基于MPEG-4關(guān)鍵技術(shù)的視頻醫(yī)療系統(tǒng)
隨著無(wú)線多媒體應(yīng)用的出現(xiàn)和多數(shù)據(jù)服務(wù)的繁殖,無(wú)線服務(wù)被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)方面,在多媒體通訊中利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻和視頻信息變得更加重要。這就要求在多媒體信息處理中能夠動(dòng)態(tài)地、實(shí)時(shí)地處理聲音、動(dòng)畫(huà)以及視頻信號(hào),但是計(jì)算機(jī)難以實(shí)時(shí)地從存儲(chǔ)器中將圖像信息處理過(guò)程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)傳送到中央處理器,因此如果不對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理,要達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求幾乎是不可能的。這就要求在易產(chǎn)生誤碼的無(wú)線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全的低碼率編碼和傳輸,MPEG-4技術(shù)為此提供了實(shí)現(xiàn)的可能。
MPEG-4圖像壓縮技術(shù)針對(duì)一定比特率下的視頻、音頻編碼,強(qiáng)調(diào)了基于內(nèi)容的交互性。因此,利用MPEG-4編碼解碼技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)壓縮也就成為多媒體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中進(jìn)行無(wú)線視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。多媒體視頻會(huì)議系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它通過(guò)多媒體技術(shù)和通信技術(shù)的支持為跨地區(qū)的人們提供了一個(gè)相互交流、討論問(wèn)題和協(xié)同工作(CSCW)的環(huán)境,并產(chǎn)生“你見(jiàn)即我見(jiàn)”的效果。
多媒體視頻會(huì)議系統(tǒng)將大大提高人們的工作效率,并將改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的工作和交流模式,具有深遠(yuǎn)而又深刻的社會(huì)意義。視頻醫(yī)療系統(tǒng)是多媒體視頻會(huì)議系
1 MPEG-4關(guān)鍵技術(shù)
MPEG-4采用了基于對(duì)象第二代壓縮編碼技術(shù),并使用AV對(duì)象(Audio /VisualObject)進(jìn)行的可視化編碼,同時(shí)提供了許多基于內(nèi)容的交互性視頻服務(wù)功能,也支持傳統(tǒng)的流視頻。MPEG-4除了利用第一代視頻編碼的核心技術(shù)(如運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償、熵編碼)外,還提出了一些新的關(guān)鍵技術(shù):
1) 視頻對(duì)象分割MPEG-4的基于內(nèi)容的交互性最主要是通過(guò)對(duì)視頻對(duì)象的分割實(shí)現(xiàn)的。所謂的視頻對(duì)象分割,就是將視頻、圖像分割成不同的對(duì)象或是將運(yùn)動(dòng)對(duì)象從背景中分離出來(lái),進(jìn)而對(duì)不同的對(duì)象采用不同的編碼方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高效壓縮,比如對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象采用壓縮比較低、損失較小的方法,盡可能保留視頻對(duì)象的細(xì)節(jié)和平滑性;對(duì)背景對(duì)象采用大壓縮比的編碼策略,以取得壓縮效率和解碼圖像之間的較好的平衡?；究梢苑譃槿?通過(guò)濾波對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化;對(duì)視頻、圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取,比如顏色、紋理、運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)義等特征;最后是相關(guān)的后處理操作,以達(dá)到去噪和準(zhǔn)確提取邊界的目的。
由此可見(jiàn),MPEG-4編碼技術(shù)要求對(duì)圖像以及視頻作出更多的分析理解,而不同于過(guò)去的壓縮算法,只是去掉了幀內(nèi)和幀間的冗余。因此基于對(duì)象的編碼可以提高數(shù)據(jù)的壓縮比,視頻對(duì)象的分割(提取)技術(shù)也成為MPEG-4視頻編碼中的關(guān)鍵技術(shù)。
2) 視頻編碼可分級(jí)技術(shù)視頻分級(jí)編碼技術(shù)的目的是解決在不同傳輸特性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行視頻傳輸?shù)男枰?。視頻編碼的可分級(jí)性,指的是碼率的可調(diào)整性。也就是說(shuō),視頻編碼只壓縮一次,卻可以以多個(gè)幀率、空間分辨率或視頻質(zhì)量來(lái)進(jìn)行解碼,從而支持不同用戶的不同應(yīng)用需求。視頻編碼的分級(jí)技術(shù)是通過(guò)視頻對(duì)象層(VOL)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。有兩種基本的分級(jí)工具,分別是時(shí)域分級(jí)和空域分級(jí),同時(shí)也支持時(shí)域空域的混合分級(jí)。每一級(jí)編碼至少有兩層的VOL,低層(基本層)用來(lái)提供視頻序列的基本信息,高層(增強(qiáng)層)用來(lái)提供視頻序列的更高的分辨率和細(xì)節(jié)。
3) 運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)在視頻編碼中,運(yùn)動(dòng)估計(jì)相當(dāng)耗時(shí),對(duì)編碼的實(shí)時(shí)性影響很大。在運(yùn)動(dòng)估計(jì)部分,必須通過(guò)反復(fù)計(jì)算,以確定鄰近幀中宏模塊的相關(guān)性。通常使用塊匹配準(zhǔn)則進(jìn)行估計(jì),比如絕對(duì)誤差和( SAD)準(zhǔn)則和均方差(MSE)準(zhǔn)則,來(lái)選擇進(jìn)行一種最佳匹配操作來(lái)產(chǎn)生最佳匹配點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。例如,可以通過(guò)開(kāi)發(fā)MPEG-4 專用的適應(yīng)再同步、數(shù)據(jù)分割和數(shù)據(jù)恢復(fù)的句法單元來(lái)優(yōu)化比特流,使其具有固定容錯(cuò)能力。在大多數(shù)情況下,高壓縮比的視頻數(shù)據(jù)無(wú)法避免由信道退化帶來(lái)的誤碼影響。然而,只要通過(guò)采用一系列適當(dāng)?shù)姆椒ê凸ぞ邅?lái)減小誤碼的影響,高質(zhì)量的無(wú)線視頻傳輸是完全可能實(shí)現(xiàn)的。
2 MPEG-4技術(shù)的應(yīng)用———視頻醫(yī)療系統(tǒng)
通過(guò)以上對(duì)MPEG-4視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)的分析,可以看出, MPEG-4視頻編碼在視頻傳輸方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn): (1)基于內(nèi)容的交互性; (2)高效的編碼方法; (3)通用的訪問(wèn)性。
將視頻會(huì)議系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療過(guò)程的視頻醫(yī)療系統(tǒng)是視頻會(huì)議的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。在視頻醫(yī)療系統(tǒng)中,可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的應(yīng)用形式來(lái)進(jìn)行一對(duì)一的診療以及專家會(huì)診,還可以進(jìn)行醫(yī)療教學(xué)實(shí)踐等。視頻系統(tǒng)主要具有視頻的實(shí)時(shí)采集、同步壓縮、實(shí)時(shí)傳輸及回放的功能。也就是說(shuō)在傳送本地視頻的同時(shí),可以回放并監(jiān)控本地的視頻信息,另外還提供視頻的快照及存儲(chǔ)功能。圖1即為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型圖。
從圖1可以看出,在視頻醫(yī)療系統(tǒng)中,基于MPEG-4進(jìn)行的視頻采集及壓縮是關(guān)鍵步驟。在視頻醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于軟件的視頻壓縮算法極為耗時(shí),因此為了提高壓縮效率,在JMF 中引入了MPEG-4 壓縮算法插件, 采用了基于MPEG-4的視頻采集及傳輸技術(shù)來(lái)進(jìn)行視頻壓縮,同時(shí)輔以雙緩沖和多線程等技術(shù)。
視頻對(duì)象的交互和編解碼的一個(gè)重要前提就是利用視頻對(duì)象的分割技術(shù),通過(guò)運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)得到一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)信息和視覺(jué)特性的跟蹤,并最終得到視頻對(duì)象的跟蹤結(jié)果。在視頻采集線程將采集到的每一幀視頻圖像分別存放到視頻源緩沖區(qū)1和視頻源緩沖區(qū)2中,然后通過(guò)軟件壓縮線程對(duì)頻源緩沖區(qū)1和視頻源緩沖區(qū)2中的圖像進(jìn)行壓縮,并將壓縮后的結(jié)果分別保存到壓縮視頻緩沖區(qū)1和壓縮視頻緩沖區(qū)2中。在兩個(gè)視頻源緩沖區(qū)中至少
MPEG4壓縮算法壓縮比高,并且具有很好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。在使用MPEG-4壓縮算法的同時(shí)采用雙緩沖和多線程等技術(shù),可以使得圖像的采集、壓縮和傳輸并發(fā)執(zhí)行,大大提高CPU的使用效率,使視頻采集、壓縮和傳輸?shù)恼w性能得到很大的提高。
視頻采集壓縮的流程圖如圖2所示。
經(jīng)過(guò)視頻采集壓縮后獲取的圖像如圖3。
3 結(jié)語(yǔ)
由于MPEG-4的可量測(cè)性和柔韌性以及寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),可以預(yù)見(jiàn)到在不久的將來(lái)無(wú)線多媒體服務(wù)將成為時(shí)代的潮流。寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的MPEG-4視頻傳輸將成為不斷出現(xiàn)的多媒體應(yīng)用的一個(gè)重要組成部分。MPEG-4的低存儲(chǔ)容量和高清晰度的特點(diǎn),決定了MPEG-4在低帶寬網(wǎng)絡(luò)成為一種優(yōu)越的視頻壓縮方式。由此可以看出,在視頻醫(yī)療系統(tǒng)中進(jìn)行視頻壓縮時(shí),使用基于MPEG-4壓縮算法的插件進(jìn)行的一對(duì)一的視頻傳輸,可以獲得質(zhì)量較高的視頻圖像,并且基本能夠達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求,這是傳統(tǒng)的多點(diǎn)傳輸視頻系統(tǒng)無(wú)法做到的。
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