1、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)管理中的視頻壓縮    摘要：視頻壓縮技術(shù)在服務(wù)器管理中占有舉足輕重的作用，該文首先介紹了目前主流的視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域和標(biāo)準(zhǔn)，然后針對低成本，低功耗的需求，提出了一種改進(jìn)的RLE算法。關(guān)鍵詞：KVM-OVER-IP；H.26X；MPEG；RLE（游程編碼）中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2011)31-0000-00Video Compression in the Network about Management of ServerFENG Zhan, WU Xin-jun(Jiangnan Ins

2、titute of Computing Technology, Wuxi 214128, China)Abstract: the video compression technology in the server management plays a decisive role, this paper first introduced the current main video compression technology development, the application fields and standards, then for low cost, low power cons

3、umption demand, and proposes an improved RLE algorithm.Key words: KVM-OVER-IP; H.26 X; MPEG; RLE(the run-length coding)隨著服務(wù)器管理技術(shù)的發(fā)展，大部分的廠商都實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理。使用者不必親臨現(xiàn)場便能處理發(fā)生的各種問題，極大的提高了服務(wù)器管理的效率。在服務(wù)器管理的硬件管理方案中KVM-OVER-IP的應(yīng)用最為廣泛。KVM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面，虛擬設(shè)備、遠(yuǎn)程安裝OS鏡像等。一般的KVM卡內(nèi)嵌了瀏覽器，在客戶端通過web網(wǎng)頁直接訪問控制界面。1 KVM-OVER-IP在KVM o

4、ver IP系統(tǒng)中，最大的挑戰(zhàn)來自于視頻信號的壓縮與傳輸。以分辨率1024x768，刷新率75Hz，32位真彩色視頻顯示輸出為例，其信號傳輸帶寬高達(dá)1.75Gb/sec，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于局域網(wǎng)及廣域網(wǎng)所能提供的傳輸帶寬。實(shí)用的KVM over IP系統(tǒng)需要在局域網(wǎng)中，提供高于1500:1的視頻壓縮比率；在廣域網(wǎng)中，提供高于6000:1的壓縮比率;同時，KVM over IP系統(tǒng)必須在實(shí)現(xiàn)高比率視頻壓縮的同時，在客戶端提供足夠清晰的視頻還原。其中，幀間比對與數(shù)據(jù)壓縮算法通常是各公司的專有技術(shù)，也是直 接決定客戶端還原視頻質(zhì)量的重要因素。2 目前主流的視頻壓縮算法在視頻編解碼技術(shù)定義方面有兩大標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。包

5、括國際電信聯(lián)盟 (ITU) 和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)。前者已經(jīng)開發(fā)了用于低比特率視頻電話的 H.26x 標(biāo)準(zhǔn)，其中包括 H.261、H.262、H.263 與 H.264；主要針對電信領(lǐng)域的應(yīng)用，后者主要針對消費(fèi)類應(yīng)用，已經(jīng)針對運(yùn)動圖像壓縮定義了 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)。MPEG 標(biāo)準(zhǔn)包括 MPEG1、MPEG2 與 MPEG4。圖1說明了視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程。2.1 H.261H.2611標(biāo)準(zhǔn)是1990年ITU制定的的第一個主流有損視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計的目的是能夠在帶寬為64kbps的倍數(shù)的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN for Integrated Services Digital Network

6、)上傳輸質(zhì)量可接受的視頻信號。編碼程序設(shè)計的碼率是能夠在40kbps到2Mbps之間工作，能夠?qū)IF和QCIF分辨率的視頻進(jìn)行壓縮編碼。H.261原理是第一步是對采集的顯卡信號使用幀間預(yù)測來消除空域冗余，同時使用了運(yùn)動矢量來進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。隨后進(jìn)行變換編碼即采用使離散余弦變換（DCT）來進(jìn)一步的消除空域的冗余，然后對變換后的系數(shù)進(jìn)行量化，并量化后的變換系數(shù)進(jìn)行Zig-zag掃描來消除時域的冗余，最后使用熵編碼（可以使長度編碼或者是霍夫曼編碼）來消除統(tǒng)計冗余。但是H.261僅僅對視頻的解碼進(jìn)行了規(guī)定，而并沒有定義解碼器的實(shí)現(xiàn)，因此在具體實(shí)現(xiàn)時，研究者可以針對不同的應(yīng)用對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的預(yù)處理從而達(dá)

7、到更好的效果，2.2 MPEG-1MPEG-1 2 是ISO 于1990年開發(fā)的第一個視頻和音頻有損壓縮標(biāo)準(zhǔn)。主要應(yīng)用是數(shù)字媒體上動態(tài)圖像與音頻的存儲與檢索，如速率為 1.15Mbps、采用 SIF 分辨率（352240-29.97fps 或者 352288-25 fps）的VCD。MPEG-1在關(guān)鍵技術(shù)上做了一些改進(jìn)，塊方式的運(yùn)動補(bǔ)償，離散余弦變換，等技術(shù)，隨后被Video CD采用為核心技術(shù)。 但是其缺點(diǎn)也比較明顯，雖然在速率上可以滿足很多應(yīng)用，但是壓縮比不夠大，作為實(shí)時視頻壓縮，需要的磁盤空間特別大，正是這一點(diǎn)也限制了它的應(yīng)用。2.3 MPEG-2MPEG-2 3 是ISO 于1994年

8、制定的，主要針對于高級工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量以及更高的傳輸率。并且MPEG-2相比MPEG-1提供較廣范圍的壓縮比，已適用于對畫面質(zhì)量，存儲容量，以及帶寬要求不同的場合。MPEG-2主要用于DVD的標(biāo)準(zhǔn)，還可用于為廣播，有線電視網(wǎng)，電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播(DirectBroadcastSatellite)提供廣播級的數(shù)字視頻。2.4 H.2631）H.263中的數(shù)據(jù)流層次結(jié)構(gòu)的某些部分是可選擇的，使得編解碼可以根據(jù)針對實(shí)際的應(yīng)用選擇數(shù)據(jù)率和糾錯能力；2）H.263的運(yùn)動補(bǔ)償使用半像素精度，這與H.261相比提高了壓縮率；3）H.263采用了基于空域的的幀內(nèi)預(yù)測方法；4）H.263支持5種分辨率，即包

9、括QCIF，CIF，SQCIF、4CIF，16CIF，其中SQCIF相當(dāng)于QCIF一半的分辨率，而4CIF和16CIF分別為CIF的4倍和16倍；5）H.263采用了無限制的運(yùn)動向量，允許運(yùn)動矢量指向圖像以外的區(qū)域；6）H.263采用了基于句法的算術(shù)編碼模式使用算術(shù)編碼代替霍夫曼編碼，可在信噪比和重建圖像質(zhì)量相同的情況下降低碼；。7）H.263提高網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，加強(qiáng)對誤碼和丟包的處理，提高解碼器的差錯恢復(fù)能力。2.5 MPEG-4MPEG-44 是1998年11月公布的，MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于視像電話(Video Phone)，視像電子郵件(Video Emai

10、l)和電子新聞(Electronic News)等，其傳輸速率要求較低，在4800-64000bits/sec之間，分辨率為176X144。MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量，但是其在服務(wù)器的領(lǐng)域沒有得到廣泛的應(yīng)用。1）H.264沒有繁瑣的選項，而是力求簡潔的“回歸基本”，它具有比之前的壓縮標(biāo)準(zhǔn)更好的壓縮性能，又具有適應(yīng)多種信道的能力。2）H.264的應(yīng)用目標(biāo)廣泛，可滿足各種不同速率、不同場合的視頻應(yīng)用，具有較好的抗誤碼和抗丟包的處理能力。3）H.264的基本系統(tǒng)無需使用版權(quán)，具有開放的性質(zhì)，能很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的使用，這對目前

11、因特網(wǎng)傳輸多媒體信息、移動網(wǎng)中傳輸寬帶信息等都具有重要意義。正是由于H.264的種種特點(diǎn)，使得該算法標(biāo)準(zhǔn)一制定出來，便受到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)秀的編解碼能力在視頻通信領(lǐng)域應(yīng)用的的也越來越多，盡管其復(fù)雜性也是之前視頻壓縮算法的數(shù)倍，但是集成電路的發(fā)展以及SOC技術(shù)的革新，這些已經(jīng)可以得到很好的解決。隨著視頻壓縮算法的不斷更新，各大服務(wù)器廠商的的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品也不斷的革新，主要是針對不同的應(yīng)用場合采用不同的壓縮算法，然后結(jié)合所做的硬件部分進(jìn)行一些改進(jìn)和優(yōu)化。3 改進(jìn)的RLE（游程）壓縮算法本論文提出的視頻壓縮算法是一個低代價，低功耗的可行算法，針對某種特定場合所使用的，雖然壓縮視頻的效果有待提高，但是能滿

12、足基本的要求。本文的視頻壓縮是基于一個256M大小的FPGA上實(shí)現(xiàn)的，而且在該FPGA上還實(shí)現(xiàn)了一個嵌入式軟核，軟核的作用是實(shí)現(xiàn)BMC的調(diào)試，因此硬件資源有限，該視頻壓縮只能算該FPGA的一個模塊。因此涉及到太多乘法的算法難以實(shí)現(xiàn)，考慮選擇RLE游程算法來實(shí)現(xiàn)，該算法簡單容易實(shí)現(xiàn)，其基本的思想是，利用數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，而屏幕顯示的數(shù)據(jù)，以整個像素為單位，關(guān)聯(lián)性是很強(qiáng)的，對一般常見的屏幕圖像使用RLE（游程編碼）算法進(jìn)行單幅圖像的壓縮，平均可以獲得30%到50%的壓縮效果，因此使用RLE算法是可行的。以現(xiàn)有的試驗(yàn)平臺的硬件條件來看，以太網(wǎng)是100Mbps。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)占用1/5帶寬，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

13、量有限，只能減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低傳送視頻的圖像數(shù)和視頻的壓縮質(zhì)量從而完成視頻的壓縮，根據(jù)人的視覺系統(tǒng)所能接受的范圍，本文以每秒10幅圖像來完成視頻的傳輸，這樣每幅圖像的壓縮數(shù)據(jù)應(yīng)該為256KB,而一幅未經(jīng)任何處理的1280X1024的圖像大小約為4MB，這樣壓縮效果必須達(dá)到原來圖像的1/8左右，因此必須對RLE算法進(jìn)行優(yōu)化，使得修改后的壓縮算法能夠保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性傳輸，由于視頻壓縮模塊接受的是顯卡輸出的像素數(shù)據(jù)，是以RGB形式接收的，本文實(shí)現(xiàn)的方法是對每個像素的后三位數(shù)據(jù)進(jìn)行四舍五入而后丟棄，這樣做得好處有兩方面：1）可以增強(qiáng)相鄰像素的相關(guān)性從而加強(qiáng)壓縮的效率；2）可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量；然

14、后再對得到的數(shù)據(jù)使用RLE壓縮方法，具體是實(shí)現(xiàn)時是以每行的大小來壓縮成一個數(shù)據(jù)包，然后通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，客戶端進(jìn)行解壓縮得到源圖像數(shù)據(jù)。雖然圖像有一定的失真，但是在可以接受的范圍內(nèi)，通過在FPGA上測試，基本能達(dá)到1/10的壓縮率。這種低功耗，低成本的視頻壓縮系統(tǒng)，適用于小架構(gòu)的電子產(chǎn)品。例如低精度的小型攝像儀器，監(jiān)控系統(tǒng)等。4 結(jié)束語本文首先介紹了目前主流的視頻壓縮算法，以及適用的各種領(lǐng)域，而后提出一種改進(jìn)的RLE壓縮算法，主要應(yīng)用在小功耗的壓縮系統(tǒng)的中，雖然壓縮效果不是很好，但是容易實(shí)現(xiàn)，而且其優(yōu)點(diǎn)也是很明顯的。參考文獻(xiàn)：1 ITU-T建議 H.261:,用于 px64Kbps 音頻視頻業(yè)務(wù)的視頻編解碼技術(shù).2 ISO/IEC 11172-2:,1.5Mbps 數(shù)字存儲媒體的動態(tài)圖像及相關(guān)音頻的編碼.19933 ISO/IEC 13818-2:,動態(tài)圖像及相關(guān)音頻信息的通用編碼：音頻.19954 SO/IEC 14496-2:,信息技術(shù)音頻視頻對象的通用編碼.20015 Sullivan G,Wiegand T.“視頻壓縮從概念到 H.264/AVC 標(biāo)準(zhǔn)”J.IEEE學(xué)報,2005(1).收稿日期：2011-09-26作者簡介：馮瞻（1985-）男，河北石家莊人，江南計算技術(shù)研究所碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模集成電路。