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基于Matlab的视频图像捕获与格式转换

2024-07-14 来源:乌哈旅游
电脑编程技巧与维护 基于Matlab的视频图像捕获与格式转换 吴佳 。詹璇 (1.东华理工大学机械与电子工程学院,抚州340000;2.东华理工大学信息工程学院,抚州340000) 摘要:主要描述了在Matlab环境下,对常见视频图像的捕获以及视频图像格式的转换,重点介绍了YUV视频格 式的原理。 关键词:数字视频;视频图像;Matlab;YUV Capture and Format Conversion of Video Image Based on Matlab WU Jia。.ZHAN Xuan2 (1.Mechanical and Electronic Engineering College,East China Insittute of Technology,Fuzhou 340000; 2.Information Engineering College,East China nsIittute of Technology,Fuzhou 34oooo) Abstract:This paper mainly describes the function of capturing and formatting conversion of Video Image based on Matlab and key emphasizes on the principle of the YUV Video formatting. Key words:Digital Video;Video Image;Matlab;YUV 数字视频是以数字形式记录的视频,和模拟视频相对的【”。 数字视频有不同的产生方式,存储方式以及播出方式。但是要 通过PC以及特定的播放器才能播放出来。计算机工作在RGB 空间,因此,想到将数字视频的格式转换成RGB格式,这样在 计算机上就能直接播出。 介绍数字视频的格式以及视频压缩编码的标准,并说明 数字视频格式中的YUV格式,并在Matlab基础上实现了YUV 和RGB格式之间的转换。 MPE( 2 MPEG—表1视频压缩编码及其应用范围 1名称 MPEG—l 源图像格式 CIF格式 CIF格式 压缩后的码率 主要应用 CCITT H.261 QCIF格式 72O×576×25 1.5Mb/a 适用于VCD P 64KIYs P=I、2时支持QCIF 应用于视频通信,如可 P 6时支持OIF 视电话、会议电视等。 5~l5M DVD、150路卫星电视 352×288×25 1440xll52x50 <5Mb/s 80Mb/s 直播交互式多媒体应用 等HDTV领域 4 多种不同的视频格式 最低可达64Kb/s 交互式视频等 虚拟现实、远程教育、 YUV[71 (亦称YCrCb)是被欧洲电视系统所采用的一种 颜色编码方法(属于PAL),是PAL和SECAM模拟彩色电视 1数字视频格式 数字视频的格式有很多,可以从不同的角度进行分类。最 常见的没有压缩的视频文件格式是YUV,是由相互关联的若 干帧静止图像所组成的图像序列日。由于视频数据量大,通常 以压缩后的形式进行存储和传输。压缩后的视频可以分成两 类: (1)面向存储的,包括AVI、MPEG等; (2)面向流式 制式采用的颜色空间。其中的Y,u,v几个字母不是英文单 词的组合词,Y代表亮度,uV代表色差,u和V是构成彩色 的两个分量。在现代彩色电视系统中,通常采用3管彩色摄 影机或彩色CCD摄影机进行取像,然后把取得的彩色图像信 号经分色、分别放大校正后得到了RGB,再经过矩阵变换电 路得到亮度信号Y和两个色差信号R—Y(即U)、B—Y(即 V),最后发送端将亮度和色差3个信号分别进行编码,用同 一媒体的,在在线实况转播和流媒体电影当中应用广泛目。 2视频压缩编码标准 数字图像[41数据的数据量大,而数字视频信息的数据量 就更加突出。例如,每帧352 ̄240像素点,图像深度16bit的 图像,其数据量约为1.3MB,每秒30帧,其数据量就高达 40MB/s,这样大的数据量无论是传输、存储还是处理,都是 极大的负担。为了解决这个问题必须对数字视频信息进行压 缩编码处理。 信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩 空间表示。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和 色度信号u、v是分离的。如果只有Y信号分量而没有u、v 信号分量,那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电 视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑 白电视机的相容问题,使黑白电视机也能接收彩色电视信号。 3.1采样格式 视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少 视频数据率旧。视频是连续的静态图像,其压缩编码算法与静 态图像的压缩编码算法有某些共同之处。视频压缩编码具有 多种不同的标准,既包括目前被广泛使用的MPEG一1, 主要的采样格式有4种:YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、 YCbCr 4:1:1和YCbCr 4:4:4。其中YCbCr 4:1:1比较常用,其 含义为:每个点保存一个8bit的亮度值(也就是Y值),每22 个点保存一个cr和cb值,图像在肉眼中的感觉不会起太大 的变化『8】。所以,原来用RGB(R,G,B都是8bit unsigned) 模型,4个点需要83=24 bites。而现在仅需要8+(8/4)+(8/4) =MPEG一2,MPEG一4,也包括最新的视频编码国际标准H_264/ AVC和我国自主知识产权的AVS标准。此外,还有微软推出 的VC一1等。目前,国际标准化组织制定的有关视频压缩编码 的几种标准及其应用范围如表1所示。 12bites,平均每个点占12bites。这样就把图像的数据压缩了 一半。YUV的几种具体的存储形式如下: 收稿日期:201l_03—08 3 YUV格式 酾2011 ̄弱10与.簟.... 411 b ̄ ARTIFICIAL INTELLIGENCE AND IDENTIFICATION TECHNIQUES (1)YUV 4:4:4 一人工智能及识别技术 半色差采样。 YUV3个信道的抽样率相同,因此在生成的图像里,每个 像素的3个分量信息完整(每个分量通常8比特),经过8比 针对不同的视频分辨率,YUV420采样格式文件也有不同 的类型,CIF、QCIF和SQCIF是一种分辨率格式,即说明每 帧多少行,每行多少像素,也就是说用CIF或QCIF来说明文 件中视频数据的帧高和帧宽分别是多少。 QCIF 176x144 CIF 352x288 特量化之后,未经压缩的每个像素占用3个字节。 下面的4个像素为:【Y0 U0 V0][Y1 U1 V1】 [Y2 U2 V2】 [Y3 U3 V31。 存放的码流为:YO UO VO Y1 UI VI Y2 U2 V2 Y3 U3 V3。 (2)YUV 4:2:2 SQCIF 353x240 4CIF?704x576 每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半,所以水平方 向的色度抽样率只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的 3.2 YUV与RGB的转换 图像来说,每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需 要占用4字节内存。 下面的4个像素为:【Y0 U0 V0】 【Y1 U1 V11[Y2 U2 V2】 【Y3 U3 v3]。 存放的码流为:Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3。 映射出像素点为: 【Y0 u0 V1】 【Y1 u0 V1】 【Y2 u2 V3】 【Y3 U2v31。 (3)YUV 4:1:1 4:1:1的色度抽样,是在水平方向上对色度进行4:1抽样。 对于低端用户和消费类产品这仍然是可以接受的。对非压缩 的8比特量化的视频来说,每个由4个水平方向相邻的像素 组成的宏像素需要占用6字节内存。 下面的4个像素为:[Y0 U0 V0】【Y1 U1 V1】【Y2 U2 V2] 【Y3 U3 V3】。 存放的码流为:Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3。 映射出像素点为:【Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2】 [Y2 U0 V2】 [Y3 U0V21。 (4)YUV 4:2:0 4:2:0并不意味着只有Y,Cb而没有Cr分量。它指得是 对每行扫描线来说,只有一种色度分量以2:1的抽样率存储。 相邻的扫描行存储不同的色度分量,也就是说,如果一行是 4:2:0的话,下一行就是4:0:2,再下一行是4:2:0。以此类推。 对每个色度分量来说,水平方向和竖直方向的抽样率都是2: 1,所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化 的视频来说,每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素 需要占用6字节内存。 下面8个像素为:[Y0 U0 vo] 【Y1 U1 V1] [Y2 U2 V21 [Y3 U3 V31 IV5 U5 VSl。 [Y6 U6 V6】 【Y7U7 V7] [Y8 U8 v8]。 存放的码流为:Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8。 映射出的像素点为: [Y0 u0 V5】 [Y1 uO V5】 [Y2 u2 V71 【Y3 U2 V7】【Y5 U0 vs]。 [Y6 U0 V5】 【Y7 U2 V7】 [Y8 U2 v71。 YUV411、YUV420格式多见于DV数据中,前者用于 NTSC制,后者用于PAL制。YUV411为每个像素都提取Y分 量,而uV分量在水平方向上每4个像素采样一次。YUV420 并非v分量采样为0,而是跟YUV411相比,在水平方向上提 高一倍色差采样频率,在垂直方向上以u 间隔的方式减小 RGB颜色空间[61也是最常见的色度空间。计算机彩色显 示器显示色彩的原理与彩色电视机一样,都是采用R(Red)、 G(Green)、B(Blue)相加混色的原理:通过发射出3种不 同强度的电子束,使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发 光而产生色彩。这种色彩的表示方法称为RGB色彩空间表示 (它也是多媒体计算机技术中用得最多的一种色彩空间表示方 法),如图1所示。 图1 RGB颜色空间示意图 YUV色彩空间与RGB色彩空间是可以相互转换的,其相 互转换的公式如下: Y=0.299R+0.587G+0.1l4B U=-0.147R一0.289G+0.436B V--0.615R-0.515G一0.100B (3.1) R=Y+1.402(Cr一128) G=Y一0.34414 fCb-128)一0.71414(Cr一128) B=Y+l_772(Cb一128) (3.2) 根据式(3.1),在得到RGB色彩空间后,同样也可以提 取出Y分量。 4 实验结果 通过实时地分析处理来自网络传输的视频流来捕获视频 图像并对之进行格式转换后获取Y分量。摄像机镜头对准被 检测的场景,采集的图像通过与之连接的一台硬盘录像机 (DVR,相当于网络视频服务器)传送到计算机,DVR采集的 图像为YUV420采样格式,分辨率为4CIF格式,其转换后的 RGB格式图像与提取到的Y分量图像如图2与图3所示。 (下转到119页) COMPUTING SECURITY TECHNIQUES 计算机安全技术 法在makespan上都有提高,并且当仅有少量可用资源的任务 件的共享等,要将更多的因素加入到网格调度算法中,使得 在高QoS任务占有适当比例时(如50%),makespan的提高比 新的算法能够更加适合动态的网格环境,并将改进后的算法 例较高,优化后的QoS guided Min—min算法的优势最明显, 应用到实际的计算网格环境当中来进行实际的检验。 而仅有少量可用资源的任务在高QoS任务中过多或过少时, 参考文献 改进的QoS Guided Min—min算法相对于Qos Guided Min—min [1】Fangpeng Dong,Selim G.Ak1.Scheduling algorithms for grid 算法来说在makespan上的提高较少。 computing:state of the art and open problems[D】.technical 表1三种算法的makespam比较 repo ̄.School of computing,Queen S University.Kingston,Ontari- 源提供服务 Min一1蛭特殊资 11in QoS Guided 捉黼(%) 优化的QoS 提高(%) o,January,2006. 的比倒 Min-min GuidedMin—min 25% 。3O5.25 279.11 8.57% 267.58 4.13% 【2]X He,X Sun,G Laszewski.QoS guided Min—Min heuristic for 50% 2l6.63 232.:32 5.8(糯 208.42 10.29% rgid task scheduling【J】.Journal of computer science and 5% 185.46 l57.53 15.06% 143.68 7。79% technology,special issue on grid computing,2003. 4 结语 [3]HE XS,SUNXH,VON LASZEWSKIG.A QoS Guided 对目前常用的Min—min算法、Min—min算法和Qos guided Scheduling Algorithm ofr Grid Computing『J1.Journal ofCom- Min—min算法进行了深入的分析,在此基础上对Qos guided puterScience andTechnology,2003,1 8(4):442—45 1. Min—min算法提出进一步的优化和改进,实验证明优化后的算 [4]丁箐,陈国良,顾钧.计算网格环境下一个统一的资源映 法性能更加优越、分配更加合理。由于Min—min和Qos ugided 射策略[J].软件学报,2002,13(7):1303—1306. Min—min算法是网格调度中基础的算法,因此优化改进后的算 [5】BUYYA R,MURSHEDM.GridSim:aToolkit for theModeling 法将对现有的调度算法性能的改进有较大的帮助作用,尤其 andSimulation ofDistributedResourceManagement and Schedul— 是对那些基于QoS建立在Min—rain基础上的调度算法,可以 ing for Grid Computing[J】.Concurrency and Computation: 进一步提高该类算法的效率。由于网格环境下必须考虑的因 Practice and Experience,2002,14(13—15):1 175—1220. 素较多,如带宽、CPU速度、输入输出文件的大小及输入文 (上接第109页) 5 结语 介绍了常见视频图像的格式以及视频压缩编码标准,然 后详细介绍YUV的几种主要的采样格式以及YUV格式视频 图像与RGB视频图像的转换,并在此基础上,将DVR获取到 的YUV420格式图像转换成RGB格式并提取到了相应的Y分 量图像。 参考文献 [1]钱志远.数字视频技术发展趋势数字电影带动视频技术的 下一代.实用影音技术,2004. 【2】赵书国,吉彬,贾世奎.视频图像智能分析技术的应用. 舰船防化,2010. [3】吕蓬.数字视频管理平台的多样化视频应用.中国交通信 图2转换后的RGB图像 息产业,2010. 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