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觸摸屏監(jiān)控中的圖像處理技術(shù)的介紹

日期:2024-10-06 03:59
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摘要:

前言

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化這幾個歷史階段后,高清監(jiān)控隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的展開,成為新的應(yīng)用需求亮點。在高清攝像機內(nèi)部集成了圖像采集,圖像編碼,圖像傳輸?shù)饶K。在圖像采集部分,CCD和CMOS兩種傳感器分別針對不同的需求而設(shè)計,CMOS在高像素方面有著一定的優(yōu)勢,而CCD對監(jiān)控場景的適應(yīng)性更佳。在視頻壓縮編碼部分,不同的壓縮算法和算法實現(xiàn)方案決定了高清圖像的質(zhì)量和編碼效率。在通信控制部分,網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性、**性、碼流的封裝格式和傳輸功能,取決于監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計。相信隨著技術(shù)的革新,圖像處理技術(shù)的方方面讓高清監(jiān)控已經(jīng)不在是浮云。

圖像處理之視頻采集

對于高清監(jiān)控攝像機來說,傳感器是*核心的部件,相當(dāng)于監(jiān)控攝像機的眼睛。被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至 傳感器芯片上, 傳感器根據(jù)光的強弱經(jīng)過處理,形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監(jiān)視器或電視機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。從高清監(jiān)控誕生之初,CCD和CMOS的爭霸就已經(jīng)開始。CCD和CMOS有什么區(qū)別?高清監(jiān)控圖像處理的芯片究竟是CCD還是CMOS?



從技術(shù)的角度比較,CCD與CMOS有如下四個方面的不同:

1.信息讀取方式

CCD是 Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫,它是一種半導(dǎo)體成像器件,CCD電荷耦合器存儲的電荷信息,需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取,電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合,整個電路較為復(fù)雜。

CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor(互補性氧化金屬半導(dǎo)體)的縮寫,和CCD一樣同為在高清攝像機中可記錄光線變化的半導(dǎo)體,CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號,信號讀取十分簡單。

2.速度

CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下,以行為單位一位一位地輸出信息,速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號,還能同時處理各單元的圖像信息,速度比CCD電荷耦合器快很多。

3.電源及耗電量

CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電,耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個電源,耗電量非常小,僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。

4.成像質(zhì)量

CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早,技術(shù)成熟,采用PN結(jié)或二氧化硅(SiO2)隔離層隔離噪聲,成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高,各光電傳感元件、電路之間距離很近,相互之間的光、電、磁干擾較嚴重,噪聲對圖像質(zhì)量影響很大,使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年,隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展,為生產(chǎn)高密度上等的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。



從實際應(yīng)用中看,CCD和CMOS相比較,CCD的夜間成像效果要大大好于CMOS,但是CCD的價格要比CMOS貴出很多,而且受技術(shù)能力限制,目前CCD大部分都集中于200萬像素以下的高清健康產(chǎn)品,而200萬像素以上則是CMOS的天下。所以從長遠來看,高清監(jiān)控一定是朝著一個高像素的方向發(fā)展,如果CCD在300萬以上像素缺少實際應(yīng)用的話,未來則很有可能高清監(jiān)控是CMOS的天下。

圖像處理之視頻編碼

當(dāng)前端的傳感器采集完視頻信號之后,就進入圖像編碼這個環(huán)節(jié),目前主流的編碼技術(shù)包括H.264和M-JPEG以及MPEG4等幾種編碼格式,其中以H.264應(yīng)用*為廣泛。H.264/AVC是由ITU-T VCEG與ISO/IEC MPEG組成的聯(lián)合專家行動組JVT共同制定并于2003年5月發(fā)布的視頻編解碼標準,在ITU-T體系內(nèi)被稱為H.264,在ISO/IEC體系內(nèi)被稱為MPEG4 part10 - AVC,所以通常被稱為H.264/AVC或簡稱H.264。

H.264/AVC標準制定的目標是能夠在相對上一代廣泛使用的MPEG4視頻編碼標準降低一半以上碼率的前提下提供相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量,同時覆蓋到更大范圍的碼率、幀率及分辨率等應(yīng)用場合,并提高對于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪m應(yīng)性,即能在各種不同條件網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)上(例如組播、存儲、RTP/IP包網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò))工作。?對于面向安防領(lǐng)域的高清視頻監(jiān)控應(yīng)用,H.264編解碼標準相比MPEG2、MPEG4 part2等有多方面的優(yōu)勢。

更高的壓縮率

眾所周知,高清應(yīng)用*大的問題在于需要數(shù)倍于以往標清的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和存儲容量。僅以分辨率換算,相同幀率的720P像素點數(shù)為D1的2倍有余,1080P則為4倍左右。如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的MPEG4編解碼算法,達到可接受清晰度的D1視頻一般需要5Mbps以上碼率。以此計算,高清應(yīng)用的巨大數(shù)據(jù)量負荷是現(xiàn)有系統(tǒng)難以承受的,成本也會極為高昂。H.264壓縮算法包含了眾多先進的壓縮技術(shù),例如1/4像素運動補償(Quarter Pixel Motion Compensation)、環(huán)路濾波(Loop Filter)、幀內(nèi)空域預(yù)測(Spatial Intra Prediction)、上下文自適應(yīng)變長編碼(CAVLC)、上下文自適應(yīng)算術(shù)編碼(CABAC)、多種變換類型(4x4 Transform、8x8 Transform)等,相對于MPEG4大幅度提高了壓縮比,數(shù)據(jù)量能夠減少一半甚至更多,為高清應(yīng)用提供了有力的保障。



更清晰的檔次、級別定義

H.264標準在制定之初就充分考慮各種應(yīng)用場合,定義了清晰嚴謹?shù)臋n次(Profile)與級別(Level)。嚴謹?shù)臋n次和級別劃分能夠為***與編碼器之間的性能匹配提供依據(jù),帶來更好的兼容性。

目前較為多見的是面向普通場合的基本檔次(Baseline Profile),以及部分主檔次(Main Profile)應(yīng)用。而對于希望獲得更高壓縮率的高清需求,H.264還提供高壓縮比及支持更大位深的**次(High Profile),目前應(yīng)用較為少見。級別主要限制碼率、幀率/分辨率等圖像相關(guān)屬性,不同級別會影響存儲空間等系統(tǒng)資源的需求。一般情況下標清主要使用Level3及以下級別,200W像素的高清則需要Level4及以上級別。H.264的級別明確定義到Level 5.1,支持的碼率達到240Mbps,因此能夠滿足未來相當(dāng)長時間內(nèi)的主流應(yīng)用。必須指出的是,編碼使用**次和級別在提升壓縮效率的同時也對解碼設(shè)備性能提出了更高要求,導(dǎo)致低能力的解碼設(shè)備無法支持,所以需要權(quán)衡考慮。

相比而言,MPEG4 part2等標準由于制定時間較早,標準主要面向D1及以下分辨率進行定義,沒有充分針對高清應(yīng)用設(shè)計相應(yīng)的檔次和級別,因此在高清分辨率時存在未經(jīng)定義的兼容隱患。

三種不同壓縮格式的比較表如下所示:

項目H.264MPEG4MJPEG

同碼流畫質(zhì)優(yōu)中差

復(fù)雜度高中低

網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快中慢

以天地偉業(yè)*新研發(fā)的第三代壓縮編碼技術(shù)為例,可以實現(xiàn)在2M的碼流下傳輸720P的高清圖像,而且對后端PC解碼壓力要求也比較低,并且對網(wǎng)絡(luò)延時也做了專門的優(yōu)化,可以控制延時在300ms之內(nèi)。

圖像處理之視頻流

所謂碼流(Data Rate)是指視頻文件在單位時間內(nèi)使用的數(shù)據(jù)流量,也叫碼率,是圖像處理編碼環(huán)節(jié)中畫面質(zhì)量控制中*重要的部分。同樣分辨率下,視頻文件的碼流越大,壓縮比就越小,畫面質(zhì)量就越高,但是存儲的空間和占用的帶寬就越大;視頻文件的碼流越小,壓縮比就越高,相應(yīng)的畫面質(zhì)量也會受影響。以H.264壓縮編碼的碼流為例,傳輸720P的圖像一般都需要4M碼流,而同樣畫質(zhì)的圖像,有的企業(yè)如天地偉業(yè),對壓縮算法優(yōu)化的比較好的情況下則只需要2M碼流。

除了碼流之外,還有一個概念叫比特率是指每秒傳送的比特(bit)數(shù),單位為 bps(Bit Per Second)。視頻比特率與碼流是同一個問題的兩種叫法,比如一個H.264的視頻文件,一般不但包含視頻信息還有音頻信息,音頻也有自己的比特率,這是音視信息復(fù)合在一起的文件,這個文件的碼流是其音視碼流的總合。

不論是碼流還是比特率,均表示經(jīng)過編碼(壓縮)后的音頻數(shù)據(jù)每秒鐘需要用多少個比特來表示,而比特就是二進制里面*少的單位,要么是0,要么是1。比特率與音視頻壓縮的關(guān)系簡單的說就是比特率越高音視頻的質(zhì)量就越好,但編碼后的文件就越大;如果比特率越少則情況剛好翻轉(zhuǎn)。

例如:以2000Kbps來編碼音視頻。

其中 bps是 比特1K= 1010=1024

b就是比特(bit)

s就是秒(second)

p就是每(per)

所以,以2000kbps來編碼表示經(jīng)過編碼后的音視頻數(shù)據(jù)每秒鐘需要用2000K的比特來表示。

在傳輸過程中,經(jīng)常會用到CBR和VBR等參數(shù)設(shè)置。CBR(Constant BitRate)就是靜態(tài)比特率,CBR約定采樣率為固定值。高清視頻編碼從頭至尾為某固定值如4096KBit/s進行壓縮。而VBR則采取了一種全新的,全程動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的壓縮方法。當(dāng)為靜態(tài)畫面時,VBR會自動采用較低的比特率如500KBit/s對視頻進行壓縮;當(dāng)在動態(tài)畫面時會用較高的比特率如2000KBit/s對視頻進行壓縮;當(dāng)在動作很劇烈的視頻畫面時則采用*高4096KBit/s進行壓縮。VBR就是在控制文件大小的情況下,*大限度的提高了高清的圖像畫質(zhì)。

影響圖像畫質(zhì)的還有并發(fā)流和雙碼流等技術(shù)。并發(fā)流,是指在VOD點播中同時點播節(jié)目的用戶數(shù)。并發(fā)流受碼流的限制,碼流越大并發(fā)流越小。相同配置和同樣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用高清和標清的并發(fā)流是不一樣的;雙碼流是指在編碼中,同時輸出兩種碼流,一路高碼率的碼流用于本地高清存儲,例如720P/1080P編碼,一路低碼率的碼流用于網(wǎng)絡(luò)傳輸,例如CIF/D1編碼,同時兼顧本地存儲和遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸。雙碼流能實現(xiàn)本地傳輸和遠程傳輸兩種不同的帶寬碼流需要,本地傳輸采用高碼流可以獲得更高的高清錄像存儲,遠程傳輸采用較低的碼流以適應(yīng)CDMA/ADSL等各種網(wǎng)絡(luò)而獲得更高的圖像流暢度。雙碼流是對網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的一次提速,這種創(chuàng)造性地將雙碼流拓寬應(yīng)用,實現(xiàn)任意碼流格式選擇編碼技術(shù),使大規(guī)模的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中成百上千臺攝像機產(chǎn)生海量的視頻、音頻、存儲、報警以及管理數(shù)據(jù),能在用戶所能獲得的網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下,得已確保傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

除以上常見圖像處理技術(shù)之外還有逐行掃描,3D降噪,寬動態(tài),強光抑制,背光補償,低照度等等技術(shù),這些技術(shù)的應(yīng)用極大的推動了高清監(jiān)控的發(fā)展。

 


 
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