245, 248, 253; ">低碼率高清攝像機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

245, 248, 253; ">　　碼率低于512kbps的高清攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)監(jiān)控的高清應(yīng)用即使不用高清低碼率也可以降低手機(jī)監(jiān)控的使用成本為了使高清攝像機(jī)大幅降低碼率不僅要采用H.264等先進(jìn)的編碼算法而且要從系統(tǒng)的角度全面考慮從攝像機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)降低碼率

245, 248, 253; ">　　1選擇低噪聲的圖像傳感器

245, 248, 253; ">　　圖像傳感器是獲取視頻信號(hào)的源頭選擇高信噪比的低噪聲傳感器是必須的這為后續(xù)處理提供了基礎(chǔ)條件

245, 248, 253; ">　　2注重降噪的圖像處理過(guò)程ISP

245, 248, 253; ">　　清晰而且低噪聲的圖像是獲得低碼率視頻的首要條件 圖像噪聲混入到圖像細(xì)節(jié)特征中會(huì)大大增加后續(xù)編碼過(guò)程的信息量從而增加碼流所以首先要獲取清晰而且低噪聲的圖像這對(duì)圖像處理過(guò)程ISP提出了一些要求ISP主要包括demosaic濾波銳化白平衡曝光控制gamma校正等處理過(guò)程其中濾波和銳化處理對(duì)噪聲影響最大濾波算法很多我們需要選擇能保持邊緣信息的濾波算法這樣才不會(huì)降低清晰度應(yīng)用3D濾波也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇它可以利用到幀間信息濾波和銳化共同作用的結(jié)果才能獲得低噪聲的清晰圖像然后進(jìn)行下一步的視頻編碼處理

245, 248, 253; ">　　3選擇高壓縮率的視頻編碼器

245, 248, 253; ">　　H.264作為一個(gè)成熟的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛使用在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中而且也被智能手機(jī)普遍支持基于這個(gè)原因如同其他攝像機(jī)廠商一樣我們也同樣選擇H.264視頻編碼器來(lái)進(jìn)行視頻編碼再進(jìn)一步我們選擇了Main Profile理由是可以使用B幀和CABAC編碼這兩個(gè)功能對(duì)降低碼率有很大的作用B幀可以進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)使得預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確可以減少碼流同時(shí)還可以設(shè)置解碼后的B幀不再做為參考幀這樣就可以把量化造成的誤差局限在本幀范圍內(nèi)而不繼續(xù)擴(kuò)散因此可以適當(dāng)增大B幀的量化參數(shù)減少碼流的同時(shí)而不對(duì)視頻質(zhì)量造成明顯損害相對(duì)于CAVLC編碼在相同編碼信息源數(shù)據(jù)的情況下CABAC編碼可以節(jié)約10%左右的碼流這個(gè)差距足以令CABAC成為我們的不二的選擇

245, 248, 253; ">　　4優(yōu)化視頻編碼碼流

245, 248, 253; ">　　H.264編碼中存在I幀P幀和B幀其中I幀是幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼盡可能實(shí)現(xiàn)全部幀內(nèi)預(yù)測(cè)方式這樣可以提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性減少殘差數(shù)據(jù)量從而降低碼流 在一個(gè)GOP中P幀和B幀的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于I幀所以這兩種幀編碼是決定視頻碼流大小的主要因素對(duì)于P幀和B幀編碼幀間預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性直接決定了殘差信息量因此必須盡可能提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性手段包括增加參考幀和擴(kuò)大搜索范圍受硬件資源的制約在攝像機(jī)中實(shí)現(xiàn)全像素搜索是不現(xiàn)實(shí)的但是搜索點(diǎn)數(shù)太少會(huì)嚴(yán)重影響搜索精度因此應(yīng)該盡可能增加搜索點(diǎn)數(shù)獲得高的搜索精度最后再用1/2像素和1/4像素匹配最佳位置

245, 248, 253; ">　　5根據(jù)像素信息重要性分配宏塊QP

245, 248, 253; ">　　量化參數(shù)QP直接決定了畫(huà)面質(zhì)量同時(shí)對(duì)碼率大小也有極大影響增加QP量化誤差增大畫(huà)面細(xì)節(jié)丟失碼率變小減小QP則會(huì)產(chǎn)生相反的影響這就為選擇合適的QP值帶來(lái)困惑理想的解決方式是畫(huà)面中包含重要信息的部分需要細(xì)節(jié)這些部分應(yīng)該使用較小的QP值畫(huà)面的其他部分則不需要過(guò)多細(xì)節(jié)這些地方可以使用相對(duì)較大的QP值通過(guò)這種變化QP的方式可以大大減少畫(huà)面中不關(guān)注細(xì)節(jié)部分的編碼碼流同時(shí)又不會(huì)危害到畫(huà)面中的監(jiān)控對(duì)象畫(huà)面這是降低碼流的一個(gè)重要環(huán)節(jié)

245, 248, 253; ">　　6實(shí)施智能分析

245, 248, 253; ">　　智能分析是指對(duì)圖像進(jìn)行分析主要有兩個(gè)功能運(yùn)動(dòng)分析和圖像區(qū)域分析運(yùn)動(dòng)分析是為了獲得視頻中的運(yùn)動(dòng)物體如人和車輛等物體分析結(jié)果可以進(jìn)一步用于入侵檢測(cè)等告警規(guī)則圖像區(qū)域分析是實(shí)現(xiàn)QP分配的基礎(chǔ)條件分析結(jié)果是獲得運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域的分布通常靜止區(qū)域都是一些背景區(qū)域這些區(qū)域可以在H.264編碼過(guò)程中應(yīng)用較大的QP值達(dá)到減小碼率的目的

245, 248, 253; ">　　7應(yīng)用碼率智能自適應(yīng)控制

245, 248, 253; ">　　3G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)有效帶寬處于一個(gè)不斷變化的波動(dòng)狀態(tài)及時(shí)有效地匹配視頻輸出碼率和實(shí)時(shí)可用帶寬可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率從而在相同條件下為客戶端提供更好質(zhì)量的視頻碼流網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)帶寬是不可預(yù)知因素考慮到瞬間的帶寬抖動(dòng)不會(huì)對(duì)通信造成實(shí)質(zhì)影響我們只需要針對(duì)作用時(shí)間較長(zhǎng)的慢速抖動(dòng)進(jìn)行處理可以預(yù)設(shè)一個(gè)基本帶寬參數(shù)然后檢測(cè)碼流發(fā)送過(guò)程中的TCP的擁塞狀態(tài)據(jù)此進(jìn)行修正作為實(shí)時(shí)帶寬的近似值

245, 248, 253; ">　　場(chǎng)景內(nèi)容包括環(huán)境光線條件的變化是引起碼率主動(dòng)變化的主要因素而碼率適應(yīng)過(guò)程則是需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整若干參數(shù)這些參數(shù)包括視頻幀率量化參數(shù)QP視頻濾波強(qiáng)度圖像銳化強(qiáng)度和圖像分析靈敏度等分別分布在ISP智能分析H.264編碼等多個(gè)處理環(huán)節(jié)每個(gè)參數(shù)對(duì)碼率的影響不同需要調(diào)整哪些參數(shù)以及調(diào)整的幅度需要一個(gè)比較復(fù)雜的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程就是碼率智能自適應(yīng)控制碼率自適應(yīng)控制需要較高的實(shí)時(shí)性另外為了保證碼率變化的平滑過(guò)渡參數(shù)調(diào)整過(guò)程也需要進(jìn)行漸變過(guò)渡這樣才能獲得較佳的視覺(jué)效果

245, 248, 253; ">　　主芯片的選擇

245, 248, 253; ">　　目前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本上都采用單芯片的解決方案可供選擇的主要包括ASIC和FPGA傳統(tǒng)高清攝像機(jī)大多采用ASIC芯片廠商提供的攝像機(jī)解決方案所以這些攝像機(jī)都不能實(shí)現(xiàn)低碼流高清為了實(shí)現(xiàn)低碼流高清可采用FPGA方案該方案具有并行處理機(jī)制能帶來(lái)實(shí)時(shí)性和高性能而且設(shè)計(jì)靈活便于實(shí)現(xiàn)低碼率目標(biāo)所需要的全部處理過(guò)程

245, 248, 253; ">　　結(jié)束語(yǔ)

245, 248, 253; ">　　通過(guò)以上分析 低碼率高清攝像機(jī)在手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)的意義技術(shù)上也完全可行我們已經(jīng)使用單片altera的CYCLONE IVEP4CE115作為主芯片實(shí)現(xiàn)了低碼率高清攝像機(jī)GlobalEagle的最大分辨率和幀率是1280×720×25fps平均碼率小于512Kbps隨著FPGA工藝的進(jìn)步FPGA的資源越來(lái)越多運(yùn)動(dòng)宏塊的預(yù)測(cè)可以做到越來(lái)越準(zhǔn)確編碼碼流會(huì)越來(lái)越少下一步我們準(zhǔn)備用CYCLONE V來(lái)實(shí)現(xiàn)1920×1080×25fps的平均碼率小于1024Kbps的低碼率高清攝像機(jī)