多通道视频信号的静态图像编码方法
【专利摘要】本发明利用步骤S1实现了多通道信号自检流程，利用步骤S2和S3实现了通道切换与锁定控制流程，最终利用步骤S4至S7实现了JPEG编码与码流控制流程。故而，本发明能在1Mbps信道中对多通道进行实时静态图像JPEG压缩编码，能自动完成通道锁定判断、帧频判断及阈值计算，通过基于图像帧大小的实时码流控制技术将信道利用率提升至90％以上，并能将编码图像输出延时控制在800ms以内。
【专利说明】多通道视频信号的静态图像编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多媒体数据压缩编码【技术领域】，尤其涉及一种多通道视频信号的静态 图像编码方法。
【背景技术】
[0002] 随着空间监视技术的不断发展，其在航天领域中对于监视的广度需求也越来越 高，此时航天器中图像的通道数增长明显。为了能够满足三通道图像的监视需求，编码技 术需要同时完成三通道静态图像的编码，实现空间监视设备的多路图像成像编码功能的需 求。同时由于空间应用中对实时性的要求以及对信道带宽的限制，航天领域极需实时性高、 图像质量高的编码方法。
[0003] 对于静态图像编码，采用JPEG编码方式进行数据压缩。JPEG编码方式具有算法简 单、图像质量较好的优点，可满足监视应用中的图像编码需求。但以数字信号处理器为载体 实现的JPEG编码方法存在码流和延时难控的缺点。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是如何解决多通道视频信号的编码方法中，码流和延时 难控的问题
[0005] 为了解决这一技术问题，本发明提供了一种多通道视频信号的静态图像编码方 法，包括如下步骤：
[0006] S1 :逐一完成多个通道的自检，并标记无效通道，完成后进入步骤S2 ;
[0007] S2 :接收传输而来的视频信号；
[0008] 当当前通道为步骤S1中标记的无效通道时，则切换至下一个通道；
[0009] 当当前通道非步骤S1中标记的无效通道时，统计得到该通道锁定所需时间；并输 出相应的图像用以编码；然后切换至下一个通道；
[0010] S3:重复步骤S2,直至完成了三次所有有效通道的锁定，统计得到其中每次所有 有效通道锁定所需时间，计算得到近三次通道锁定所需的平均时间，进而得到相应的平均 帧频；
[0011] S4 :依据步骤S3得到的平均帧频确定当下的编码长度的判定阈值；
[0012] S5:比较上一帧图像的编码长度与步骤S4得到当下的编码长度的判定阈值，从而 依据比较结果第一次修正编码的量化因子；
[0013] S6 :比较输出缓冲区大小与预设的缓冲区大小阈值，从而依据比较结果对步骤S5 得到的量化因子进行第二次修正；
[0014] S7 :依据修正后的量化因子进行当下一帧图像的编码。
[0015] 在所述步骤S1中，单个通道的自检过程至少包括：等待当前通道锁定，若500毫秒 后仍未锁定，则判断该通道为无效通道。
[0016] 在所述步骤S2中，统计得到该通道锁定所需时间的过程中，先统计得到该通道信 号锁定所需的帧数n，然后依据以下公式计算得到该通道锁定所需时间Τ1()Λ :
[0017] Tlock= (n+l)/F [0018] 其中，F为输入帧频。
[0019] 在所述步骤S2中，对于任意一个有效通道，若其超过15帧后仍未锁定，，则该通道 信号锁定所需的帧数的统计值η取15,并将第16帧图像强制输出。
[0020] 在所述步骤S2中，对于任意一个有效通道，
[0021] 若所记录的锁定所需的帧数大于7帧时，则取该记录的帧数为该通道信号锁定所 需的帧数的统计值η，并输出下一帧图像；
[0022] 若所记录的锁定所需的帧数不大于7时，则该通道信号锁定所需的帧数的统计值 η取7,并输出第8帧图像；
[0023] 在所述步骤S3中，得到平均帧频的过程包括：
[0024] 先依据以下公式计算得到近三次通道锁定所需的平均时间T1(x;kavg :
[0025] Tlockavg - (Tlockl+Tlock_2+Tlock_ 3) /3
[0026] 其中，Τ1()Λ、Τ1()Λ 2、Τ1()Λ 3为近三次所有有效通道的锁定时间；
[0027] 然后，依据以下公式计算得到相应的平均帧频Favg :Favg = lAT1(X;kavg)。
[0028] 在所述步骤S4中，当下的编码长度的判定阈值Nth通过以下公式确定：
[0029] Nth = 0. 95B/Favg ；
[0030] 其中，B为输出信道的带宽。
[0031] 在所述步骤S5中，
[0032] 若Nlst落在95% Nth与105% Nth之间，则量化因子Q不做修正；
[0033] 若Nlst落在90% Nth与100% Nth之间，则量化因子Q在原值上增加5 ;
[0034] 若Nlst落在100% Nth与110% Nth之间，则量化因子Q在原值上减小5 ;
[0035] 若Nlst小于90% Nth，则量化因子Q在原值上增加10 ;
[0036] 若Nlst大于110% Nth，则量化因子Q在原值上减小10 ;
[0037] 其中，Nlst为上一帧图像的编码长度，Nth为当下的编码长度的判定阈值心。
[0038] 在所述步骤S6中，所述预设的缓冲区大小阈值设为500kb ;
[0039] 若输出缓冲区大小落在500kb到800kb的范围内，则量化因子Q减小5 ;
[0040] 若输出缓冲区大小超过800kb，则量化因子减小10。
[0041] 在所述步骤S7之前还包括如下步骤：
[0042] 若步骤S6修正后得到的量化因子不大于20,则量化因子修正为20 ;
[0043] 若步骤S6修正后得到的量化因子不小于100,则量化因子修正为100。
[0044] 可选的，通道的数量不大于六个。
[0045] 本发明利用步骤S1实现了多通道信号自检流程，利用步骤S2和S3实现了通道切 换与锁定控制流程，最终利用步骤S4至S7实现了 JPEG编码与码流控制流程。故而，本发明 能在1Mbps信道中对多通道进行实时静态图像JPEG压缩编码，能自动完成通道锁定判断、 帧频判断及阈值计算，通过基于图像帧大小的实时码流控制技术将信道利用率提升至90% 以上，并能将编码图像输出延时控制在800ms以内。利用本发明可以实现多通道视频信号 的静态图像编码以及提升信道利用率、降低数据延时的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0046] 图1为本发明一实施例中的硬件载体；
[0047] 图2为本发明一实施例中三通道视频信号的编码方法的流程图；
[0048] 图3为本发明提一实施例中三通道切换与锁定控制流程的流程图。
[0049] 图4为本发明一实施例中修正量化因子的JPEG编码的流程图。
【具体实施方式】
[0050] 以下将结合图1至图4对本发明提供的多通道视频信号的静态图像编码方法进行 详细的描述，其为本发明一可选的实施例，可以认为，本领域的技术人员在不改变本发明精 神和内容的范围内对其进行修改和润色。
[0051] 本实施例以三通道为例进行阐述，应认为，无论几通道，都是本发明力求保护的方 案之一。可选的，通道的数量不大于六个。
[0052] 图1为本发明一实施例中的硬件载体，包括了视频数模A/D、数字信号处理器以及 各种借口和存储装置。
[0053] 本发明提供了一种多通道视频信号的静态图像编码方法，具体到本实施例中，提 供了一种三通道视频信号的静态图像编码方法，包括步骤S1至S6,请参考图1和图2,以下 逐步骤展开进行阐述。
[0054] S1 :逐一完成多个通道的自检，并标记无效通道，完成后进入步骤S2 ;
[0055] 在所述步骤S1中，单个通道的自检过程至少包括：等待当前通道锁定，若500毫秒 后仍未锁定，则判断该通道为无效通道。
[0056] 在本实施例中，起始时先完成三个通道的自检，具体方法为先判定当前通道锁定 寄存器值（默认为1通道），若信号在500ms后未锁定则判断当前通道无图像数据，接着按 上述步骤完成其余通道的自检及无效通道的标记。
[0057] 请参考图3,并结合其他附图：
[0058] S2 :接收传输而来的视频信号；
[0059] 当当前通道为步骤S1中标记的无效通道时，则切换至下一个通道；
[0060] 当当前通道非步骤S1中标记的无效通道时，统计得到该通道锁定所需时间；并输 出相应的图像用以编码；然后切换至下一个通道；
[0061] 在所述步骤S2中，统计得到该通道锁定所需时间的过程中，先统计得到该通道信 号锁定所需的帧数n，然后依据以下公式计算得到该通道锁定所需时间Τ 1()Λ :
[0062] Tlock= (n+l)/F
[0063] 其中，F为输入帧频。
[0064] 在所述步骤S2中，对于任意一个有效通道，若其超过15帧后仍未锁定，，则该通道 信号锁定所需的帧数的统计值η取15,并将第16帧图像强制输出。
[0065] 在所述步骤S2中，对于任意一个有效通道，
[0066] 若所记录的锁定所需的帧数大于7帧时，则取该记录的帧数为该通道信号锁定所 需的帧数的统计值η，并输出下一帧图像；
[0067] 若所记录的锁定所需的帧数不大于7时，则该通道信号锁定所需的帧数的统计值 η取7,并输出第8帧图像；
[0068] S3 :重复步骤S2,重复至少三轮所有有效通道的锁定，通常，有效通道是依次锁定 的，完成一轮所有有效通道的锁定，即指完成了一次所有有效通道的锁定，也可描述为，重 复步骤S2,直至完成了三次所有有效通道的锁定，统计得到其中每次所有有效通道锁定所 需时间，计算得到近三次所有通道锁定所需的平均时间，也可描述为平均计算每轮所有通 道锁定所需的时间，进而得到相应的平均帧频；在所述步骤S3中，得到平均帧频的过程包 括：
[0069] 先依据以下公式计算得到近三次所有通道锁定所需的平均时间T1(x;kavg :
[0070] Tlockavg - (Tlockl+Tlock_2+Tlock_ 3) /3
[0071] 其中，T1(x;k 2、T1(X;k 3为近三次所有有效通道的锁定时间，具体来说Τ1()Λ」是第 一次完成所有通道锁定所需时间，Τ1()Λ 2是第二次完成所有通道锁定所需时间，Τ1()Λ 3是第 三次完成所有通道锁定所需时间，每一次的过程中，通道都是依次切换，逐个锁定，记录下 每个通道的锁定时间后，就可得到一次完成所有通道锁定所需的时间；
[0072] 然后，依据以下公式计算得到相应的平均帧频Favg : _] Favg= l/(Tlockavg)〇
[0074] 如图2所示，步骤S2至S3也可视作通道切换与锁定控制流程，进入通道切换与锁 定控制流程后，切换至当前通道进行有效通道判定，通过后再统计通道锁定时间与平均锁 定时间，以此计算出平均帧频并进行通道切换。
[0075] 在本实施例中，可具体化描述为以下：
[0076] 1)根据自检结果判定当前通道是否为有效，若有效则进入通道锁定判定状态，若 无效则进入通道切换状态；
[0077] 2)当前通道锁定且帧数超过7帧后将下一帧图像输出，若超过15帧后通道仍未锁 定则将第16帧图像强制输出，计算当前通道锁定所需要的时间；输入帧频为F为25fps，故 当前通道锁定时间计算如下，单位为s，
[0078] Tlock= (n+l)/25
[0079] 其中η为通道信号锁定所需帧数
[0080] 3)判定是否完成三次有效通道切换，若是，则计算近三通道的平均帧频并将切换 次数清零，若不是则进入通道切换状态；
[0081] 平均锁定时间 TlQekavg = (TlQek_2+WTlQek)/3
[0082] 平均帧频Favg = 1八11。如8)
[0083] 对于以上的内容，须知，如何判定是否实现了锁定属于本领域的常识，一旦实现了 这一判定，自然可以实现判定所需帧数的统计记录。本实施例中，请参考图1，其中AD器件 为视频信号数模转换芯片，可通过数字信号处理器向其内部通道寄存器写入选定通道值来 切换通道，同时还可以访问该AD芯片的通道锁定状态寄存器来确认当前通道的视频信号 是否已锁定。切换通道后，该寄存器值会置为"0"，且AD芯片会对切换后的当前通道视频信 号重新进行锁定判断，并在实现锁定后将寄存器值置为" 1"。一般的，对于所有通道而言，该 种变化是一致的，所以，只要判断寄存器是否变为"1"，就可以判断是否实现了视频信号的 锁定。
[0084] 请参考图4,并结合其他附图：
[0085] S4 :依据步骤S3得到的平均帧频确定当下的编码长度的判定阈值；
[0086] 在所述步骤S4中，当下的编码长度的判定阈值Nth通过以下公式确定：
[0087] Nth = 0. 95B/Favg ；
[0088] 其中，B为输出信道的带宽。
[0089] S5 :比较上一帧图像的编码长度与步骤S4得到当下的编码长度的判定阈值，从而 依据比较结果第一次修正编码的量化因子；
[0090] 在所述步骤S5中，
[0091] 若Nlst落在95% Nth与105% Nth之间，则量化因子Q不做修正；
[0092] 若Nlst落在90% Nth与100% Nth之间，则量化因子Q在原值上增加5 ;
[0093] 若Nlst落在100% Nth与110% Nth之间，则量化因子Q在原值上减小5 ;
[0094] 若Nlst小于90% Nth，则量化因子Q在原值上增加10 ;
[0095] 若Nlst大于110% Nth，则量化因子Q在原值上减小10 ;
[0096] 其中，Nlst为上一帧图像的编码长度，Nth为当下的编码长度的判定阈值N th。
[0097] S6 :比较输出缓冲区大小与预设的缓冲区大小阈值，从而依据比较结果对步骤S5 得到的量化因子进行第二次修正；
[0098] 在所述步骤S6中，所述预设的缓冲区大小阈值设为500kb ;
[0099] 若输出缓冲区大小落在500kb到800kb的范围内，则量化因子Q减小5 ;
[0100] 若输出缓冲区大小超过800kb，则量化因子减小10。
[0101] S7 :依据修正后的量化因子进行当下一帧图像的编码。
[0102] 在所述步骤S7之前，S6之后还包括如下步骤：
[0103] 若步骤S6修正后得到的量化因子不大于20,则量化因子修正为20 ;
[0104] 若步骤S6修正后得到的量化因子不小于100,则量化因子修正为100。
[0105] 如图2所示，步骤S4至S7之间的步骤也可视作JEPG编码与码流控制流程。亦可 描述为进行当前通道静态图像JPEG编码，实时判定当前编码帧图像大小，根据阈值范围修 正JPEG编码量化因子，同时判定缓冲区大小与设定阈值间的关系并进行再修正，并将编码 数据输出。
[0106] 具体来说，在本实施例中，JPEG编码与码流控制流程对接收到的图像按JPEG算法 进行编码，实时调整JPEG压缩编码时的量化因子，提高压缩码流实时性和信道利用率，具 体做法如下：
[0107] 1)按所计算出的量化因子Q值对当前帧进行JPEG图像编码并输出，以70 (范围 0?100)作为JPEG压缩的默认量化因子值Qdef对第一帧图像进行编码并输出，而后进行通 道切换；
[0108] 2)以Fdef = 3fps作为初始帧频计算出编码长度的默认阈值Ndef = 317Kb，以步骤 S3中计算的平均帧频为基准更新当前图像数据的判定阈值Nth，单位为Kb，公式如下，其中B 为输出信道带宽，单位Kbps。
[0109] Nth= (BXO. 95)/Favg
[0110] 3)以计算的判定阈值为基准，判定上一帧图像编码长度Nlst，计算该长度与阈值长 度的差异。若当前帧编码长度落在阈值N thX (1 ±5% )范围，量化因子不变；若当前帧编码 长度落在（NthX (l±5%)，NthX (1±10%))范围，量化因子在原有值上减加5 ;若当前帧编 码长度超出阈值NthX (1± 10% )范围，量化因子在原有值上减加10。
[0111] 4)在完成以上第3)步后对输出缓冲区大小Dbuf进行判定，设定判定阈值为500Kb， 若当前缓冲区大小在500Kb?800Kb，量化将量化因子减5,若超过800Kb，将量化因子减 10。
[0112] 5)判定当前计算Q值的大小，若小于20则将Q值赋值为20,若大于100则将Q值 赋值为100,其余情况Q值不做修正。
[0113] 6)等待通道锁定并释放后，将该数值作为图像编码时的量化因子，并以该值作为 下下一帧的编码量化因子计算的参考值。
[0114] 本发明利用步骤S1实现了多通道信号自检流程，利用步骤S2和S3实现了通道切 换与锁定控制流程，最终利用步骤S4至S7实现了 JPEG编码与码流控制流程。故而，本发明 能在1Mbps信道中对多通道进行实时静态图像JPEG压缩编码，能自动完成通道锁定判断、 帧频判断及阈值计算，通过基于图像帧大小的实时码流控制技术将信道利用率提升至90% 以上，并能将编码图像输出延时控制在800ms以内。利用本发明可以实现多通道视频信号 的静态图像编码以及提升信道利用率、降低数据延时的目的。
【权利要求】
1. 一种多通道视频信号的静态图像编码方法，包括如下步骤： 51 :逐一完成多个通道的自检，并标记无效通道，完成后进入步骤S2 ; 52 :接收传输而来的视频信号； 当当前通道为步骤S1中标记的无效通道时，则切换至下一个通道； 当当前通道非步骤S1中标记的无效通道时，统计得到该通道锁定所需时间；并输出相 应的图像用以编码；然后切换至下一个通道； 53 :重复步骤S2,直至完成了三次所有有效通道的锁定，统计得到其中每次所有有效 通道锁定所需时间，计算得到近三次所有通道锁定所需的平均时间，进而得到相应的平均 帧频； 54 :依据步骤S3得到的平均帧频确定当下的编码长度的判定阈值； 55 :比较上一帧图像的编码长度与步骤S4得到当下的编码长度的判定阈值，从而依据 比较结果第一次修正编码的量化因子； 56 :比较输出缓冲区大小与预设的缓冲区大小阈值，从而依据比较结果对步骤S5得到 的量化因子进行第二次修正； 57 :依据修正后的量化因子进行当下一帧图像的编码。
2. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S1中，单个通道的自检过程至少包括：等待当前通道锁定，若500毫秒后仍未锁定，则判 断该通道为无效通道。
3. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S2中，统计得到该通道锁定所需时间的过程中，先统计得到该通道信号锁定所需的帧数 n，然后依据以下公式计算得到该通道锁定所需时间Τ1()Λ : Tiock = (n+l)/F 其中，F为输入帧频。
4. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S2中，对于任意一个有效通道，若其超过15帧后仍未锁定，则该通道信号锁定所需的帧 数的统计值η取15,并将第16帧图像强制输出。
5. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S2中，对于任意一个有效通道， 若所记录的锁定所需的帧数大于7帧时，则取该记录的帧数为该通道信号锁定所需的 帧数的统计值η，并输出下一帧图像； 若所记录的锁定所需的帧数不大于7时，则该通道信号锁定所需的帧数的统计值η取 7,并输出第8帧图像。
6. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S3中，得到平均帧频的过程包括： 先依据以下公式计算得到近三次所有通道锁定所需的平均时间T1(K;kavg : Tlockavg - (T1〇ckj+T1〇ck_2+T1〇ck_ 3) /3 其中，T1(x;k、TlTCk 2、TlTCk 3为近三次所有有效通道的锁定时间； 然后，依据以下公式计算得到相应的平均帧频Favg : Favg (T]_〇ckavgj 0
7. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S4中，当下的编码长度的判定阈值Nth通过以下公式确定： Nth = 0. 95B/Favg ； 其中，B为输出信道的带宽。
8. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S5中， 若Nlst落在95% Nth与105% Nth之间，则量化因子Q不做修正； 若Nlst落在90% Nth与100% Nth之间，则量化因子Q在原值上增加5 ; 若Nlst落在100% Nth与110% Nth之间，则量化因子Q在原值上减小5 ; 若Nlst小于90% Nth，则量化因子Q在原值上增加10 ; 若Nlst大于110% Nth，则量化因子Q在原值上减小10 ; 其中，Nlst为上一帧图像的编码长度，队h为当下的编码长度的判定阈值Nth。
9. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S6中，所述预设的缓冲区大小阈值设为500kb ; 若输出缓冲区大小落在500kb到800kb的范围内，则量化因子Q减小5 ; 若输出缓冲区大小超过800kb，则量化因子减小10。
10. 如权利要求1所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征在于：在所述步 骤S7之前还包括如下步骤： 若步骤S6修正后得到的量化因子不大于20,则量化因子修正为20 ; 若步骤S6修正后得到的量化因子不小于100,则量化因子修正为100。
11. 如权利要求1至10任意之一所述的多通道视频信号的静态图像编码方法，其特征 在于：通道的数量不大于六个。
【文档编号】H04N7/18GK104159107SQ201410447134
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】冯书谊, 黎泽清, 袁杰, 沈霁, 徐起, 叶盛, 刘江澜, 梁志林 申请人:上海航天电子通讯设备研究所