廣電總局設計院 袁華民 熊蔚明
1 背景概要介紹

　　圖像傳輸是現(xiàn)代社會每時每刻都在進行的工作，已經(jīng)成為社會日常生活中必不可少的信息產(chǎn)品，具體應用如：電視、電影、會議電視、視頻監(jiān)控、可視電話等。人類在接受信息的來源方面，靠眼睛攝入的圖像信息占80％以上。在現(xiàn)代社會，人們迫切需要了解正在發(fā)生的社會社會事件，而且人們不滿足于文字報道、語音報道，更需要從現(xiàn)場視頻圖像來看到真實直觀的場面。因此，圖像傳輸設備有著巨大的市場需求。

　　 電視廣播是目前實現(xiàn)遠程視頻圖像傳輸?shù)闹饕绞?。電視采取現(xiàn)場多角度攝像，通過衛(wèi)星或地面的專用通信線路把視頻信號傳送到電視臺、經(jīng)過導演切換控制后的畫面視頻信號再用另外的通信線路傳輸?shù)桨l(fā)射臺、由發(fā)射臺通過有線或無線信號方式播出，觀眾通過電視機實現(xiàn)圖像接收、觀看。這種電視廣播方式的好處是節(jié)省播出線路頗帶，8MHz帶寬的一路電視圖像可以提供幾十萬直至上千萬觀眾同時收看；但是由于其采用的廣播方式，必然帶來“電視臺播出什么，觀眾只能收看什么”的弊病，大大限制了觀眾的選擇性；在信息化社會中，人們自主選擇信息的需求越來越迫切，要求越來越高，單純的電視廣播方式不能滿足人們的需要，將要逐步過渡到交互式電視廣播。在現(xiàn)代社會，必需充分利用遍布的寬帶網(wǎng)絡和豐富的信息庫，實現(xiàn)信息的自由“點播”，才能滿足人們對信息獲取的個性化要求。

　　 為了實現(xiàn)遠程觀看現(xiàn)場圖像的要求，關鍵是解決圖像實時傳輸問題；而圖像的信息量巨大，在傳輸過程中需要很大的線路帶寬資源：模擬電視圖像占8MHz帶寬，數(shù)字電視原始圖像需要170Mbps的傳輸碼率；但是寬帶遠距離通信線路的使用費十分昂貴。因此，為了降低圖像傳輸?shù)馁M用，必需壓縮其占用的線路帶寬，即采用圖像信息壓縮技術；而圖像壓縮在模擬信號方式下無法實現(xiàn)，只能在數(shù)字信號方式下進行。

近幾年來，Internet蓬勃發(fā)展，而且逐步發(fā)展成為一個寬帶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，其觸角遍及各地，是一個使用十分方便的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。這樣，我們可以把現(xiàn)場的圖像數(shù)字比以后，經(jīng)過圖像壓縮處理，通過Internet傳輸?shù)饺魏涡枰獔D像的地方。

2 相關技術情況

　　 圖像信號是自然界發(fā)出的光通過物體反射后、進入人眼睛形成的物理信號，屬于模擬信號方式。如果需要對圖像信號進行數(shù)字化的處理、傳輸和存儲，事先必須完成圖像信號的光/電轉換和模擬/數(shù)字轉換；由于人的眼睛只能識別模擬物理信號，所以處理完畢后的數(shù)字信號還需要還原為模擬圖像信號，即完成數(shù)字/模擬轉換和電/光轉換。

　　 圖像數(shù)字化技術為圖像的計算機處理奠定基礎，它把物理的光信號轉換成為計算機可以識別的數(shù)值，以便于算法處理、遠程傳輸和長期存儲，實現(xiàn)了許多模擬技術難以完成的圖像表現(xiàn)功能；當然，數(shù)字化技術還包括把數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉換為人眼可見的模擬圖像信號這一過程。

　　 圖像壓縮技術可以在圖像不失真或少失真的情況下，降低圖像數(shù)據(jù)傳輸率、減小占用信道帶寬、減少占用數(shù)據(jù)存儲介質空間，是圖像信息處理的重要內(nèi)容。實際上，攜帶信息的圖像原始信號中存在著很大的信息冗余，按照不同的角度可以分成：空間允余——二維圖像的物體和背景在其物理表面上的光學相關性；時間冗余——運動圖像在時間上存在著相關性；知識冗余——由于存在著先驗知識和背景知識，使得需要傳輸?shù)男畔⒘繙p少；視覺冗余——人的眼睛對某些圖像特征不敏感，這些特征信息可以不在圖像數(shù)據(jù)中出現(xiàn)；編碼冗余——攜帶信息的符號熵大于信息熵，這種符號數(shù)據(jù)中就存在冗余。既然圖像數(shù)據(jù)中存在信息冗余，就有可能對圖像數(shù)據(jù)量進行壓縮，針對數(shù)據(jù)冗余的類型不同，可以有多種不同的數(shù)據(jù)壓縮方法。

　　 常見的專用圖像壓縮技術有：JPEG，MPEG，H.26I，小波變換等。MPEG—II可以把數(shù)字電視近200Mbps的碼率壓縮到5Mbps，把高清晰度電視1Gbps的碼率壓縮25Mbps。這樣，借助某種高效率數(shù)字調(diào)制方法，現(xiàn)在用于傳送一路模擬電視的信道帶寬，可以用來傳送四路數(shù)字電視和一路高清晰度電視。MPEG—I使標準視頻（CIF）信號40Mbps的碼率壓縮到1.2Mbps，讓一張VCD視盤能存入一個75分鐘的影視節(jié)目。目前的圖像壓縮技術可以做到：在人眼的敏感范圍內(nèi)，靜態(tài)圖像壓縮率為50∶1，活動圖像壓縮率可達50—200∶1。

　　 在活動圖像的壓縮技術中，除了MPEG—II專用于電視廣播以外，應用廣泛的技術莫過于MPEG—IV。MEPG－IV主要解決在甚低速率（64kbps以內(nèi)）通信線路上傳輸一定質量圖像的問題，同時實現(xiàn)多媒體信息的共同傳輸。主要用于移動通信和個人通信，可以拓展到目前的Internet上應用。今后MPEG—IV圖像壓縮技術可能應用的具體產(chǎn)品包括：多媒體電腦、掌上電腦、網(wǎng)絡電視、遠程視頻監(jiān)控、視頻會議、可視電話等。

　　 Internet是20世紀對人類社會影響的信息傳輸技術。Internet的理論基礎是分組交換，硬件基礎是Ethernet、光纖通信和大規(guī)模集成電路，軟件基礎是TCP／IP，Windows和JAVA，應用方式有WEB，Email，F(xiàn)TP等，總之Internet的出現(xiàn)正在改變者社會生活的方方面面。

　　 利用Internet實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)暮锰幨牵憾喾N信息共同傳輸，形成多媒體信息流；較低的運行費用，即無需繳納長途電信費用，只需繳付Internet使用費，甚至可以固定月租費，大大降低了圖像傳輸費用；傳輸可靠、具有很高的傳輸質量；Internet接口標準、協(xié)議通用，使用十分方便。隨著Internet的普及，人類社會已經(jīng)進入了網(wǎng)絡時代，到達一個被稱為后PC的時代。我們不僅用PC能上網(wǎng)，用各式各樣的嵌入式設備也能上網(wǎng)，如掌上電腦、個人數(shù)字助理（PDA）、移動電話、TV機頂盒等信息電器都可以實現(xiàn)上網(wǎng)功能。這些信息電器無一例外均采用嵌入式計算機系統(tǒng)。嵌入式計算機系統(tǒng)是界于單片機系統(tǒng)和臺式機系統(tǒng)之間的新型計算機系統(tǒng)，它一方面具有單片機結構簡單、體積小、耗電省、低成本的特點，同時還具備臺式機處理能力強、有*作系統(tǒng)支持等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在各種信息電器中廣泛使用。

3 技術應用情況

　　 在掌握了圖像數(shù)字化、數(shù)字圖像壓縮、嵌入式計算機系統(tǒng)、Internet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g的基礎上，可以進行相關應用產(chǎn)品的開發(fā)，如：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠程視頻會議系統(tǒng)、可視電話等。這些產(chǎn)品目前在社會上已經(jīng)有著一定的應用，其功能和作用已經(jīng)被市場認可，把上述新技術運用到這些產(chǎn)品上，將產(chǎn)生功能、性能的倍增效益，大大提高這些產(chǎn)品的可用性．會極大地推廣這些產(chǎn)品的市場使用量。

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　 視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前已經(jīng)成為安全技術防范體系中的一個重要組成部分，它通過固定攝像機和可遙控攝像機直接觀看被監(jiān)視場所，可以把被監(jiān)視場所現(xiàn)場的圖像和聲音內(nèi)容通過通信線路傳送到監(jiān)控中心，同時視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可以與防盜報警等其它安全防范體系聯(lián)動運行，使得防范能力更加強大。

　　 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。在九十年代初以前，主要是以模擬設備為主的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，稱為代模擬監(jiān)控系統(tǒng)。九十年代中期，利用計算機的多媒體技術來實現(xiàn)監(jiān)控，稱為第二代數(shù)字化本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)。九十年代末以來，以網(wǎng)絡為依托，以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲和播放為，以實用的智能圖像分析為特色，引發(fā)了視頻監(jiān)控行業(yè)的技術革命，視頻監(jiān)控步入了全數(shù)字化時代，是視頻圖像監(jiān)控的技術，稱為第三代遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

　　 第三代遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以數(shù)字視頻處理技術為，綜合利用光電傳感器、數(shù)字化圖像處理、嵌入式計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、自動控制和人工智能等技術的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有本地數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)所具有的計算機快速處理能力、數(shù)字信息抗干擾能力、便于快速查詢記錄、視頻圖像清晰及單機顯示多路圖像等優(yōu)點，而且依托網(wǎng)絡，真正發(fā)揮了寬帶網(wǎng)絡的優(yōu)勢，通過IP網(wǎng)絡，把監(jiān)控中心和網(wǎng)絡可以到達的任何地方的監(jiān)控目標組合成一個系統(tǒng)，適應了當前辦公樓設備管理數(shù)字比、網(wǎng)絡化和智能化的發(fā)展趨勢。

　　在監(jiān)控領域中，數(shù)字化和網(wǎng)絡化是一種發(fā)展趨勢。監(jiān)控系統(tǒng)從初的模擬監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到基于PC多媒體卡的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，解決了視頻質量和數(shù)據(jù)存儲的問題，大量的局部監(jiān)控系統(tǒng)得以建立。但網(wǎng)絡帶寬的不足和音視頻編解碼技術的限制，使得網(wǎng)絡化的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展緩慢。隨著寬帶網(wǎng)絡的迅速普及和多媒體及Internet技術的發(fā)展，特別是IP網(wǎng)絡和MPEG4技術的逐步成熟，網(wǎng)絡化的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)進入大規(guī)模商業(yè)應用階段。

3．2 視頻會議系統(tǒng)

　　 遠程視頻會議系統(tǒng)能夠節(jié)省會議時間、提高會議效率、加快會議做出決定的進程，為部門和企業(yè)大大節(jié)省會議開支，同時減少人們?yōu)榱藚⒓痈鞣N會議而頻繁出差帶來的勞累；而且由于減少了人們的出行，降低了交通運輸壓力，還為環(huán)境保護作出了貢獻。早期的遠程會議系統(tǒng)稱為電視會議，目前已經(jīng)發(fā)展成為多媒體會議系統(tǒng)。多媒體會議系統(tǒng)的設計原則是利用全面的信息流來交換與會者的思想，信息流中不僅包含活動圖像、聲音，還有靜止圖形、文字材料等，而且可以提供參會者共同使用的電子白板和文字交談程序，以便與會者有一個高度共享的空間來充分交流。視頻會議系統(tǒng)是信息化社會的標志之一。2001年全世界視頻會議系統(tǒng)設備的市場已經(jīng)超過了10億美元。

3.3 視頻點播系統(tǒng)

　　 隨著圖像壓縮技術的成熟和家庭寬帶接入網(wǎng)絡的實現(xiàn)，在圖像服務器和流媒體技術的支持下，在家里實現(xiàn)電視/電影節(jié)目的即點即播成為現(xiàn)實。觀眾從被動收看節(jié)目的電視廣播接收方式轉變?yōu)橹鲃舆x擇的節(jié)目點播方式，是大眾文化娛樂方式的根本轉變。

　　 上個世紀90年代出現(xiàn)的視頻點播系統(tǒng)，因為需要極其豐富的寬帶網(wǎng)絡資源、導致系統(tǒng)運行成本過高，無法大規(guī)模推廣使用。如果切實解決了圖像信息壓縮技術實現(xiàn)問題，再加上寬帶Internet的普及，視頻點播的實際應用就為時不遠了。

3.4 有線電視監(jiān)測

　　 電視是采取廣播方式給觀眾傳送節(jié)目的，廣播是一種單方向的信息傳輸，電視臺要了解節(jié)目傳送質量，必須建立一個專用的電視節(jié)目監(jiān)測網(wǎng)，從各地的節(jié)目取樣點把圖像和聲音回傳電視臺，以便監(jiān)督電視節(jié)目在各地的傳輸質量，保證觀眾收看電視節(jié)目的質量。大量節(jié)目取樣點的圖像回傳必然耗費巨大的通信線路帶寬，如果利用圖像壓縮技術，通過Internet把監(jiān)測點的節(jié)目圖像傳回電視臺，就可以大大節(jié)省監(jiān)測工作的費用。建立全國有線廣播電視監(jiān)測網(wǎng)，采用高技術手段，對全國有線廣播電視傳輸覆蓋網(wǎng)播出的內(nèi)容和傳輸質量進行遠程實時監(jiān)測，實現(xiàn)對全國各有線廣播電視播出前端和網(wǎng)絡的播出內(nèi)容和傳輸質量進行監(jiān)測，準確了解事故位置；及時發(fā)現(xiàn)播出中的重大停、劣播事故，全面了解全國有線廣播電視播出內(nèi)容和網(wǎng)絡運行情況，提高中央對網(wǎng)絡的監(jiān)管能力，可以提高管理部門處理突發(fā)事件的能力和管理水平，確保有線廣播電視播出和傳輸安全。（全文完）