道路交通場景監控視頻編碼分析

韓強

摘要：基于視頻監控技術水平的不斷提高，以及監控視頻設備的普及應用，視頻監控已經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，給予監控視頻設備大量使用，可對道路交通場景進行實時監管，以便及時道路交通問題，進行道路交通安全管理與維護。基于道路交通場景監控視頻設備的規模化建設，對監控視頻數據處理分析提出了更高要求。如何做好道路交通場景監控視頻編碼工作，在保證監控視頻質量的同時，提高數據傳輸效率，節約數據存儲空間成為人們關注重點問題。本研究根據道路交通場景視頻監控需求，結合交通監控視頻編碼特點，提出一種改進HEVC編碼，試驗結果顯示該編碼應用效果較好，可在保證視頻質量，滿足道路交通場景監控需求的同時，節約資源。

關鍵詞：道路交通;場景監控;視頻編碼;視頻壓縮;HEVC編碼

引言：

道路交通場景監控視頻是道路交通場景監控系統重要組成部分，在事故隱患消除、安全制度落實、重要地點交通調度、車輛行為規范等方面發揮著至關重要的作用。基于近些年道路交通場景監控系統建設規模的不斷擴大，道路交通場景監控視頻數據大量積累，對系統傳輸、存儲等提出了更高要求。監控視頻編碼作為與監控視頻質量、視頻數據傳輸、視頻數據存儲相關的核心技術，得到人們越來越多關注，其改進與應用成為協調監控視頻質量、監控視頻傳輸速度、監控視頻存儲空間的重要舉措。目前，關于監控視頻編碼已提出多種方案，且各具優勢，本研究為突出道路交通場景監控視頻特征，滿足道路交通場景監控視頻需求，提出一種改進HEVC編碼，以供參考。

1視頻監控需求分析

基于監控技術水平的不斷提升，監控系統逐漸趨向高清化、超清化發展。在此背景下，數字視頻信號分辨率提高。通常情況下，高清攝像機在采集像素較高的視頻圖像時，數據量較大，一般在5～8MByte左右，如果以20`25幀/秒傳輸，則每小時產生的數據量相當可觀。如不不采取視頻壓縮編碼技術對監控圖像進行處理，將嚴重降低監控質量與效率，出現各種系統數據采集、傳輸、存儲、利用問題。目前關于監控視頻壓縮編碼已形成多種算法，HEVC、AVS2、MPEG-4是當前應用最為廣泛的幾種。HEVC即“H.264”是由ITU-T、ISO/IEC等共同提出的數字視頻編碼標準，具備適應性強、壓縮效率高等優勢，但計算相對復雜，對系統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控中視頻數據亢余，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可在保證監控視頻質量的同時，提高視頻數據傳輸率，但視頻數據體系仍較大。由此可見，編碼算法不同所具有的優缺點也不同，視頻碼流大、占用寬帶多、存儲空間大等問題仍是當前道路交通場景監控所需解決的問題，對此需要樹立創新意識，積極探尋適宜道路交通場景視頻監控需求的編碼方案。本研究則對HEVC編碼進行了改進，在保留HEVC編碼應用優勢的基礎上，減輕編碼復雜程度。

2監控視頻編碼改進分析

本研究對HEVC編碼進行了改進，在保留HEVC編碼應用優勢的基礎上，減輕編碼復雜程度。在HEVC編碼應用情況下，分析道路交通場景監控視頻編碼空間特性，發現應用編碼樹單元進行空間結構劃分時，單元劃分大小與編碼空間復雜程度呈負相關。編碼樹單元由編碼、預測、變換等單元共同組成，不同單元擁有不同功能，可通過彼此協作達到所需目的[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。

監控視頻壓縮過程中，需要根據不同時間進行圖像組劃分，HEVC編碼以幀內編碼、低延時編碼、隨機訪問編碼來滿足道路交通監控不同場景視頻壓縮需求，對比分析編碼單元、預測單元、變換單元低延時編碼、隨機訪問編碼情況，發現變化單元的編碼時間最多，降低其編碼復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編碼進行改進時，對交通流運動規律進行了充分考慮，并設計通過掩模更新去除視頻亢余，基于TZSearch搜索算法改進減少編碼時間。關于交通流運動規律，構建了運動能量圖，具體操作為：利用背景建模算法獲取交通道路場景監控視頻中的前進運動序列，結合運動發生概率確定交通流運動空間分布情況，通過形態學處理減少封閉空間干擾。

運動能量圖建成之后，進行掩模區域探尋，以此掌握交通道路場景監控中攝像機運動情況，確定攝像機拍攝全部范圍，并在此基礎上完成全景圖構建。根據全局圖像與單幀圖像掩模存在的關系能夠進行單幀圖像掩模更新。HEVC編碼為滿足高清化視頻監控需求，將監控圖像宏塊設置為64×64，所采用的技術為分塊運動補償技術。該技術應用下，視頻編碼運動搜索花費時間較大。以往所用搜索方法雖然精度高，但速度有限，對此對搜索算法進行了改建，經對比分析確定采用非對稱十字模板進行TZSearch運動搜索。

3實驗結果分析

為證實本方案的應用價值，確定其在道路交通場景監控中所具有的通用性，進行了實驗分析。所有監控視頻編碼實驗均在Intel?Corei3-4005U處理器3M緩存，4GB內存的個人計算機Windows操作系統中運行。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、道路交通場景監控視頻分析性能比較。實驗分析過程中選擇了2種代表性道路監控視頻序列，監控內容涉及基礎設施、附屬建筑物、通行車輛等。實驗參數配置：（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。

視頻壓縮測試發現本研究編碼的碼流比特率較標準編碼低，減少了4.11%～8.48%;峰值信噪比較標準編碼高，平均增加了3.28dB;時間消耗較標準編碼少，減少了1.75～4.12s;同其他編碼標準對比，在碼流比特率、時間消耗、峰值信噪比等方面也占據一定優勢，壽命改進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控視頻編碼復雜程度，提高編碼效率。道路交通場景監控視頻分析性能測試結果顯示，在量化參數相同情況下，本研究編碼車輛識別準確率較高，達到了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控視頻分析性能較高，可在一定程度上提高視頻質量，滿足道路交通場景監控需求。

結論：

綜上所述，當前道路交通場景監控視頻編碼需要在保證監控視頻清晰度的基礎上，有效解決監控視頻碼流大、占用寬帶多、存儲空間大等問題。本研究根據交通監控視頻編碼特征，結合交通流流動規律與特點，從運動能量圖、搜索算法等方面對HEVC編碼進行了改進，結果顯示道路交通場景監控視頻編碼復雜程度減輕，視頻數據壓縮效率大幅度提高，可在保證視頻質量，滿足交通道路場景監控需求的同時，提高數據傳輸能力，節約數據存儲資源，可為相關研究提供參考，促進道路交通場景監控視頻優化發展。

參考文獻：

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

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