基于压缩感知的3G视频传输方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种视频监控场景中基于压缩感知的3G视频传输方法及系统，属于数据压缩和视频传输领域。摄像头采集到的视频信息经过颜色空间转换为YUV格式后，进行H.264编码，对编码后的数据进行压缩感知的压缩处理，压缩后的视频数据流通过RTSP和RTP/RTCP协议在3G网络中进行传输，在终端经过压缩感知的重构处理和H.264解码过程得到恢复的视频信息。将压缩感知结合RTSP和RTP/RTCP协议用在3G视频传输系统中，不仅使该系统从控制和数据层面满足视频传输的实时性要求，具有自适应调节视频编码速率和网络传输速率的功能，而且能够大大减少网络传输的数据量，节约带宽资源，提高系统的传输效率。

【技术实现步骤摘要】
基于压缩感知的3G视频传输方法及系统
本专利技术涉及一种视频传输系统，属于数据压缩和视频传输领域，尤其是一种视频监控中基于压缩感知的3G视频传输方法及系统。
技术介绍
随着通信技术的不断发展，3G无线网络CDMA2000-1XEVDO网络已经全面投入商用，作为发展最为成熟的无线网络，拥有着先进前端的前向链路和资源调度等关键技术，对未来的移动通信、视频传输、监控系统等方面都有着深远的影响。与此同时，在通信网络中传输视频业务也变得越来越重要，而众所周知，视频本身的特点是数据量巨大，从而在传输过程中需要很大的带宽。由于视频本身具有相当大的冗余性，人们设计出各种各样的压缩方法，在视频传输之前进行大规模的压缩，现有的方法是采用MPEG系列或者H26x系列压缩方案，将视频的序列采用预测编码和变换编码的方法进行压缩，然后将其进行信道编码而发送，这类方法在现有一些传输条件较好的网络中取得了显著成效。但是这种类似MPEG和H26x方案在无线网络中传输效果并不好，究其原因，根本上是无线信道本身的高误码率、误码的随机性和带宽有限等因素的限制。具体来说可以分为以下两个方面:首先预测编码和变换编码的方案使得编码出来的视频帧之间具有很大的依赖性，假设某一关键帧在传输过程中丢失，则后续以前一帧为参考的帧便无法正确解码，这将会造成严重的乱码效应。其次，在视频编码的过程中，经过编码的数据中关键内容的分布并不均匀，如视频中运动矢量数据的重要性就要高于背景数据。无线信道上存在随机丢包事件，如果丢失运动矢量数据，则在恢复过程中较难恢复出不失真的图像，而当丢失的是背景数据时，就可以通过一定的算法来弥补这种丢失带来的影响。压缩感知是近几年信号处理理论的重大突破，它打破了传统的奈奎斯特采样定理的限制，该理论表明：如果信号在某个变换域是稀疏的或者是可压缩的，就可以采用一种数学投影方法对信号进行整体的测量，利用一个与变换基不相关的观测矩阵将变换所得的高维信号投影到一个低维空间上，根据这些少量的观测值，通过求解凸优化问题就可以实现信号的精确重构。对于监控中的视频信息，由于其本身具有较大冗余的特点，并且视频监控场景对整个视频的流畅性有一定的要求，但对画面的清晰度要求不是很高，而压缩感知能在H.264编码之后对视频数据进行更进一步的压缩，大大减少网络中的数据传输量，保障视频流传输的实时性；而在接收端进行压缩感知重构可根据通过接收到的少量数据可以较为精确地恢复视频数据，这对无线网络中的信道干扰会具有一定的鲁棒性。因此，将压缩感知理论应用于视频监控中的3G视频传输具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术旨在解决视频监控场景中，传统视频传输方案中所传数据量较大，并且容易受到无线信道特性干扰的不足，特别创新地提出了一种基于压缩感知的3G视频传输方法及系统。为了实现本专利技术的上述目的，一种基于压缩感知的3G视频传输方法，其关键在于，包括如下步骤：步骤1，摄像头采集视频信息并进行颜色模式转换；步骤2，对采集到的视频信息进行视频编码；步骤3，对编码后的视频数据进行压缩感知的压缩处理；步骤4，将经过压缩感知压缩处理后的视频数据流通过传输协议进行传输；步骤5，在终端对接收到的数据流进行压缩感知的重构处理和视频解码之后，得到恢复的视频信息。上述技术方案的有益效果为：将压缩感知理论运用到3G视频传输当中，首先，视频序列经过压缩感知编码处理后，形成的是一些无结构的数据，并且这些数据之间不存在相关性特点，而对于一帧图像来说，重构的质量仅仅取决于收到数据量的多少，也就是说，数据之间的重要性是完全平等的，任意相同数量的数据的丢失对于整个一帧视频来说是平均的分担到整个一帧视频上去的，这样将增强视频数据流在3G无线网络中传输的抗干扰性；其次，将压缩感知用在H.264编码之后，对视频数据进一步压缩之后再在无线网络中传输，大大减少了数据的传输量，同时与RTSP和RTP/RTCP协议配合，使该系统在满足了视频传输实时性要求的同时具有自适应调节视频编码速率和网络传输速率的功能，提高系统的传输效率。所述的基于压缩感知的3G视频传输方法，优选的，所述步骤1包括：步骤1-1，采集视频信息，如果视频采集端所采集到的视频格式不是YUV格式时，需要进行颜色模式转换，把视频信号转换成YUV格式。上述技术方案的有益效果为：将摄像头采集到的视频信息经过颜色空间转换，转换为占据带宽较小的YUV格式，不仅在一定程度上减少了带宽的占有量，而且方便后续处理器的编码工作。所述的基于压缩感知的3G视频传输方法，优选的，所述步骤2包括：步骤2-1，视频压缩的H.264视频编码方法；步骤2-2，通过视频帧内预测编码，利用视频帧内宏块之间的空间相关性；步骤2-3，再通过视频帧间预测编码，利用连续视频帧间的时间相关性进行运动估计和补偿；步骤2-4，然后进行整数变换运算；步骤2-5，对视频帧进行量化；步骤2-6，对视频帧进行熵编码后，形成H.264处理后的压缩编码数据。上述技术方案的有益效果为：利用H.264对采集到的视频信息进行压缩编码，据评测，在同等图像质量条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2～3倍，是MPEG-4的1.5～2倍，因此在网络中传输同等数据量的视频图像所需要的带宽相对较低。因此，在这里选择H.264编码技术，系统具有了较高的压缩效率和较强的网络传输特性。所述的基于压缩感知的3G视频传输方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3-1，对H.264视频编码后的视频数据进行分块，每次读取一段长度大小为N×N的视频数据，然后将其转换为一个大小为N×N的矩阵块，采用基于行的转换，读取该视频数据的前N个数值，将其存入矩阵块的第一行，接着读取下面的N个数值，存入矩阵块的第二行，以此类推，最后的N个数值存入矩阵块的最后一行；步骤3-2，每次采用基于矩阵块的观测进行压缩感知的压缩处理，为压缩感知重构端的重构效率提供保障，也方便后续视频数据的存储与实时传输，步骤3-3，对视频数据进行稀疏变换，将每一个N×N的数据块进行离散余弦变换，各子块数据经过稀疏变换获得稀疏系数矩阵，由于稀疏系数矩阵具有稀疏性，可利用压缩感知理论对其进行压缩，步骤3-4，观测矩阵测量：首先构造一个大小为M×N的观测矩阵，M＝p*N，其中p为压缩比且0<p<1，将观测矩阵与上一步骤中所得到的稀疏矩阵相乘，这时将得到一个大小为M×N的观测值矩阵，在3G网络中，传输的也就是该观测值矩阵的数据，因此经过压缩感知的压缩过程之后将大大减少在网络中传输的数据量。上述技术方案的有益效果为：首先，视频序列经过压缩感知编码处理后，形成的是一些无结构的数据，并且这些数据之间不存在相关性特点，而对于一帧图像来说，重构的质量仅仅取决于收到数据量的多少，也就是说，数据之间的重要性是完全平等的，任意相同数量的数据的丢失对于整个一帧视频来说是平均的分担到整个一帧视频上去的，这样将增强视频数据流在3G无线网络中传输的抗干扰性。其次，将压缩感知用在H.264编码之后，对视频数据进一步压缩之后再在无线网络中传输，大大减少了数据的传输量，提高系统的传输效率。所述的基于压缩感知的3G视频传输方法及系统，其特征在于，所述步骤4包括，将经过压缩感知压缩处理后的视频数据流在3G网络中通过RT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知的3G视频传输方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，摄像头采集视频信息并进行颜色模式转换；步骤2，对采集到的视频信息进行视频编码；步骤3，对编码后的视频数据进行压缩感知的压缩处理；步骤4，将经过压缩感知压缩处理后的视频数据流通过传输协议进行传输；步骤5，在终端对接收到的数据流进行压缩感知的重构处理和视频解码之后，得到恢复的视频信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的3G视频传输方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，摄像头采集视频信息并进行颜色模式转换；步骤2，对采集到的视频信息进行视频编码；步骤3，对编码后的视频数据进行压缩感知的压缩处理；步骤4，将经过压缩感知压缩处理后的视频数据流通过传输协议进行传输；步骤5，在终端对接收到的数据流进行压缩感知的重构处理和视频解码之后，得到恢复的视频信息；所述步骤5包括步骤5-1至步骤5-3：步骤5-1，首先在接收端，接收到网络协议IP数据包后按相反的顺序将实时传输协议RTP报头和视频流数据提取出来，根据实时传输协议RTP报头中的序列号将视频流数据放入接收端缓存；步骤5-2，从接收端的缓存内读取数据，进行压缩感知重构，采用分段正交匹配追踪StOMP算法，每次从压缩后的M×N矩阵块中读取一列长度大小为M的数据，与观测矩阵相乘得到残余相关性向量；然后通过设定阈值，每次从观测矩阵中选取多个原子，形成一个初始的原子集合并用于更新支撑集；最后利用最小二乘法求得近似解，同时完成对余量的更新，此时检查终止条件是否满足，如不满足则继续循环进行余量的更新和近似解的逼近，否则，所得的近似解就是对原始M个数据的重构结果，长度大小为N，最终完成从压缩数据量M×N到原始数据量N×N的重构，其中M远小于N，在保证重构质量的同时，更快的完成压缩感知重构过程；步骤5-3，读取压缩感知重构之后的数据进行H.264视频解码，经过此过程后将得到恢复的视频信息，最后可将视频信息以YUV格式存储或者播放。2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的3G视频传输方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1-1，采集视频信息，如果视频采集端所采集到的视频格式不是YUV格式时，需要进行颜色模式转换，把视频信号转换成YUV格式。3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的3G视频传输方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2-1，通过视频帧内预测编码，利用视频帧内宏块之间的空间相关性；步骤2-2，再通过视频帧间预测编码，利用连续视频帧间的时间相关性进行运动估计和补偿；步骤2-3，然后进行整数变换运算；步骤2-4，对视频帧进行量化；步骤2-5，对视频帧进行熵编码后，形成H.264处理后的压缩编码数据。4.根据权利要求1所述的基于压缩感知的3G视频传输方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3-1，对H.264视频编码后的视频数据进行分块，每次读取一段长度大小为N×N的视频数据，然后将其转换为一个大小为N×N的矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐朝伟，王雪锋，段利超，李彦，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85