專利名稱：視頻壓縮方式與網絡帶寬自適應的視頻網絡傳輸技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于網絡傳輸技術，特別涉及的是一種視頻壓縮方式與網絡帶寬自適應的視頻網絡傳輸技術。更具體的說是一種集嵌入式技術、DSP視頻壓縮技術、網絡應用技術于一身的綜合性技術。
背景技術：
隨著國際互聯網技術的發(fā)展，網絡給人們帶來的是一場技術性革命，也給人們帶來了許多方便。對于電視監(jiān)控系統(tǒng)來說，網絡改變了人們傳統(tǒng)的監(jiān)控方式，從系統(tǒng)的結構、接線方式到監(jiān)控的范圍，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)都是無法與之比擬的。利用網絡作為監(jiān)控系統(tǒng)的信息載體有很多優(yōu)點，例如數字信號較模擬信號的抗干擾能力更強、被壓縮的數字信號更容易被記錄、Internet網分布范圍廣泛，使得監(jiān)控系統(tǒng)可以很容易的連接到世界的每一個角落，在監(jiān)控地點特別分散的情況下更能顯示出其優(yōu)越性。
先進的電子技術推動了其他技術發(fā)展，DSP芯片、嵌入式處理器能快速的完成復雜的任務。離散余弦變換、小波變換等理論在圖像壓縮中的應用，使視頻壓縮技術日益完善。繼MPEG專家組成功定義了MPEG-1和MPEG-2之后，于1994年開始制定全新的MPEG-4標準，MPEG-4標準將眾多的多媒體應用集成于一個完整的框架內，旨在為多媒體通信及應用環(huán)境提供標準的算法及工具。MPEG-4壓縮標準的傳輸速率要求較低，可以利用很窄的帶寬，通過幀重建技術壓縮和傳輸數據，以最少的數據獲得最佳的圖像質量。
目前的視頻壓縮技術一般都是針對固定網絡帶寬要求的，通用性不是很好，在網絡帶寬條件不滿足的情況下，往往得不到預期的效果。為了使網絡攝像機適應實際應用的要求，就必須將視頻壓縮技術和網絡技術結合起來，在網絡帶寬不適應的時候，自動調整壓縮算法，來增加或減少壓縮量。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，結合小波變換技術和MPEG-4壓縮技術，對現場的視頻信號實時壓縮，生成實時視頻流。通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)的對網絡的良好支持特性，結合視頻壓縮技術以適應不同網絡狀態(tài)的要求。當網絡帶寬不適應當時的壓縮標準時，自動調整壓縮算法，使得網絡攝像機能在更復雜的環(huán)境下應用。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是將嵌入式的Linux操作系統(tǒng)固化在存儲器中，在系統(tǒng)啟動時，Linux操作系統(tǒng)從存儲器載入內存，在內存中運行，嵌入式操作系統(tǒng)隨時檢測網絡帶寬，把檢測結果傳給壓縮芯片，壓縮芯片根據嵌入式系統(tǒng)的反饋信息，采用選擇壓縮算法，壓縮芯片對音視頻信號進行壓縮，通過嵌入式操作系統(tǒng)傳到網絡用戶。
上述壓縮芯片通過嵌入式操作系統(tǒng)得到反饋信息，并根據反饋信息改變小波系數及圖像編碼序列。
上述系統(tǒng)中利用模糊決策技術，操作系統(tǒng)將網絡狀態(tài)作為一個模糊變量來處理，根據系統(tǒng)中已建立的知識庫，得到當前網絡狀況的隸屬度矢量值，經過模糊推理，得到最佳的壓縮方案。
本發(fā)明的有益效果是(1)Linux操作系統(tǒng)開放源代碼，不存在黑箱技術，并且是免費的，在價格上極具競爭力，最適合中國國情；(2)內核小，效率高，高度模塊化使添加部件非常容易；(3)本身內置的網絡支持，可應用于多種硬件平臺，并提供完整的開發(fā)工具和SDK。在電視監(jiān)控領域中，利用網絡技術傳輸現場的視頻圖像，并能自適應網絡狀態(tài)，智能調整壓縮算法，從而達到最佳的監(jiān)控效果。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明將嵌入式的Linux操作系統(tǒng)固化在存儲器中，在系統(tǒng)啟動時，Linux操作系統(tǒng)從存儲器載入內存，在內存中運行，嵌入式操作系隨時檢測網絡帶寬，把檢測結果傳給壓縮芯片，壓縮芯片根據嵌入式系統(tǒng)的反饋信息，采用選擇壓縮算法，壓縮芯片對音視頻信號進行壓縮，通過嵌入式操作系統(tǒng)傳到網絡用戶。
上述壓縮芯片通過嵌入式操作系統(tǒng)得到反饋信息，并根據反饋信息改變小波系數及圖像編碼序列。
上述系統(tǒng)中利用模糊決策技術，操作系統(tǒng)將網絡狀態(tài)作為一個模糊變量來處理，根據系統(tǒng)中已建立的知識庫，得到當前網絡狀況的隸屬度矢量值，經過模糊推理，得到最佳的壓縮方案。
嵌入式操作系統(tǒng)為客戶端提供實時視頻服務，用戶可以用IE4.0或Netscape 4.5以上的瀏覽器瀏覽視頻圖像，嵌入式處理器選擇的是Etrax100處理器，Etrax100是32位處理器，具有RISC結構，處理速度可達100MIPS，在處理器外圍擴展了4M FLASH存儲器和16M SDRAM隨機存儲器，用來存儲系統(tǒng)軟件和提供系統(tǒng)運行時的數據空間，將Linux操作系統(tǒng)固化在FLASH中，在系統(tǒng)啟動時，Linux系統(tǒng)從FLASH裝載入內存，在內存中運行，FLASH在一般情況下是只讀的，固化在內部的操作系統(tǒng)不易遭到破壞，在視頻編碼之前要經過采樣和量化工序，在這里使用視頻A/D芯片SAA7111，SAA7111芯片將抗混濾波、梳狀濾波都被集成到芯片內部，場同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場信號RES1、像素時鐘信號LLC2都由管腳直接引出，圖像作為信源，信源的數據量是信息量(熵)與信息冗余量之和，為了得到較高的壓縮比，必須要消除冗余信息，在MPEG-4圖像編碼中包含了3種成分I幀、P幀和B幀，I幀壓縮采用基準幀模式，只提供幀內壓縮，不需要其它任何幀作參考，它獨立進行編碼，I幀作為圖像序列的初始幀，采用離散余弦變換(DCT)來編碼，不進行預測估計和運動估計，I幀可以消除空間冗余，有效的消除圖像內相鄰數據間的強相關性，I幀壓縮可以得到6∶1的壓縮比，不產生任何可覺察的模糊現象，P幀為幀內預測圖像編碼，它參考最近的前一個已編碼的I幀或P幀，采用運動補償，B幀為雙向預測/內插的幀間編碼，它從前面和后面的I幀或P幀中提取數據，壓縮比可以達到200∶1，P幀和B幀在編碼時進行幀間運動估計和預測，能消除圖像序列之間的由于時間造成的視頻圖像數據冗余，能得到較高的壓縮比。
利用Linux操作系統(tǒng)對網絡的良好支持性，實現帶寬的檢測，針對具體情況，改變壓縮方法，通過增加和減少壓縮量，達到適應網絡帶寬的要求。首先，零樹小波算法對圖像重新編碼，這個編碼序列是按照其重要性排序的無論序列在任何時刻被結束，得到的都是圖像“最好”的表示，MPEG壓縮技術的I、P和B幀也可以根據具體情況組合，這樣就可以增減壓縮量，達到適應網絡帶寬的要求。在網絡帶寬比較窄的情況下，改變小波系數，拋棄圖像的高頻分量，使壓縮量提高，減小對帶寬的要求；當網絡帶寬較寬時，增加圖像的高頻分量，使得圖像效果更好。
在具體的壓縮中，采用了小波變換與離散余弦變換相結合的編碼方式。對于一個給定信號f(t)，其連續(xù)小波變換為(Wψf)(a,b)=|a|-12∫-∞∞f(t)ψ(t-ba)‾dt]]>小波函數ψa,b(t)=|a|-12ψ(t-ba)]]>隨著尺度伸縮參數a和時間平移參數b的變化，可以得到信號的不同局域、不同時～頻域特性的表示。對a，b離散化，得到小波的級數表示形式f(t)=Σj,k∈TCj,kψj,k(t)]]>首先，利用嵌入零樹小波算法對圖像重新編碼。經過離散小波變換得到的是圖像按其重要性的排序，一個圖像被分成了k個級別，對于同一級別，低頻子圖像LLi最重要，其次為HLj與LHj。例如，一個子圖按其重要性的排序為LL3、LH3，LH3，HH3，HL2，LH2，HH2，HL1，LH1，HH1。因為這個序列是按照重要性排序的，所以，無論序列在任何時刻被結束，得到的都是圖像“最好”的表示。
圖像壓縮采用離散余弦(DCT)快速算法，二維8×8階DCT表達式為F(μ,ν)=14C(μ)C(ν)Σi=07Σj=07f(i,j)cos(2i+1)μπ16cos(2j+1)νπ16]]>對上式變換得F(μ,ν)=28C(ν)Σj=07{2C(μ)Σi=07f(i,j)cos(2i+1)μπ16cos(2j+1)νπ16}]]>可見，8×8二維DCT可以用一維DCT來代替，采用蝶形運算可以提到運算速度。
小波變換對圖像起到了濾波作用，小波分解后的圖像能量主要集中在相對較低的子帶中。結合人眼的視覺特性，消除了圖像信息中的視覺冗余。視頻序列內圖像編碼類型的安排也具有靈活性，可以適應不同的要求。原則是在帶寬較寬的情況下，提供最好的服務，圖像編碼序列可以為(I I I I I II I I……)，這種序列有最好的隨機存取、FF/FR和編輯功能，但是只能實現低壓縮。為了提高壓縮比，在圖像序列中加入P幀，序列為(I P P P PP P I P P P P……)，能實現中度壓縮。在帶寬較窄時，要做到高壓縮，圖像序列為(I B B P B B P B B I B B P……)，能得到較好的效果。
為了適應不同的網絡狀態(tài)，嵌入式系統(tǒng)隨時監(jiān)測當時的網絡，以便做出合理的壓縮方案。在本系統(tǒng)中，壓縮芯片可以通過嵌入式操作系統(tǒng)得到反饋信息，并根據反饋信息改變小波系數及圖像編碼序列。系統(tǒng)中利用模糊決策技術，操作系統(tǒng)將網絡狀態(tài)作為一個模糊變量來處理，根據系統(tǒng)中已建立的知識庫，可以得到當前網絡狀況的隸屬度矢量值。經過模糊推理，可以得到最佳的壓縮方案。在本系統(tǒng)中，模糊變量無須太多，并且控制的頻率也不能太頻繁。在實際的模糊推理過程中，只是簡單的比較和計算，因此，利用這種決策方式，能收到良好的控制效果。
權利要求
1.一種視頻壓縮方式與網絡帶寬自適應的視頻網絡傳輸技術，其特征是，將嵌入式的Linux操作系統(tǒng)固化在存儲器中，在系統(tǒng)啟動時，Linux操作系統(tǒng)從存儲器載入內存，在內存中運行，嵌入式操作系統(tǒng)隨時檢測網絡帶寬，把檢測結果反饋給壓縮芯片，壓縮芯片根據嵌入式操作系統(tǒng)的反饋信息，采用選擇壓縮算法，壓縮芯片對音視頻信號進行壓縮，通過嵌入式操作系統(tǒng)傳到網絡用戶。
2.根據權利要求1所述視頻壓縮方式與網絡帶寬自適應的視頻網絡傳輸技術，其特征是，上述壓縮芯片通過嵌入式操作系統(tǒng)得到反饋信息，并根據反饋信息改變小波系數及圖像編碼序列。
3.根據權利要求1所述視頻壓縮方式與網絡帶寬自適應的視頻網絡傳輸技術，其特征是，上述系統(tǒng)中利用模糊決策技術，操作系統(tǒng)將網絡狀態(tài)作為一個模糊變量來處理，根據系統(tǒng)中已建立的知識庫，得到當前網絡狀況的隸屬度矢量值，經過模糊推理，得到最佳的壓縮方案。
全文摘要
本發(fā)明提供一種視頻壓縮方式與網絡帶寬自適應的視頻網絡傳輸技術，將嵌入式操作系統(tǒng)固化在存儲器中，在系統(tǒng)啟動時，嵌入式Linux操作系統(tǒng)從存儲器載入內存，在內存中運行。嵌入式操作系統(tǒng)隨時檢測網絡帶寬，把檢測結果反饋給壓縮芯片，壓縮芯片根據嵌入式操作系統(tǒng)的反饋信息，選擇壓縮算法。壓縮芯片對音視頻信號進行壓縮，通過嵌入式操作系統(tǒng)傳到網絡用戶。Linux操作系統(tǒng)開放源代碼，不存在黑箱技術，并且免費，在價格上具競爭力；內核小，效率高，高度模塊化使添加部件容易；本身內置的網絡支持，可應用于多種硬件平臺，提供完整的開發(fā)工具和SDK。在電視監(jiān)控領域中，利用網絡技術傳輸現場的視頻圖像，并能自適應網絡狀態(tài)，智能調整壓縮算法，達到最佳監(jiān)控效果。
文檔編號H04N7/26GK1514587SQ03129830
公開日2004年7月21日 申請日期2003年5月20日 優(yōu)先權日2003年5月20日
發(fā)明者葉晨, 張澍, 葉 晨 申請人:葉晨, 葉 晨