象对视频图像压缩算法进行了研究。首先对监控系统的硬件进行设计,然后对视频压缩基础模型中各种关键算法进行了研究和比较。介绍了压缩算法在视频监控中的应用,并深入研究了视频压缩标准中的各种高级功能在视频监控中的实现。最后以Visual C+6.0为平台,设计了视频压缩系统,来实现采集图像的同时,实时进行压缩处理。对压缩率及压缩时间进行了分析,明确该设计的有效性和必要性。关键词: 视频监控 MPEG-4 视频压缩 视频流 VFWR
4、esearch on Video Image Compressing AlgorithmAbstractCurrently, video surveillance has entered the high-definition era, the original video compressing standard can not adapt to the development of video surveillance. MPEG-4 video compressing standard which is helpful to low bit rate applications, can
5、provide alternation manipulation and has better channel error robustness. Good interactivity and high compression rate play a huge role in the field of video surveillance.The paper researches on video image compressing algorithm based on the video surveillance. Firstly, we design hardware of the mon
6、itoring system, then research and compare of various key algorithms of based model for video compression. This paper introduces the application of video compressing algorithms in video surveillance and application of various advanced features of video coding standard. Finally, we take Visual C+6.0 a
7、s the platform, design the video compressing system to realize the acquisition of images. At the same time, realize compression processing in real-time. We must analyze compression ratio and compression time, and clear the effectiveness and necessity of the design.Key Words:Video surveillance; MPEG-
8、4; Video compress; Video stream; VFW目 录1. 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 视频监控系统的研究现状11.3 本文主要研究目标与章节安排31.4 本章小结32. 视频监控系统的总体设计42.1 监控系统的总体设计42.2 摄像头的选择42.3 压缩系统52.4 网络连接52.5 本章小结53. 视频压缩算法的研究63.1 信息冗余63.2 混合的DPCM/DCT模型63.3 帧间预测83.4 基于块的运动估计与补偿103.5 运动估计算法113.5.1 块匹配的准则113.5.2 全搜索法123.5.3 三步法133.5.4 全搜索法和三步法的
9、比较133.6 分块大小对残差图像的影响153.7 离散余弦变换173.8 量化183.9 熵编码203.9.1 霍夫曼编码203.9.2 算术编码213.9.3 霍夫曼编码与算术编码的比较213.10 本章小结224. 压缩算法在视频监控中的应用234.1 视频压缩在监控中的具体应用234.2 视频数据结构244.3 形状编码264.4 静态Sprite编码274.5 分级编码284.5.1 空域可分级编码284.5.2 时域可分级编码294.6 本章小结305. 视频图像压缩的实现315.1 视频压缩的实现方法的选择315.2 MFC的使用315.3 获取实时视频图像325.4 压缩结果分
10、析345.5 本章小结366. 总结与展望37参考文献38致谢39精品资料_1. 绪论1.1 课题的研究背景及意义二十世纪五十年代,对于图像压缩编码的研究就已经开始,到目前为止已经有六十多年的发展历史。随着计算机网络技术和多媒体技术的不断发展,人们对于信息的需求越来越多,特别是多媒体技术已经渗透到人们生活的各个方面,成为了人们获取信息最重要的载体。人们希望通过各种各样的技术可以在任何时间任何地方快速方便地获取图像、声音和视频等各种多媒体信息。因此近年来多媒体信息的计算、存储和传输成为了研究的热点。视频编码作为多媒体技术中重要的环节,也得到了很快的发展,而且变得越来越重要。面对一个全新的多媒体时
11、代,如何使用户可以进行更具灵活性和交互性的视频交流;如何在低比特率的情况下,充分利用带宽传输清晰的视频文件;庞大的数据在存储和传输过程中如何得到高效率的快速压缩将成为关键问题。MPEG-4 视频压缩标准是一个适用于低传输速率应用的方案,与MPEG-1 和MPEG-2 相比,MPEG-4 更注重多媒体系统的交互性和灵活性。这无疑将会给视频的高速传输、处理等方面带来更好的解决方法。1.2 视频监控系统的研究现状由于视频图像压缩技术应用广泛,所以一直都是人们研究的热点。在视频监控中,视频图像压缩技术同样又是必不可少的技术。可以说,视频监控技术和视频压缩技术的发展基本是同步和相适应的。监控图像技术的发
12、展归纳起来大概可分为三个阶段:(1)模拟图像监控模拟图像监控被称为第一代监控技术。因为第一代技术并没有什么控制能力,准确的说应该叫“监视”。黑白图像的监控技术是伴随着摄像机和电视机的诞生而一起诞生的。由于当时技术限制,第一代技术被用在了很多场合。虽然它的功能较为单一,图像质量又较差,但是比较直观,人们还是投入了很多精力去完善它。当时的监控系统是采用的模拟信号方式传送。就是从每个摄像机的视频信号直接通过各自电缆传到中心控制室的多路切换器上,通过手动切换,每次只能看一个视频镜头。随着不断的发展,为了减少电缆,采用了模拟射频调制的方法。这种方法就是将不同的信号调制在不同的射频载波上,通过多路合成技术
13、,送入一根电缆,传送到中心控制区。在控制中心,通过多路分解技术分解开来,再通过解调,还原各路视频信号。由于采用了调制技术,使的第一代监控技术的抗干扰能力增强,图像质量增加。(2)半数字图像监控进入二十世纪八十年代,随着数字技术的不断发展,图像监控也经历了一场技术革命。人们开始从模拟方式处理转向数字化处理方式。PC机逐渐被人们用来处理视频图像信号。通过视频采集卡将视频信号采集到计算机中,在显示器上显示出来,使视频图像的质量大大提高。通过计算机可以建立很好的人机交互界面,而且还具有很好的稳定性,但是其仍不能称为真正的数字图像监控技术。因为计算机在这个系统中只是充当着一个显示器的角色,其核心的切换和
14、控制机制仍然是基于传统的单片机方式。导致已有的计算机无法满足多种设备的需求。另外,由于当时的计算机处理能力有限,很难在一台计算机上处理很多的视频图像信号,导致难以建立大型的监控系统。但是能将计算机引入视频监控中本身就是一个巨大的进步。(3)多媒体网络监控在实际的监控应用中,管理者已经不再满足于数据、图形和文字等信息。他们需要更多的信息来支持生产和管理。他们希望能够身临其境的了解生产现场的情况。随着视频编解码技术和网络技术的不断发展,视频监控也变得日益强大。多媒体网络监控不仅能够提供传统的数据、图形和文字信息,还能够提供更加清晰的视频图像,使生产更有效率。多媒体网络监控不仅可以建立生产系统的监控
15、,而且还可以建立更大的系统,如城市监控系统、交通监控系统等。目前,视频监控被广泛应用于金融、交通、商业、乃至住宅和社区等很多领域。为这些领域和行业的安全和环境的监控起到了至关重要的作用。近10年,随着图像处理技术、计算机网络、自动化技术以及通信传输的发展,视频监控有了质的飞跃,已经全面进入了数字图像监控时代。 在数字视频监控中,H.261和MPEG-1还是主要的视频图像压缩标准,但是在实际应用中还是有一定的局限性。首先,它们的适应性相对较差,不能根据不同的网络环境自适应的调节传输率,在网络发生阻塞时,性能就会急剧下降;其次,它们在用户交互性方面也是比较差的。MPEG-4就能够很好的弥补以上不足
16、,而且在监控应用中还具有一些独特优势。由于压缩比要比同质量的MPEG-1高出十多倍,因此可以在低比特率条件下传输,节约更多的存储空间和网络带宽。可以带来质量更高的图像,效果接近DVD。在网络传输时,如果发生误码或者丢包,MPEG-4所受的影响很小并且能够迅速恢复。因此,现在MPEG-4在视频监控中也开始发挥越来越大的作用。1.3 本文主要研究目标与章节安排本设计是一个基于DivX编码器的视频编码系统,实现视频图像的高压缩率编码和快速编码,并能够在视频监控中得到应用。具体包括:(1)视频监控系统简化的硬件设计。(2)按时域模型、空域模型和熵编码的顺序对视频编码各个关键算法做详细的研究并进行了比较
17、。(3)阐述视频编码在监控中的应用,以及各种高级功能的实现。(4)利用Visual C+6.0中的MFC编写视频编码系统代码,实现实时的视频编码,并对各个关键数据进行分析。1.4 本章小结本章内容简单介绍了视频压缩的背景,介绍了视频监控的发展历史,从第一代模拟视频监控到现在网络监控,视频监控已取得巨大的进步,最后介绍了视频压缩算法在视频监控中的应用以及本设计的研究目标和主要内容。2. 视频监控系统的总体设计本设计主要是基于VC6.0中的MFC开发工具完成的。但是软件设计同样也是需要依赖于计算机的硬件系统来完成的。例如摄像头就是采用的笔记本电脑的摄像头,所以有必要对于基本的硬件进行设计。2.1
18、监控系统的总体设计本系统设计的硬件平台主要由三部分组成,前端的摄像头,计算机系统和远端的宿主机。系统工作的原理如图2.1所示。图2.1 系统工作原理计算机通过驱动程序,打开摄像头,开始抓取视频图像。视频图像通过计算机进行压缩后,通过网络发送到远处的宿主机,可以让人们在远处进行查看,实现实时的远程监控。2.2 摄像头的选择在本设计中利用驱动程序可以用来打开摄像头。而摄像头是可以选择的,可以使用计算机本身的摄像头或者是利用USB扩展的外围摄像头等。其中USB扩展的摄像头的工作原理:景物经过镜头(LENS)形成的光学图像投射到图像传感器的表面,转换为电信号,经过A/D转换(模数转换)后转换为数字图像
19、信号,再传送到数字信号处理芯片(DSP)中进行处理,然后再通过USB接口传输到计算机中进行处理,在显示器上就可以看到图像了,摄像头的工作流程如图2.2所示。图2.2 USB摄像头工作流程图2.3 压缩系统至于摄像头驱动程序是有计算机所自带的8。视频采集算法是利用的微软所提供的强大的VFW库函数。VFW推出了一整套完整的视频采集、压缩、解压缩、回放和编辑的应用程序接口(API),可以供程序员使用。计算机对于视频数据的压缩主要是依赖于强大的视频编码器(DivX视频编码器),此编码器对静态视频图像的压缩率非常高,动态图像稍低。但是DivX视频编码器在实时性的实现上非常的好,通常压缩一帧视频的时间基本
20、都是在7ms以内,还是较快速的。2.4 网络连接对于一个完整的视频监控系统而言,有监控部分还必须具有宿主机,可以来看视频,视频需要通过网络来进行传输。可以用两台计算机直接相连来实现通信,也可以使用其他方法。两台计算机通过光纤进行通信如图2.3所示。图2.3 光纤通信示意图远程的计算机可以通过网络或其他的一些途径接收到视频信息,完成视频监控。2.5 本章小结这节主要介绍了视频监控的简单硬件。介绍了USB摄像头的选择和工作原理,并简介了压缩系统和网络的连接。3. 视频压缩算法的研究在视频监控中,视频压缩是非常重要的一个环节,也是与前几代监控技术的一个很大区别。压缩就是将大量的数据以较小的空间来存放
21、的方法,视频压缩是降低数字视频序列比特数的过程。MPEG-4 视频压缩标准的核心与其他编码标准基本是相同的,本质上都是采用了在运动补偿后紧跟DCT变换,量化和熵编码的基于块的混合DPCM/DCT 模型。3.1 信息冗余在研究视频压缩前,我们必须要了解一个概念,即信息冗余。视频中的冗余主要有空间冗余、时间冗余、信息熵冗余和视觉冗余等几种。正是因为视频数据中存在着这些冗余信息,从而使数据压缩成为了可能。视频压缩主要利用视频图像的两个属性:时间相关性和空间相关性。帧内图的像素点与像素点之间,在亮度和色度上都存在着一定的相关性,这种相关性就是视频图像的空间相关性;在视频中,一个场景往往有若干个连续的视
22、频帧构成,相邻的视频帧之间存在着一定的相关性,这种就是时间相关性。这两种相关性为视频图像带来了的很多冗余信息。视频压缩就是需要删除这些冗余信息,保留不相关的信息。一个好的压缩编码标准就是能够在不降低视频图像质量的前提下,使视频图像中的冗余信息降到最低。图3.1说明了时间和空间这两种相关性。图3.1 视频序列的时间冗余和空间冗余3.2 混合的DPCM/DCT模型自1990年以来发布的主要的视频编码标准基本都是基于统一的模型,包括运动补偿和估计,变换编码和熵编码。这种框架被称为混合的DPCM/DCT编码器。MPEG-4视频编码标准同样也是基于这样一个模型开发的。图3.2是简化的DPCM/DCT模型
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