专利名称：数字视频信号低延时编解码装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字视频信号编解码领域，具体来说是指一种以低延时方式采集并编码数字视频信号和解码并显示数字视频信号的装置。
背景技术：
随着数字技术的发展，传统的基于模拟的视频信号处理方法正逐渐被基于数字的视频信号处理方法所取代。在视频监控技术领域这种情况更加明显。相对于模拟视频监控技术，数字视频监控具有传输带宽低、易于存储和管理、便于加密与内容保护和实施成本低等诸多优点。但是，在视频信号的数字化过程中也引入了一些缺陷，其中一个重要的缺陷是端到端延时的增加。在模拟视频监控技术中，视频信号从采集、发送、传输、接收和显示都是以模拟信号的方式进行，整个处理环节引入的延时非常小，一般在10毫秒以下，在短距离传输下，甚至可以达到接近0毫秒的无延时状态；但是在数字视频监控技术中，从采集、编码、发送、传输、接收、解码和显示都是以数字信号的方式进行处理的，而数字化处理引入的延时要大于模拟化处理引入的延时。由于受编码器装置和解码器装置操作时间的限制，一个标准清晰度分辨率的数字编码/解码装置系统，其总体延时一般要大于150毫秒。延时的增大会带来诸如实时监控响应速度、用户云台调整手感等问题，进而影响用户对数字视频监控系统的认可。因此，减少数字化过程中额外引入的延时，正成为本技术领域工程人员非常关注的一个技术问题，本发明也将对系统中各个装置工作原理及其延时情况进行详细介绍。
数字视频监控系统的一个关键部分就是对数字视频信号的编码压缩和解码解压缩处理。采集得到的数字视频信号要使用国际视频编码标准H.26X或者MPEG-X系列编码方法进行编码，编码后的数据再通过网络进行传输，接收端再对接收到的编码数据进行解码并显示。实现编解码算法的装置，一般可以分为五种。具体包括通用处理器、嵌入式处理器、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片、FPGA(Field ProgrammableGate Array)和DSP(Digital Signal Processor)芯片。无论是那种装置来实现编解码算法，由于受限于目前集成电路技术水平，编解码装置的操作时间一般要在10毫秒这个数量级。数字视频监控系统中的另外两部分，采集器和显示器，都是行业内公知的标准化配件，其延时也都在10毫秒这个数量级。而网络收发器及其数据在网络设备上传输的延时则受载波物理形式和网络协议等因素影响。下面再对数字视频监控系统的整个运行过程作进一步介绍。
采用传统编解码装置的视频监控系统其结构一般如图1所示，依次由摄像器件110、采集器120、编码器130、网络发送器140、网络设备150、网络接收器160、解码器170、显示器180和显示屏幕190构成，其完整的操作过程为摄像器件110输出连续的视频画面，采集器120采集摄像器件110输出的视频画面，并且存放在采集器120内部的物理存储介质中，采集器120采集的视频画面是由大量的视频像素点阵组成的。视频像素点阵的采集或者显示顺序如图2所示。图2中的黑色圆点表示视频像素，箭头表示视频像素点阵采集或者显示的时间顺序。编码器130编码采集器120采集得到的视频画面，并且把编码后得到的编码数据转发给网络发送器140，网络发送器140再把编码数据通过载波信号的方式发送给网络设备150，在接收到网络设备150发送过来的载波信号并转换成已编码数据后，网络接收器160把已编码数据发送给解码器170，解码器170解码出视频画面并传送给显示器180，显示器180最后把视频画面显示到显示屏幕190上。
以上运行方式可以由下面5个主要操作过程表示1)首先采集器采集一幅视频画面，采集完毕后，发送信号通知编码器；2)编码器接收到信号后，编码压缩这幅视频画面，得到编码数据，编码器再把编码数据发送给网络发送器；3)网络发送器把编码数据发送到网络上，在接收端，网络接收器接收到编码数据，并把它转发给解码器；4)解码器解码已编码数据，恢复出先前被压缩的视频画面；5)视频画面被送给显示器显示到屏幕上。
在上述的操作过程中，若定义采集器开始采集视频画面的时刻为tb，定义解码后的视频画面被显示到屏幕上的时刻为te，则进一步定义此数字视频编解码装置的总延时为td＝tb-te。数字视频编解码装置的操作可以分为上述5个环节，每个操作环节都需要操作时间，所有的操作时间之和就为td，即td又可以表示成t1+t2+t3+t4+t5。在数字视频编解码装置的这种公开的传统运行方式中，总延时为上述5个主要环节的操作时间之和。本技术领域的技术人员都知道，操作环节1)和操作环节2)的操作时间t1、t2是相当的或者是在一个数据级的；操作环节4)和操作环节5)的操作时间t4、t5是相当的或者是在一个数据级的；操作时间t3取决于网络状态，在视频监控系统一般使用的以太网或者专网中，操作时间t3的数量级和其他操作环节相当。
发明内容
本发明提供了一种数字视频信号低延时编解码装置。
一种数字视频信号低延时编解码装置，包括用于采集视频画面并对采集到视频画面进行编码的采集/编码器；用于对编码数据进行解码并对解码后的视频画面进行显示的解码/显示器；采集/编码器和解码/显示器通过网络发送器、网络设备、网络接收器传输数据。
采用上述装置对数字视频信号进行编解码的过程，包括以下步骤1)首先将要编码的视频画面分为若干组视频片段，每组片段由N行视频像素点阵组成，采集/编码器采集完毕预先指定的第一组视频片段后开始进行编码压缩，编码完毕上一组视频画面后，再判断下一组视频画面是否采集完毕，若采集完毕，则继续编码下一组视频片段，否则一直等待，直到可以编码，至所有视频片段编码压缩完成后，采集/编码器将编码数据发送给网络发送器；2)解码/显示器接收到网络接收器转发过来的编码数据后，进行解码，并且将解码出来的视频画面分为若干组视频片段，每组片段由N行视频像素点阵组成，解码/显示器解码完毕预先指定的若干组视频片段后就开始进行显示。
其中N为16。
较传统数字视频信号编解码装置，本发明装置的编码装置不是在采集器采集完毕一幅视频画面后再开始对视频画面进行编码的，而是把视频画面分为L组，每组N行视频像素点阵，在采集器采集完毕预先指定的第一组N行视频像素点阵后就开始编码压缩的。在编码完毕上一组N行视频像素点阵后，再判断下一组N行视频像素点阵是否采集完毕，如果采集完毕，则继续编码下一组视频像素点阵，否则一直等待，直到可以编码。通过上述的操作方法，可以将传统编码装置中的操作步骤1)和2)进行合并。若采集器采集N行视频像素点阵的时间用t1N表示，编码器编码N行视频像素点阵的时间用t2N表示。如果t1N＞t2N时，采集和编码的总时间为t1+t2N，由于t2N远小于t1，因此上述操作的总时间可以近似表示为t1；如果t1N＜t2N时，采集和编码的总时间为t1N+t2，由于t1N远小于t2，因此上述操作总时间可以近似表示为t2。综合上面的表述，合并后的采集/编码器操作的总时间可以表示为max(t1，t2)。
本发明装置的解码装置也不是在解码器解码完毕一幅视频画面后再开始对视频画面进行显示的，而是把视频画面分为L组，每组N行视频像素点阵，在解码器解码完毕预先指定的m组N行视频像素点阵后就开始显示的。上述中m的取值范围为大于等于1，但远小于L。m的取值受解码器解码的操作时间和显示器显示的操作时间这两个因素决定。必须合理设置m的值。如果m设置的过小，会出现显示器要显示下一组N行视频像素点阵时，解码器还没有解码完毕这一组N行视频像素点阵的情况。本发明所涉及的解码器装置能保证解码N行视频像素点阵的时间小于显示器装置显示N行视频像素点阵的时间，所以设置m为1。本领域的技术人员知道，可以根据解码器和显示器两个装置的操作时间的大小比例关系，设置出一个合理的m值，使得显示和解码能正常地配合工作。通过上述的操作方法，可以把传统解码装置中的操作步骤4)和5)进行合并。解码器解码N行视频像素点阵的时间用t4N表示，而显示器显示N行视频像素点阵的时间用t5N表示，并且t4N＜t5N。因为t4N＜t5N，解码器解码和显示画面的总时间表示为t5+t4N，由于t4N远小于t5，因此上述操作的总时间可以近似表示为t5。
由于网络收发器部分未作改动，其操作时间仍为t3。
综上所述，本发明装置编解码的延时将减少为max(t1，t2)+t5，采用本发明装置的视频监控系统的总延时将减少为max(t1，t2)+t3+t5。
区别于传统编解码装置以一幅完整的视频画面为操作单位进行编解码，本发明装置是以一幅视频画面中的N行视频像素点阵作为操作单位进行编解码的，实现采集和编码同步，解码和显示同步，从而降低了数字视频信号编解码的延时。
图1为采用传统编解码装置的视频监控系统结构示意图；图2为视频画面的像素点阵构成图；图3为采用本发明装置的视频监控系统结构示意图；图4为本发明编码装置的工作流程图；图5为本发明解码装置的工作流程图；图6为传统编码装置的操作示意图；图7为本发明编码装置的操作示意图；图8为传统解码装置的操作示意图；图9为本发明解码装置的操作示意图。
具体实施例方式
图3所示为一种采用本发明编解码装置的视频监控系统，包括摄像器件310、用于采集视频画面并对采集到视频画面进行编码的采集/编码器320、网络发送器330、网络设备340、网络接收器350、用于对编码数据进行解码并对解码后的视频画面进行显示的解码/显示器360和显示屏幕370。本发明编解码装置将传统数字视频信号编解码装置的视频采集器和编码器在操作上合二为一成为采集/编码器，将传统数字视频信号编解码装置的解码器和显示器在操作上合二为一成为解码/显示器。
图4给出了本发明采集/编码器的详细操作流程图。
如图所示，首先将要编码的视频画面分为L组视频片段，每组片段由N行视频像素点阵组成，采集/编码器采集视频画面，当采集完毕预先指定的第一组视频片段后开始进行编码压缩，而且，在编码这一组N行视频像素的同时，采集/编码器还在后台继续采集剩余的视频像素点阵；编码完毕上一组视频片段后，再判断下一组视频片段是否采集完毕，若采集完毕，则继续编码下一组视频片段，否则一直等待，直到可以编码，至所有视频片段编码压缩完成后，采集/编码器将编码数据发送给网络发送器；采集/编码器的操作时间由传统采集器和编码器独立工作时需要的t1+t2减少到采集/编码器并行工作时需要的max(t1，t2)。
图5给出了本发明解码/显示器的详细操作流程图。
如图所示，解码/显示器接收到编码数据后，进行解码。解码/显示器解码完毕预先指定的m组视频片段后，就开始进行显示第一组N行视频像素点阵，在启动显示后，解码/显示器继续解码剩余的视频像素点阵。在显示完毕N行视频像素点阵后，判断是否还存在下一组视频像素点阵需要显示，如果没有了，说明本幅视频画面已经显示完毕，操作结束，否则的话，显示器继续显示下一组视频像素点阵。
由于本发明装置解码/显示器能保证解码N行视频像素点阵的时间要小于显示器显示N行视频像素的时间，所以系统参数m设置为1，并且显示器要显示下一组视频像素点阵时，解码器都已经解码完毕这一组视频像素点阵。
解码/显示器的操作时间由传统解码器和显示器独立工作时需要的t4+t5减少到解码/显示器并行工作时需要的t5。
在本发明编解码装置中，一个重要的系统参数需要被决定，它即为N行视频像素中的N这个参数。本领域的技术人员知道，编解码器内部的操作方法要遵守国际编码标准H.26X或者MPEG-X。在这些编码标准中都规定最小的编解码处理单位为宏块(MACROBLOCK)，宏块由16×16的视频像素点阵组成。所以在本发明编解码装置中，系统参数N设置为16。
通过图6至图8以及下面的文字进一步说明本发明所述编解码装置相对于传统编解码装置在操作方式上的差别。
图6所示为传统编码装置对视频画面的操作方式。它是以一幅视频画面为操作单位在采集完毕一幅视频画面后，采集器通知编码器开始编码这幅视频画面，在编码的同时，采集器继续采集下一幅视频画面。图7所示为本发明所述编码装置对视频画面的操作方式。它是以一段N行视频像素点阵为操作单位在采集完毕一段N行视频像素点阵后，编码器就开始编码这段视频像素点阵，在编码的同时，采集器继续采集视频画面的剩余视频像素点阵。通过对比图6和图7的不同操作方式可以知道，本发明是通过把传统采集器、编码器以视频画面为操作单位的帧间串行处理方式，改进成采集/编码器以一段N行视频像素点阵为操作单位的帧内并行处理方式，从而减少了采集、编码的处理延时。
图8所示为传统解码装置对视频画面的操作方式。它是以一幅视频画面为操作单位在解码完毕一幅视频画面后，解码器通知显示器开始显示这幅视频画面，在显示的同时，解码器继续解码下一幅视频画面。图9所示为本发明所述解码装置对视频画面的操作方式。它是以一段N行视频像素点阵为操作单位在解码完毕一段N行视频像素点阵后，显示器就开始显示这段视频像素点阵，在显示的同时，解码器继续解码视频画面的剩余视频像素点阵。通过对比图8和图9的不同操作方式可以知道，本发明是通过把传统解码器、显示器以视频画面为操作单位的帧间串行处理方式，改进成解码/显示器以一段N行视频像素点阵为操作单位的帧内并行处理方式，从而减少了解码、显示的处理延时。
权利要求
1.一种数字视频信号低延时编解码装置，包括用于采集视频画面并对采集到视频画面进行编码的采集/编码器(320)；用于对编码数据进行解码并对解码后的视频画面进行显示的解码/显示器(360)；采集/编码器(320)和解码/显示器(360)通过网络发送器(330)、网络设备(340)、网络接收器(350)传输数据。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于对数字视频信号进行编解码的过程包括以下步骤1)首先将要编码的视频画面分为若干组视频片段，每组片段由N行视频像素点阵组成，采集/编码器采集完毕预先指定的第一组视频片段后开始进行编码压缩，编码完毕上一组视频片段后，再判断下一组视频片段是否采集完毕，若采集完毕，则继续编码下一组视频片段，否则一直等待，直到可以编码，至所有视频片段编码压缩完成后，采集/编码器将编码数据发送给网络发送器；2)解码/显示器接收网络接收器传送的编码数据后，进行解码，并且将解码出来的视频画面分为若干组视频片段，每组片段由N行视频像素点阵组成，解码/显示器解码完毕预先指定的若干组视频片段后就开始进行显示。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于N为16。
全文摘要
本发明提供了一种数字视频信号低延时编解码装置，包括用于采集视频画面并对采集到视频画面进行编码的采集/编码器和用于对编码数据进行解码并对解码后的视频画面进行显示的解码/显示器；采集/编码器和解码/显示器通过网络发送器、网络设备、网络接收器传输数据。区别于传统编解码装置以一幅完整的视频画面为操作单位进行编解码，本发明装置是以一幅视频画面中的N行视频像素点阵作为操作单位进行编解码的，实现采集和编码同步，解码和显示同步，从而降低了数字视频信号编解码的延时。
文档编号H04N7/26GK1976464SQ20061015513
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月11日 优先权日2006年12月11日
发明者陈耀武 申请人:陈耀武