高保真实时准动态图像采集压缩和远程传输平台的研究与实现

·P模式占用较多的系统资源。在这种模式中，硬件将采集的视频帧传送到系统内存中，然后在视频采集窗口用Windows GDI函数进行显示；而O模式下，视频采集子系统直接通过硬件方法显示视频，相对来说节省内存，且速度较快。

·O模式稳定性较好，但也要求电源性能较好。在直流电源性能较好情况下，采用Overlay模式进行视频采集。

实际运行过程表明，上述分析是正确的。本系统设计中采用

3.2 视频压缩、解压缩技术的优先和优化

针对视频应用中可能遇到的各种情况，本系统的压缩、解压缩模块设计采用三种压缩方案，使用时可以从中选择一种，以适应不同环境和不同需求。

一是国际通用的高压缩进比方案H.263,该方案压缩比高，但图像质量较差，适用于网络传输性能较差的情况，该方案大体符合现场图像的处理要求。二是图像压缩质量最好、算法最先进的MPEG-4方案，该方案图像质量好，便压缩比较低，适用于网络传输性能良好的情况。三是在H.263的基础上作为较大幅度修改和优化的TH.263方案，该方案在压缩比与H.263相近的情况下，图像质量有明显改善。

TH.263方案是在对H.263深入分析基础上实施的。通过分析H.263的整个系统程序，得以其设计思想如下：首先将采集到的原始图像划分成8×8的宏块，然后判断此帧是不是关键帧。如果是关键帧，则对每个宏块作DCT(Discrete Cosine Transform)变换，对变换后的视频数据采集视觉能够接受的量化比量化，量化后许多高频分量将变成零，为了最大限度提高压缩编码效果，采用Z形扫描技术将其重新组合，然后对组合串做行程编码，最后对得到的结果进行哈夫曼编码；如果是非关键帧，则对每个宏块先进行运行矢量的计算，然后与上一帧图像作差，再象关键帧那样经过DCT变换、量化和行程编码、哈夫曼编码得到压缩的图像。

图像解压缩与压缩过程正好相反，即先将压缩的函数数据作行程解码和哈夫曼解码，然后进行反量化，并据此进行IDCT变换。如果此帧是关键帖，，则直接将这个宏块重组即得出还原后的图像；否则，根据运行矢量将各宏块的数据与上一帧进行组合才得出不定期原后的图像。由于解压缩不需要分析图像和网络的情况，也不需要考虑压缩比和压缩质量，只是简单地将图像还原，所以程序比较简单。

通过分析和测试表明，格式转换、对关键帧和非关键帧离散余弦变换DCT、对非关键帧的帧间压缩是最重要最耗时的环节。为此，在设计中对这些环节进行了优化。

具体讲，在格式转换、DCT变换中，一是在采集到的RGB色彩空间图像到压缩算法视频输入格式CIF变换中，用整型算法和移位相结合的优化转换函数代替速度较慢的浮点运算；二是在关键帧和非关键帧的DCT变换中，采用零系数预测策略对DCT变换的输入数据分类，节省了大量无效运算；三是采用多媒体处理指令集MMX实现DCT变换，大幅度提高了运算速度。

此外，为了实现良好的帧间压缩，比较了两种不同的压缩方式。

第一种方式是以象素为基础，首先将其与上一帧作差，得到一个稀疏矩阵。在作差的过程中，采用小范围匹配的方法去掉一部分噪声，然后采用优化的行程编码得到最后结果，并把当前帧保存在指定的内存区，作为下一帧作差的参考帧。

第二种方式是以宏块为基础的运行补偿方式，首先计算运动矢量，然后采用行程编码和哈夫曼编码。用运动补偿技术既可以达到较高的压缩比又有相当好的图像质量。

对于第一种以象素为基础的编码方式，在保证较高的帧频和压缩比的情况下，图像质量好。而对于第二种以宏块为基础的运动补偿编码方式，图像质量稍差，但压缩比较高，适用于数据传输率较低的情况。

为吸收二者的长处，笔者在对H.263源程序分析的基础上进行了优化，采用混合压缩编码方案。此方案将上述两种方式结合起来，从而使系统有效地适用于Internet传输。因为远程站点之间通过Internet进行传输时，信道的数据传输率不是固定的。所以，系统中通过信道测试反馈信息改变量化时的步长，从而调节视频信息的数码率，以便更好地适应信道传输率的变化。

优化方案的思想是：通过传输模块反馈回来的信息，得知当前网络的传输速率，以此来调整压缩算法的各个参数，即压缩质量、每秒帧数等，获得当前最好的帧率和质量。