基于信息理论的网络视频采集系统模型.pdf

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1、电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊基于信息理论的网络视频采集系统模型迟学芬李宏霞 石文孝 赵晓宁(吉林大学 通信工程学院，信息产业部信息科学重点实验室，长春 1 3 0 0 1 2 1)摘要:受传输带宽限制，网络视频采集系统的采样率低，欠采样噪声严重。欠采样噪声产生分布于整个画面的小尺度复制像，降低图像质量。本文推导了 视频采集系统的数学模型，准确表示了系统中的欠采样噪声效应、光电 成像模糊效应。把信息理论应用于视频采集系统中，得到系统端到端的信息率。基于信息理论评价系统，优化系统设计，控制欠采样噪声。关键词:网络 视频采集 欠采样噪声 信息率Mo d e l o f S

2、i g n a l S a m p li n g S y s t e m o f V i d e o C o m m u n i c a t i o n o v e r N e t w o r k B a s e d o n I n f o r ma t i o n-t h e o r yC h i X u e f e n,L i H o n gxi a,S h i W e nxi ao,Z h a o X i a oni ng(1.T e l e c o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n g c o l l e g e,J i L i n U

3、 n i v e r s i t y C h a n g c h u n C h i n a,K e yI n f o r m a t i o n S c i e n c e,M i n i s t r y o f I n f o r m a t i o n I n d u s t r y，1 3 0 0 1 2;C h a n g c h u n,l a b o r a t o r y o f 1 3 0 0 2 1)A b s t r a c t:S i g n a l s a m p l i n g s y s t e m o f v i d e o c o m m u n i c a

4、t i o n o v e r n e t w o r k u s u a l l y h a s a l o wr a t e s u f f e r i n g f r o m t h e l i m i t e d b a n d w i d t h,s o a l i a s i n gnoisei s b i g p r o b l e m.A l i a s i n g n o i s e s a m p l i n gg e n e r a t e ss m a l l 一 s c a l e a r t i f a c t s o v e r a l l a n i m a g

5、 e w h i c h d e g r a d e i m a g e q u a l i t y.T h i s p a p e r d e r i v e s t h em a t h e m a t i c a l m o d e l o f v i d e o s a m p l i n g s y s t e m,b y w h i c h,a l i a s i n g e f f e c t s a n d b l u r r i n g e f f e c t s i no p t i c a l-e l e c t r o n i c i m a g i n g a r e

6、 a l l i n c l u d e d e x a c t l y.B y e x t e n d e d i n f o r m a t i o n t h e o r y i n t o v i d e os a m p l i n g s y s t e m,t h e e n d t o e n d i n f o r m a t i o n r a t e o f s a m p l i n g s y s t e m i s d e r i v e d.S y s t e m a s s e s s m e n t,s y s t e m o p t i m i z i n

7、g d e s i g n s a n d a l i a s i n g n o i s e c o n t r o l a l l c a n b e d o n e b a s e d o n i n f o r m a t i o n r a t e.K e y w o r d s:N e t w o r k,v i d e o s a m p l i n g,a l i a s i n g n o i s e,i n f o r m a t i o n r a t e.1引言 与一般的图 像采集系统相比，网络视频采集系统的突出特点就是受传输带宽限 制，采样率低。网络视频采集系统的 采

8、样率通常远低于图像特性所决定的 N y q u i s t频率，因此，欠采样噪声严重，图像质量不能满足业务需求。在网络视频领域，科学研究大多集中在图像压缩、处理的软件、硬件技术、协议实现技术，采样技术的研究少见报道。本文用模拟一 数字混合模式推导视频采集系统的数学模型，从中推导出影响网 络视频Q O S的欠采样噪声的表达式。视频采集设备的探测系统多采用C C D 分立阵列器件，因此无法用传统的传递函数描述系统特性。本文基于广义信息论，推导系统端到端信息率。信息率与成像质量密切相关1 2 。基于系 统端到 端信息 率，可以 评价 系统性能，研究 欠 采样噪声，优 化系 统 设计。5 8 6电 子

9、 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊2视频采集系统的模拟一 数字混合模型 视频采集硬件系统可抽象为光学成像系统和 C C D阵列探测系统两部分。系统的输入为连续 的 辐 射 场，用 定 义 在 k 维 实 数 空 间 的 函 数 叭(x),x E 9 1 k 表 示。系 统 的 输 出 为 数 字 离 散 输出，用 定 义 在具 有 生 成 矩阵 v 的 网 格A 上函 数1V,(n)表 示Y f s(n)=Y%(f v l n),n E Z k 视频信号是时间和空间的三维函数，不考虑信号随时间的变化，则可以在二维空间描述系统。用二维空间上的梳函数表示采样网格，则在模拟、数字混合模

10、式下，可以 把视频采集系统输出信号描述为1V s(x,Y)=L G yV.,(x,Y)*h,(x,y)c o m b(x,y)+n n(x,y)(1)其中h s(x,力为 视 频 采 集 系 统的 空间 响 应函 数，n p(x,y)为C C D 探 测阵 列的 光电 子 噪 声。c o m b(x,y)代表采样为单位间隔的采样网格函数(是二维 8函数的集合)c o m b(x,y)=艺 8(x 一 m,y 一 n)。G是 系 统 的 稳 态 增 益。在空间 频 域，Y e s(x,Y)的 傅 立叶 变 换傲(u,v)为T,(u,v)=G 哭(u,v)H s(u,v)*C O M B C O

11、M(u,v)+N p(u,v)(2)愈(u,v)是 景 物 Y/c(x,Y)的 傅 立 叶 变 换。H S(u,v)是 h,(x,Y)的 傅 立 叶 变 换，是 视 频 采集 系 统 的 空 间 频 率 响 应，N n(u,v)是 离 散 的 光电 探 测 器 噪 声 的 傅 立 叶 变 换。ACOMB(u,v)是采样梳函数的傅立叶变换。(u,v)是空间频率，单位为每毫米的线对数。模拟一 数字混合模型中，用“、”表示离散频谱，“入”表示连续频谱。对C O MB(u,v)作进一步分解C O M B(u,v)=Y,S(u 一 m,v 一 n)=;g(u,v)+C O MB,(u,v)(3)电 子

12、测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊C O M B,(u,v)=Y,8(u 一 m,v 一 n)m*0 n#0(4)人C口MB,(u,v)产 生 采 样 的 边 带 效 应。把(3)式 代 入(2)式，则叭(u,v)=G P,(u,v)H,(u,v)+G 哭(u,v)H,(u,v)人*C口MB.(u,v)+方，(u,v)(5)(5)式 第 一 项 代 表 光 电 系 统 所 成 的 像，户,(u,v)引 入 图 像 的 模 糊。第 二 项 为 谱 面 上 基 带谱的 复 制 谱，即 边带 谱，是 欠 采 样噪 声的 根 源。第 三 项 是 光电 子 噪 声 空间 频 谱。用N,(u,

13、v)表示边带谱，则N,(u,v)=G 火(u,v)H,(u,V A*C O M B.(u,v)(6)视频采集系统输出信号的空间频域表达式为 T,(u,v)=G 咒(u,v)H,(u,v)+N,(u,v)+N P(u,v)(7)根据N u q u i s t 定律，采样间隔为单位间隔1 时，在空间频域，只有定义在N u q u i s t 频率之内的空间频谱是有意义的，其他响应为伪响应。一般通过滤波把伪响应(复制谱)滤掉。但是复 制 谱 叠 入 采 样 通 带 内 的 频 谱 无 法 滤 掉，他 们 就 是 欠 采 样 噪 声，用N,(u,v)表 示 欠 采 样 噪 声，则N Q(u,v)=采样

14、通带内傲(u,v)=G 咒(u,v)H,(u,v)*C O M B,(u,v)lu l 1/2,lv l、1/2 (8)视频采集系统的输出为G 傲(u,v)H,(u,v)+N,(u,v)+N P(u,v)lu l_ 1/2,lv l_ 1/2(”)式(9)欠采样噪声、在空间频域表达了一个连续场被抽样后得到的离散信号。光学成像的模糊效应、光电子噪声都表现在公式中，它是基于信息理论的系统评价的数学基础。图像的功率谱密度不依赖于图像的大小，因而实际评价处理中，信号的功率谱密度是合适的参量。设系统噪声为加性白噪声，因而系统输出信号的功率谱密度为中(u,v)II 1 2 1。，*1 2 1，1 2 1

15、1 二1 2 1 1 1 2一 言 IT,(u,v)I 言 G-I1,(u,v)I I H s(u,v)I+言 IN,(u v)I +言 I N P(u,v)I(1 0)其 中，B 为 入 射 场 物 面 面 积，第 一 项 是 光 电 成 像 系 统 所 成 的 像 功 率 谱 密 度，用 击。(u,v)表示，则电 子 测 t 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊 V “H V U八跳 G1-B小 b(u,V)=(1 1)用 C(u,v)表 示 欠 采 样 噪 声 的 功 率 谱 密 度，则中。(u,v)会 Ig a(一，1(1 2)用(D (u,v)表示光电 子噪声功率谱密度，则 犷Z，

16、、1 1;,，1 2w p t u,V)=万 I y p k u,V)I(1 3)视频采集系统的输出信号的功率谱密度为。(u,V)=。b(u,V)+。(u,V)+。，(u,V)(1 4)令采样过程的总的噪声功率谱密度为。N(u,v)=。(u,V)+。，(u,V)(1 5)把式(1 5)代入(1 4)，则巾(u,v)=巾 b(u,v)+巾N(u,v)(1 6)根 据式(8),(1 2)，欠采样噪声的功率谱密度为小。(u,v)1 11VB a(一)=G 2 B一，121f S一，1 C O M B a 一，3基于信息理论的网络视频采集系统模型(1 7)1.基于信息理论分析视频采集系统的 基本思想

17、基于信息理论的采样成像系统研究始于五十年代，从8 0 年代中期开始，这个领域的 研究越来越活跃。到上世纪末，国际上这个领域的研究呈爆炸性趋势。国际上最重要的 研究机构是美国N A S A，最活跃的研究群体是以F.0.H u c k 为代表的 研究组。国内 这方面的研究少见报道。根据信息理论，图像恢复过程可视为系统接收到的信息再现入射辐射场信息的过程，图 像的 衰减代表信息的丢失3 02.基于信息理论分析视频采集系统的基本假设 (1)入射场即信源为高斯信源，用平稳遍历的高斯过程描述。对信源做空间离散化处理后，信源为空间多维离散信源。5 8 9电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增刊

18、(2)入射场(信源)上像素之间统计独立。实际图像像素之间的相互作用可以忽略，所以，可以认为离散化后，信源为相互独立的多维离散信源。(3)系统噪声为高斯加性白噪声，信道为高斯加性噪声多维信道。3.网络视频采集系统的信息率 在空间频域，视频采集系统的输入、输出信号和噪声是空间频率的函数。基于以 上假设，根据信息理论把视频采集系统视为通信信道，对信源做空间频域的离散化处理，则根据香农公式4 ，对于任意空间 频率(u,v)，视频采集系统信息率为 1，。，.4 h(u,v),I t u,v)=-1 0 9 2 L 1 十 _-甲一甲 1 L母N(u,v)(1 8)系统平均信息率I:是I(u,v)在整个空

19、间 频域的累 加，:=2 jJ，(一)d ud v 一 2 f J 10 9 211+小 b(u,v)。凡(u,v)d u d v(1 9)一 合 II。，【，+0，(u,v)。(u,v)+。n(u,v)d u d v 根据前面推导的各个参量的表达式，对系统信息率作如下分析 (1)欠采样噪声分析 根据式(1 9)，欠采样噪声降低系统的信息率，是导致图像衰减的重要因素。在采样目 标确定的情况下，根据式(1 7)，欠采样噪声与采样间隔、视频采集系统的空间频响(包括光学成像系统响应和C C D 阵列探测系统的响应。)有关。_ (2)视频采集系统空间频响分析 系 统 空 间 频 响 户 s(u,v)同

20、 时 包 含 在 像 功 率 谱 密 度 击 b(u,v)和 欠 采 样 噪 声 的 功 率 谱(D (u,v)中。分 析 式(1 9)可 以 发 现 一 个 重 要 问 题，金 b(u,v)使 信 息 率 增 大，(D b(u,v)使 信息率减小。好的系统响应减小光电成像的模糊效应，同时带来大的欠采样噪声效应。最优的H S(u,v)只能 通 过 对式(1 9)仿 真 得到。(3)分析式(1 9)可知系统信息率还与采样目 标特性、C C D像元的特性有关。可以 通过严密的系统设计，设计出适于各种用途的视频采集系统电 子 测 量 与 仪 器 学 报2 0 0 4年增干 i】4结 论 基于信息理论

21、的网络视频采集系统模型能准确的反应网 落视频采集系统的各种问 题。成像模糊效应、重要的欠采样噪声效应、光电噪声效应都体现在模数混合的系统模型中。系统信息率是多维函数，复杂函数。只要有正确的、逼近应用的系统空间频响和采样函数，就能进行丰富的系统仿真，从而优化系统设计。参 考 文 献 1 W u-C h u n C h o u,M.A.N e i f e l d,I n f o r m a t i o n-b a s e d o p t i c a l d e s i g n f o r b i n a r y-v a l u e d i m a g e r y,A p p l i e d O p

22、 t i c s,2 0 0 0,V o l.3 9(1 1):1 7 3 1-1 7 4 2.2 F.0.H u c k,C.L.F a l e s,a n d Z.R a h m a n,V i s u a l C o m m u n i c a t i o n:A n I n f o r m a t i o n T h e o r y A p p r o a c h,K l u w e r A c a d e m i c P u b l i s h e r s,1 9 9 7,B o s t o n.3 迟学芬，石文孝，韩昌元等，基于信息理论的采样成像系统优化设计，通信学报，2 0 0 2,2 3(9):8 8-9 3.4 副祖芸，信息论一基础理论与应用，电子工业出版社，2 0 0 1 作 者 简 介迟学芬:2 0 0 3 年毕业于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，博士。吉林大学通信工程学院副教授，主要从事信息处理、采样成像技术和宽带通信技术研究。李洪霞:1 9 9 0 年毕业于吉林大学，硕士。吉林大学通信工程学院副教授，主要从事宽带通信技术研究。石文孝:1 9 9 1 年毕业于哈尔滨工业大学电磁测量与仪器专业，硕士，现为吉林大学通信工程学院副教授，在读博士，主要从事模拟与数字信号处理及通信网技术的研究。5 91