道路交通场景监控视频编码分析

韩强

摘要：基于视频监控技术水平的不断提高，以及监控视频设备的普及应用，视频监控已经成为安全管理体系重要组成部分。就道路交通安全管理而言，给予监控视频设备大量使用，可对道路交通场景进行实时监管，以便及时道路交通问题，进行道路交通安全管理与维护。基于道路交通场景监控视频设备的规模化建设，对监控视频数据处理分析提出了更高要求。如何做好道路交通场景监控视频编码工作，在保证监控视频质量的同时，提高数据传输效率，节约数据存储空间成为人们关注重点问题。本研究根据道路交通场景视频监控需求，结合交通监控视频编码特点，提出一种改进HEVC编码，试验结果显示该编码应用效果较好，可在保证视频质量，满足道路交通场景监控需求的同时，节约资源。

关键词：道路交通;场景监控;视频编码;视频压缩;HEVC编码

引言：

道路交通场景监控视频是道路交通场景监控系统重要组成部分，在事故隐患消除、安全制度落实、重要地点交通调度、车辆行为规范等方面发挥着至关重要的作用。基于近些年道路交通场景监控系统建设规模的不断扩大，道路交通场景监控视频数据大量积累，对系统传输、存储等提出了更高要求。监控视频编码作为与监控视频质量、视频数据传输、视频数据存储相关的核心技术，得到人们越来越多关注，其改进与应用成为协调监控视频质量、监控视频传输速度、监控视频存储空间的重要举措。目前，关于监控视频编码已提出多种方案，且各具优势，本研究为突出道路交通场景监控视频特征，满足道路交通场景监控视频需求，提出一种改进HEVC编码，以供参考。

1视频监控需求分析

基于监控技术水平的不断提升，监控系统逐渐趋向高清化、超清化发展。在此背景下，数字视频信号分辨率提高。通常情况下，高清摄像机在采集像素较高的视频图像时，数据量较大，一般在5～8MByte左右，如果以20`25帧/秒传输，则每小时产生的数据量相当可观。如不不采取视频压缩编码技术对监控图像进行处理，将严重降低监控质量与效率，出现各种系统数据采集、传输、存储、利用问题。目前关于监控视频压缩编码已形成多种算法，HEVC、AVS2、MPEG-4是当前应用最为广泛的几种。HEVC即“H.264”是由ITU-T、ISO/IEC等共同提出的数字视频编码标准，具备适应性强、压缩效率高等优势，但计算相对复杂，对系统硬件性能具有较高要求[1]。AVS2通过背景建模方式增加了背景图像，可在一定程度上减少道路交通场景监控中视频数据亢余，但容易在背景模型更新工程中将长时间静止的前景视为背景图像。MPEG-4可在保证监控视频质量的同时，提高视频数据传输率，但视频数据体系仍较大。由此可见，编码算法不同所具有的优缺点也不同，视频码流大、占用宽带多、存储空间大等问题仍是当前道路交通场景监控所需解决的问题，对此需要树立创新意识，积极探寻适宜道路交通场景视频监控需求的编码方案。本研究则对HEVC编码进行了改进，在保留HEVC编码应用优势的基础上，减轻编码复杂程度。

2监控视频编码改进分析

本研究对HEVC编码进行了改进，在保留HEVC编码应用优势的基础上，减轻编码复杂程度。在HEVC编码应用情况下，分析道路交通场景监控视频编码空间特性，发现应用编码树单元进行空间结构划分时，单元划分大小与编码空间复杂程度呈负相关。编码树单元由编码、预测、变换等单元共同组成，不同单元拥有不同功能，可通过彼此协作达到所需目的[2]。HEVC编码背景与前景处理方法一致，视频中小编码单元占比较大。

监控视频压缩过程中，需要根据不同时间进行图像组划分，HEVC编码以帧内编码、低延时编码、随机访问编码来满足道路交通监控不同场景视频压缩需求，对比分析编码单元、预测单元、变换单元低延时编码、随机访问编码情况，发现变化单元的编码时间最多，降低其编码复杂程度对缩短编码时间，提高视频压缩效率存在重要影响。

在对HEVC编码进行改进时，对交通流运动规律进行了充分考虑，并设计通过掩模更新去除视频亢余，基于TZSearch搜索算法改进减少编码时间。关于交通流运动规律，构建了运动能量图，具体操作为：利用背景建模算法获取交通道路场景监控视频中的前进运动序列，结合运动发生概率確定交通流运动空间分布情况，通过形态学处理减少封闭空间干扰。

运动能量图建成之后，进行掩模区域探寻，以此掌握交通道路场景监控中摄像机运动情况，确定摄像机拍摄全部范围，并在此基础上完成全景图构建。根据全局图像与单帧图像掩模存在的关系能够进行单帧图像掩模更新。HEVC编码为满足高清化视频监控需求，将监控图像宏块设置为64×64，所采用的技术为分块运动补偿技术。该技术应用下，视频编码运动搜索花费时间较大。以往所用搜索方法虽然精度高，但速度有限，对此对搜索算法进行了改建，经对比分析确定采用非对称十字模板进行TZSearch运动搜索。

3实验结果分析

为证实本方案的应用价值，确定其在道路交通场景监控中所具有的通用性，进行了实验分析。所有监控视频编码实验均在Intel®Corei3-4005U处理器3M缓存，4GB内存的个人计算机Windows操作系统中运行。并在HM16.5（HEVC参考软件）、RD-19（AVS2参考软件）以及XviD（MPEG-4参考软件）上完成编码压缩效率分析、道路交通场景监控视频分析性能比较。实验分析过程中选择了2种代表性道路监控视频序列，监控内容涉及基础设施、附属建筑物、通行车辆等。实验参数配置：（1）FrameStructure为LowdelyIBBB;（2）GOPSize为4;（4）IntraPeriod为-1;（5）SearchRage为64;（6）NunlocLayers为1;（7）IBDIdepth为8;（8）RateControl为Disable。

视频压缩测试发现本研究编码的码流比特率较标准编码低，减少了4.11%～8.48%;峰值信噪比较标准编码高，平均增加了3.28dB;时间消耗较标准编码少，减少了1.75～4.12s;同其他编码标准对比，在码流比特率、时间消耗、峰值信噪比等方面也占据一定优势，寿命改进编码的压缩效果较好，能够在一定程度上减轻道路交通场景监控视频编码复杂程度，提高编码效率。道路交通场景监控视频分析性能测试结果显示，在量化参数相同情况下，本研究编码车辆识别准确率较高，达到了89.6%，较HEVC编码的82.2%与AVS2的84.4%高，略低于MPEG-4的91.0%。说明本研究编码道路交通场景监控视频分析性能较高，可在一定程度上提高视频质量，满足道路交通场景监控需求。

结论：

综上所述，当前道路交通场景监控视频编码需要在保证监控视频清晰度的基础上，有效解决监控视频码流大、占用宽带多、存储空间大等问题。本研究根据交通监控视频编码特征，结合交通流流动规律与特点，从运动能量图、搜索算法等方面对HEVC编码进行了改进，结果显示道路交通场景监控视频编码复杂程度减轻，视频数据压缩效率大幅度提高，可在保证视频质量，满足交通道路场景监控需求的同时，提高数据传输能力，节约数据存储资源，可为相关研究提供参考，促进道路交通场景监控视频优化发展。

参考文献：

[1]程小兰，蒋从锋，欧东阳，等.基于帧缓冲队列的边缘视频处理加速方法[J].计算机工程与科学，2021，43（04）：603-613.

[2]孙川，吴超仲，褚端峰，等.基于SAX的车载数据时空语义编码及分析方法[J].公路交通科技，2019，36（08）：124-132.