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觸摸屏監控中的圖像處理技術的介紹
作者: 发布于:2014/7/5 17:51:27 点击量:


 當監控系統經曆了模擬化、數字化、網絡化、智能化這幾個曆史階段後,高清監控隨著網絡監控的展開,成爲新的應用需求亮點。在高清攝像機內部集成了圖像采集,圖像編碼,圖像傳輸等模塊。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計,CMOS在高像素方面有著一定的優勢,而CCD對監控場景的適應性更佳。在視頻壓縮編碼部分,不同的壓縮算法和算法實現方案決定了高清圖像的質量和編碼效率。在通信控制部分,網絡的適應性、安全性、碼流的封裝格式和傳輸功能,取決于監控系統的規劃和設計。相信隨著技術的革新,圖像處理技術的方方面讓高清監控已經不在是浮雲。

圖像處理之視頻采集

对于高清监控摄像机来说,传感器是最核心的部件,相当于监控摄像机的眼睛。被摄物体的图像经过镜头聚焦至 传感器芯片上, 传感器根据光的强弱经过处理,形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。从高清监控诞生之初,CCD和CMOS的争霸就已经开始。CCD和CMOS有什么区别?高清监控图像处理的芯片究竟是CCD还是CMOS?

 

從技術的角度比較,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(电荷耦合器件)的缩写,它是一种半导体成像器件,CCD电荷耦合器存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。

CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor(互补性氧化金属半导体)的缩写,和CCD一样同为在高清摄像机中可记录光线变化的半导体,CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。

2.速度

CCD電荷耦合器需在同步時鍾的控制下,以行爲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,僅爲CCD電荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優勢。

4.成像質量

CCD電荷耦合器制作技術起步早,技術成熟,采用PN結或二氧化矽(SiO2)隔離層隔離噪聲,成像質量相對CMOS光電傳感器有一定優勢。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、磁幹擾較嚴重,噪聲對圖像質量影響很大,使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年,隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展,爲生産高密度優質的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

 

從實際應用中看,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産品,而200萬像素以上則是CMOS的天下。所以從長遠來看,高清監控一定是朝著一個高像素的方向發展,如果CCD在300萬以上像素缺少實際應用的話,未來則很有可能高清監控是CMOS的天下。

圖像處理之視頻編碼

当前端的传感器采集完视频信号之后,就进入图像编码这个环节,目前主流的编码技术包括H.264和M-JPEG以及MPEG4等几种编码格式,其中以H.264应用最为广泛。H.264/AVC是由ITU-T VCEG与ISO/IEC MPEG组成的联合专家行动组JVT共同制定并于2003年5月发布的视频编解码标准,在ITU-T体系内被称为H.264,在ISO/IEC体系内被称为MPEG4 part10 - AVC,所以通常被称为H.264/AVC或简称H.264。

H.264/AVC标准制定的目标是能够在相对上一代广泛使用的MPEG4视频编码标准降低一半以上码率的前提下提供相当的图像质量,同时覆盖到更大范围的码率、帧率及分辨率等应用场合,并提高对于网络传输的适应性,即能在各种不同条件网络和系统上(例如组播、存储、RTP/IP包网络、无线网络)工作。?对于面向安防领域的高清视频监控应用,H.264编解码标准相比MPEG2、MPEG4 part2等有多方面的优势。

更高的壓縮率

众所周知,高清应用最大的问题在于需要数倍于以往标清的数据传输带宽和存储容量。仅以分辨率换算,相同帧率的720P像素点数为D1的2倍有余,1080P则为4倍左右。如果继续使用传统的MPEG4编解码算法,达到可接受清晰度的D1视频一般需要5Mbps以上码率。以此计算,高清应用的巨大数据量负荷是现有系统难以承受的,成本也会极为高昂。H.264压缩算法包含了众多先进的压缩技术,例如1/4像素运动补偿(Quarter Pixel Motion Compensation)、环路滤波(Loop Filter)、帧内空域预测(Spatial Intra Prediction)、上下文自适应变长编码(CAVLC)、上下文自适应算术编码(CABAC)、多种变换类型(4x4 Transform、8x8 Transform)等,相对于MPEG4大幅度提高了压缩比,数据量能够减少一半甚至更多,为高清应用提供了有力的保障。

 

更清晰的檔次、級別定義

H.264標准在制定之初就充分考慮各種應用場合,定義了清晰嚴謹的檔次(Profile)與級別(Level)。嚴謹的檔次和級別劃分能夠爲解碼器與編碼器之間的性能匹配提供依據,帶來更好的兼容性。

目前较为多见的是面向普通场合的基本档次(Baseline Profile),以及部分主档次(Main Profile)应用。而对于希望获得更高压缩率的高清需求,H.264还提供高压缩比及支持更大位深的高档次(High Profile),目前应用较为少见。级别主要限制码率、帧率/分辨率等图像相关属性,不同级别会影响存储空间等系统资源的需求。一般情况下标清主要使用Level3及以下级别,200W像素的高清则需要Level4及以上级别。H.264的级别明确定义到Level 5.1,支持的码率达到240Mbps,因此能够满足未来相当长时间内的主流应用。必须指出的是,编码使用高档次和级别在提升压缩效率的同时也对解码设备性能提出了更高要求,导致低能力的解码设备无法支持,所以需要权衡考虑。

相比而言,MPEG4 part2等标准由于制定时间较早,标准主要面向D1及以下分辨率进行定义,没有充分针对高清应用设计相应的档次和级别,因此在高清分辨率时存在未经定义的兼容隐患。

三種不同壓縮格式的比較表如下所示:

項目H.264MPEG4MJPEG

同碼流畫質優中差

複雜度高中低

網絡傳輸速度快中慢

以天地偉業最新研發的第三代壓縮編碼技術爲例,可以實現在2M的碼流下傳輸720P的高清圖像,而且對後端PC解碼壓力要求也比較低,並且對網絡延時也做了專門的優化,可以控制延時在300ms之內。

圖像處理之視頻流

所谓码流(Data Rate)是指视频文件在单位时间内使用的数据流量,也叫码率,是图像处理编码环节中画面质量控制中最重要的部分。同样分辨率下,视频文件的码流越大,压缩比就越小,画面质量就越高,但是存储的空间和占用的带宽就越大;视频文件的码流越小,压缩比就越高,相应的画面质量也会受影响。以H.264压缩编码的码流为例,传输720P的图像一般都需要4M码流,而同样画质的图像,有的企业如天地伟业,对压缩算法优化的比较好的情况下则只需要2M码流。

除了码流之外,还有一个概念叫比特率是指每秒传送的比特(bit)数,单位为 bps(Bit Per Second)。视频比特率与码流是同一个问题的两种叫法,比如一个H.264的视频文件,一般不但包含视频信息还有音频信息,音频也有自己的比特率,这是音视信息复合在一起的文件,这个文件的码流是其音视码流的总合。

不論是碼流還是比特率,均表示經過編碼(壓縮)後的音頻數據每秒鍾需要用多少個比特來表示,而比特就是二進制裏面最少的單位,要麽是0,要麽是1。比特率與音視頻壓縮的關系簡單的說就是比特率越高音視頻的質量就越好,但編碼後的文件就越大;如果比特率越少則情況剛好翻轉。

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來編碼表示經過編碼後的音視頻數據每秒鍾需要用2000K的比特來表示。

在传输过程中,经常会用到CBR和VBR等参数设置。CBR(Constant BitRate)就是静态比特率,CBR约定采样率为固定值。高清视频编码从头至尾为某固定值如4096KBit/s进行压缩。而VBR则采取了一种全新的,全程动态调节技术的压缩方法。当为静态画面时,VBR会自动采用较低的比特率如500KBit/s对视频进行压缩;当在动态画面时会用较高的比特率如2000KBit/s对视频进行压缩;当在动作很剧烈的视频画面时则采用最高4096KBit/s进行压缩。VBR就是在控制文件大小的情况下,最大限度的提高了高清的图像画质。

影響圖像畫質的還有並發流和雙碼流等技術。並發流,是指在VOD點播中同時點播節目的用戶數。並發流受碼流的限制,碼流越大並發流越小。相同配置和同樣網絡環境下采用高清和標清的並發流是不一樣的;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絡傳輸,例如CIF/D1編碼,同時兼顧本地存儲和遠程網絡傳輸。雙碼流能實現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CDMA/ADSL等各種網絡而獲得更高的圖像流暢度。雙碼流是對網絡視頻監控的一次提速,這種創造性地將雙碼流拓寬應用,實現任意碼流格式選擇編碼技術,使大規模的視頻監控系統中成百上千台攝像機産生海量的視頻、音頻、存儲、報警以及管理數據,能在用戶所能獲得的網絡資源有限的情況下,得已確保傳輸系統的穩定運行。

除以上常見圖像處理技術之外還有逐行掃描,3D降噪,寬動態,強光抑制,背光補償,低照度等等技術,這些技術的應用極大的推動了高清監控的發展。



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