道路交通場景監(jiān)控視頻編碼分析

韓強(qiáng)

摘要：基于視頻監(jiān)控技術(shù)水平的不斷提高，以及監(jiān)控視頻設(shè)備的普及應(yīng)用，視頻監(jiān)控已經(jīng)成為安全管理體系重要組成部分。就道路交通安全管理而言，給予監(jiān)控視頻設(shè)備大量使用，可對道路交通場景進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，以便及時道路交通問題，進(jìn)行道路交通安全管理與維護(hù)。基于道路交通場景監(jiān)控視頻設(shè)備的規(guī)模化建設(shè)，對監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)處理分析提出了更高要求。如何做好道路交通場景監(jiān)控視頻編碼工作，在保證監(jiān)控視頻質(zhì)量的同時，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，節(jié)約數(shù)據(jù)存儲空間成為人們關(guān)注重點(diǎn)問題。本研究根據(jù)道路交通場景視頻監(jiān)控需求，結(jié)合交通監(jiān)控視頻編碼特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)HEVC編碼，試驗(yàn)結(jié)果顯示該編碼應(yīng)用效果較好，可在保證視頻質(zhì)量，滿足道路交通場景監(jiān)控需求的同時，節(jié)約資源。

關(guān)鍵詞：道路交通;場景監(jiān)控;視頻編碼;視頻壓縮;HEVC編碼

引言：

道路交通場景監(jiān)控視頻是道路交通場景監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部分，在事故隱患消除、安全制度落實(shí)、重要地點(diǎn)交通調(diào)度、車輛行為規(guī)范等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。基于近些年道路交通場景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，道路交通場景監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)大量積累，對系統(tǒng)傳輸、存儲等提出了更高要求。監(jiān)控視頻編碼作為與監(jiān)控視頻質(zhì)量、視頻數(shù)據(jù)傳輸、視頻數(shù)據(jù)存儲相關(guān)的核心技術(shù)，得到人們越來越多關(guān)注，其改進(jìn)與應(yīng)用成為協(xié)調(diào)監(jiān)控視頻質(zhì)量、監(jiān)控視頻傳輸速度、監(jiān)控視頻存儲空間的重要舉措。目前，關(guān)于監(jiān)控視頻編碼已提出多種方案，且各具優(yōu)勢，本研究為突出道路交通場景監(jiān)控視頻特征，滿足道路交通場景監(jiān)控視頻需求，提出一種改進(jìn)HEVC編碼，以供參考。

1視頻監(jiān)控需求分析

基于監(jiān)控技術(shù)水平的不斷提升，監(jiān)控系統(tǒng)逐漸趨向高清化、超清化發(fā)展。在此背景下，數(shù)字視頻信號分辨率提高。通常情況下，高清攝像機(jī)在采集像素較高的視頻圖像時，數(shù)據(jù)量較大，一般在5～8MByte左右，如果以20`25幀/秒傳輸，則每小時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相當(dāng)可觀。如不不采取視頻壓縮編碼技術(shù)對監(jiān)控圖像進(jìn)行處理，將嚴(yán)重降低監(jiān)控質(zhì)量與效率，出現(xiàn)各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、利用問題。目前關(guān)于監(jiān)控視頻壓縮編碼已形成多種算法，HEVC、AVS2、MPEG-4是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的幾種。HEVC即“H.264”是由ITU-T、ISO/IEC等共同提出的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，具備適應(yīng)性強(qiáng)、壓縮效率高等優(yōu)勢，但計算相對復(fù)雜，對系統(tǒng)硬件性能具有較高要求[1]。AVS2通過背景建模方式增加了背景圖像，可在一定程度上減少道路交通場景監(jiān)控中視頻數(shù)據(jù)亢余，但容易在背景模型更新工程中將長時間靜止的前景視為背景圖像。MPEG-4可在保證監(jiān)控視頻質(zhì)量的同時，提高視頻數(shù)據(jù)傳輸率，但視頻數(shù)據(jù)體系仍較大。由此可見，編碼算法不同所具有的優(yōu)缺點(diǎn)也不同，視頻碼流大、占用寬帶多、存儲空間大等問題仍是當(dāng)前道路交通場景監(jiān)控所需解決的問題，對此需要樹立創(chuàng)新意識，積極探尋適宜道路交通場景視頻監(jiān)控需求的編碼方案。本研究則對HEVC編碼進(jìn)行了改進(jìn)，在保留HEVC編碼應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，減輕編碼復(fù)雜程度。

2監(jiān)控視頻編碼改進(jìn)分析

本研究對HEVC編碼進(jìn)行了改進(jìn)，在保留HEVC編碼應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，減輕編碼復(fù)雜程度。在HEVC編碼應(yīng)用情況下，分析道路交通場景監(jiān)控視頻編碼空間特性，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用編碼樹單元進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)劃分時，單元劃分大小與編碼空間復(fù)雜程度呈負(fù)相關(guān)。編碼樹單元由編碼、預(yù)測、變換等單元共同組成，不同單元擁有不同功能，可通過彼此協(xié)作達(dá)到所需目的[2]。HEVC編碼背景與前景處理方法一致，視頻中小編碼單元占比較大。

監(jiān)控視頻壓縮過程中，需要根據(jù)不同時間進(jìn)行圖像組劃分，HEVC編碼以幀內(nèi)編碼、低延時編碼、隨機(jī)訪問編碼來滿足道路交通監(jiān)控不同場景視頻壓縮需求，對比分析編碼單元、預(yù)測單元、變換單元低延時編碼、隨機(jī)訪問編碼情況，發(fā)現(xiàn)變化單元的編碼時間最多，降低其編碼復(fù)雜程度對縮短編碼時間，提高視頻壓縮效率存在重要影響。

在對HEVC編碼進(jìn)行改進(jìn)時，對交通流運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了充分考慮，并設(shè)計通過掩模更新去除視頻亢余，基于TZSearch搜索算法改進(jìn)減少編碼時間。關(guān)于交通流運(yùn)動規(guī)律，構(gòu)建了運(yùn)動能量圖，具體操作為：利用背景建模算法獲取交通道路場景監(jiān)控視頻中的前進(jìn)運(yùn)動序列，結(jié)合運(yùn)動發(fā)生概率確定交通流運(yùn)動空間分布情況，通過形態(tài)學(xué)處理減少封閉空間干擾。

運(yùn)動能量圖建成之后，進(jìn)行掩模區(qū)域探尋，以此掌握交通道路場景監(jiān)控中攝像機(jī)運(yùn)動情況，確定攝像機(jī)拍攝全部范圍，并在此基礎(chǔ)上完成全景圖構(gòu)建。根據(jù)全局圖像與單幀圖像掩模存在的關(guān)系能夠進(jìn)行單幀圖像掩模更新。HEVC編碼為滿足高清化視頻監(jiān)控需求，將監(jiān)控圖像宏塊設(shè)置為64×64，所采用的技術(shù)為分塊運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用下，視頻編碼運(yùn)動搜索花費(fèi)時間較大。以往所用搜索方法雖然精度高，但速度有限，對此對搜索算法進(jìn)行了改建，經(jīng)對比分析確定采用非對稱十字模板進(jìn)行TZSearch運(yùn)動搜索。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為證實(shí)本方案的應(yīng)用價值，確定其在道路交通場景監(jiān)控中所具有的通用性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。所有監(jiān)控視頻編碼實(shí)驗(yàn)均在Intel?Corei3-4005U處理器3M緩存，4GB內(nèi)存的個人計算機(jī)Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行。并在HM16.5（HEVC參考軟件）、RD-19（AVS2參考軟件）以及XviD（MPEG-4參考軟件）上完成編碼壓縮效率分析、道路交通場景監(jiān)控視頻分析性能比較。實(shí)驗(yàn)分析過程中選擇了2種代表性道路監(jiān)控視頻序列，監(jiān)控內(nèi)容涉及基礎(chǔ)設(shè)施、附屬建筑物、通行車輛等。實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置：（1）FrameStructure為LowdelyIBBB;（2）GOPSize為4;（4）IntraPeriod為-1;（5）SearchRage為64;（6）NunlocLayers為1;（7）IBDIdepth為8;（8）RateControl為Disable。

視頻壓縮測試發(fā)現(xiàn)本研究編碼的碼流比特率較標(biāo)準(zhǔn)編碼低，減少了4.11%～8.48%;峰值信噪比較標(biāo)準(zhǔn)編碼高，平均增加了3.28dB;時間消耗較標(biāo)準(zhǔn)編碼少，減少了1.75～4.12s;同其他編碼標(biāo)準(zhǔn)對比，在碼流比特率、時間消耗、峰值信噪比等方面也占據(jù)一定優(yōu)勢，壽命改進(jìn)編碼的壓縮效果較好，能夠在一定程度上減輕道路交通場景監(jiān)控視頻編碼復(fù)雜程度，提高編碼效率。道路交通場景監(jiān)控視頻分析性能測試結(jié)果顯示，在量化參數(shù)相同情況下，本研究編碼車輛識別準(zhǔn)確率較高，達(dá)到了89.6%，較HEVC編碼的82.2%與AVS2的84.4%高，略低于MPEG-4的91.0%。說明本研究編碼道路交通場景監(jiān)控視頻分析性能較高，可在一定程度上提高視頻質(zhì)量，滿足道路交通場景監(jiān)控需求。

結(jié)論：

綜上所述，當(dāng)前道路交通場景監(jiān)控視頻編碼需要在保證監(jiān)控視頻清晰度的基礎(chǔ)上，有效解決監(jiān)控視頻碼流大、占用寬帶多、存儲空間大等問題。本研究根據(jù)交通監(jiān)控視頻編碼特征，結(jié)合交通流流動規(guī)律與特點(diǎn)，從運(yùn)動能量圖、搜索算法等方面對HEVC編碼進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果顯示道路交通場景監(jiān)控視頻編碼復(fù)雜程度減輕，視頻數(shù)據(jù)壓縮效率大幅度提高，可在保證視頻質(zhì)量，滿足交通道路場景監(jiān)控需求的同時，提高數(shù)據(jù)傳輸能力，節(jié)約數(shù)據(jù)存儲資源，可為相關(guān)研究提供參考，促進(jìn)道路交通場景監(jiān)控視頻優(yōu)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]程小蘭，蔣從鋒，歐東陽，等.基于幀緩沖隊(duì)列的邊緣視頻處理加速方法[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2021，43（04）：603-613.

[2]孫川，吳超仲，褚端峰，等.基于SAX的車載數(shù)據(jù)時空語義編碼及分析方法[J].公路交通科技，2019，36（08）：124-132.