对时空信号进行编码的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信息编码技术领域，尤其涉及一种对时空信号进行编码的方法和装置。
【背景技术】
[0002]在一定时间和空间内中存在的形式是信息的来源，例如光在空间中的传播形成动态影像，大量水分子的流动产生海洋信息，空气分子和其他漂浮物的动态运动形成气候信息。就动态影像来说，人类和生物通过眼睛捕捉光子来感知世界，现代摄像机采用CCD(Charge-c ο up led Device，电荷親合元件)或 CM0S( (Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)来捕获光子来记录动态变化的世界，产生了大量的图像和视频数据。
[0003]对动态影像进行表达的传统方法是二维图像和作为图像序列的视频。传统的图像是二维的信息形态，狭义的图像是光在物理世界中经过反射、漫反射、折射、散射等过程后在摄影平面上投影的结果，广义的图像则包括在二维平面上分布的任何信息形式。数字形式表示的图像更便于处理、传输和存储，这就需要把以模拟信号形式存在的图像转化为以数字形式表示的图像，即数字图像。图像数字化的过程主要包括三个步骤:采样、量化和编码。采样是将图像分布的空间进行离散化的过程，对于二维图像来说，最常见的方式是将图像覆盖的矩形区域等间隔地划分成大小相同的采样点，这样划分得到的采样点行数和每行的采样点数就是通常所谓的数字图像分辨率(更准确的分辨率是指单位物理尺寸上的采样点数)。量化是对各采样点上图像的颜色(或其它物理量)进行离散化的过程，一般用量化级别来表征。每个采样点及其颜色(或其它物理量)的量化值形成图像的一个像素，所有像素按照行列形式排列成数字图像。
[0004]传统的视频概念是按一定时间间隔获取的图像序列，序列中的一幅图像也被称为一帧图像，因此视频也成为图像序列，图像之间的时间间隔划分也是采样的一部分，通常也采用等间隔划分，每秒采集的图像数称为帧率。为了保证在数字化过程中信息不丢失，即能够在恢复为模拟形式时做到完全复原，按照采样定理，需要用至少两倍于图像空间信号频率进行米样。
[0005]按照传统方式采集的视频，经过数字化后产生了大量数据。以高清晰度视频为例，每秒钟的数据量为1920 X 1080 X 24比特X 30帧每秒=1492992000比特每秒，约1.5Gbps。如果以这样的数据量通过广播通信网络进行传输，或者在互联网对成千上万的用户提供视频服务，或者想存储城市中上百万的摄像头24小时产生的视频数据，这是网络和存储技术几乎不可能做到的。高精度数字化的视频数据中存在这大量的冗余需要去除，这是数字视频编码的中心目标，因此数字视频编码也称为数字视频压缩。从19世纪40年代末50年代初的霍夫曼编码、差值脉冲编码调制等技术的研究开始，视频编码技术经历了近60年的发展。在这一过程中，逐渐形成了变换编码、预测编码、熵编码三类经典技术，分别用于去除视频信号的空间冗余、时间冗余以及信息熵冗余。
[0006]基于30多年的技术积累和信息技术发展的需要，上世纪80年代各种视频编码技术开始汇聚，逐渐形成了以块为单元的预测加变换的混合编码框架，并由标准化组织形成标准，开始在产业得到大规模应用。国际上主要有两大国际组织专门进行视频编码标准的制定工作，即IS0/IEC下的MPEG(Mot1n Picture Experts Group，动态图像专家组)组织与ITU-T的VCEG(Video Coding Experts Group，视频编码专家组)组织。成立于1986年的MPEG专门负责制定多媒体领域内的相关标准，主要应用于存储、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。国际电信联盟ITU则主要制定面向实时视频通信领域的视频编码标准，如视频电话、视频会议等应用。中国于2002年6月成立的AVS工作组负责为国内多媒体工业界制定相应的数字音视频编码标准。
[0007]MPEG组织在 1992制定了面向VCD(影音光碟，Video Compact Disk)应用的MPEG-1标准(启动于1988年，是ITU H.261的一个超集)，数据速率在1.5Mbps左右；1994年发布了面向DVD，数字视频广播等应用的MPEG-2标准(启动于1990年)，适用于1.5-60Mbps甚至更高码率；1998年制定了面向低码率传输的MPEG-4标准(于1993年启动，以MPEG-2，H.263为基础)。国际电信联盟ITU基本上与MPEG的发展同步，也制定了一系列的H.26x标准。开始于1984年的H.261标准是MPEG-1标准的前驱，于1989年基本完成，主要是为了在ISDN上实现可视电话、视频会议而制定的。在H.261的基础上，1996年ITU-T制定了 H.263编码标准(启动于1992年)，相继又推出了 Η.263+，Η.263++等。
[0008]2001年ITU-T和MPEG联合成立了JVT(Joint Video Team)工作组制定了一个新的视频编码标准，2003年完成第一版，标准在ISO中称为MPEG-4标准的第10部分(MPEG-4Par11OAVC)，在ITU中称为H.264标准。。4个月后，微软主导的VC-1视频编码标准由美国电影电视工程师协会(The Society of Mot1n Picture and Televis1n Engineers,SMPTE)颁布为行业标准。我国在2004年制定出了具有自主知识产权的国家标准，并经过芯片实现等产业化验证后，于2006年2月颁布为《信息技术先进音视频编码第二部分视频》国家标准(国标号GB/T 20090.2-2006，通常简称为AVS视频编码标准)。这三个标准通常被称为第二代视频编码标准，其编码效率均比第一代翻了一番，压缩比达到150倍左右，即可以把高清视频(在质量达到广播要求的情况下)压缩到1Mbps以下。
[0009]2013年上半年，第三代视频编码国际标准ITU-T H.265和IS0/IEC HEVC(HighEfficiency Video Coding，高效视频编码)颁布，编码效率比H.264又提高一倍。与此同步，我国制定了第二代AVS标准AVS2，称为《信息技术高效多媒体编码》。与第一代AVS标准相比，AVS2码率降低超过50%，即编码效率提高了一倍。对于监控视频等场景类视频，AVS2压缩效率又翻了一番，达到AVC/H.264的四倍，即压缩效率达到600倍。
[0010]尽管现代视频编码技术已经取得显著效果并得到广泛应用，压缩效率实现了“十年翻一番”，但还远未达到理想程度。根据现有的研究报告，2012年全球数据总量达到2.84ZB，到2020年，这个数字将上升到40ZB，约两年翻一番，其中监控视频占到了44%，在其他健康数据、交易数据、网络媒体、影视娱乐等数据中，图像和视频也占了很大部分。就我国来说，在公共场合安装的摄像机已经超过3000万支，这些摄像机产生了近百EB的视频，存储需要数千亿元。因此，视频编码效率“十年翻一番”的技术进步已经远远不能满足视频大数据“两年翻一番”的高速增长，如何提高视频的编码效率已经信息时代的重大挑战。
[0011]如上所述，视频概念的形成源于电影的发明，以图像序列表示视频这种技术方案背后的依据是人类视觉的视觉暂留现象，电影采用每秒24帧，电视采用25帧或30帧，可以基本满足人眼获得连续感的需要，这种技术设定也就随着电影电视和个人摄像设备的广泛应用而固化为技术定式。然而，其缺点也是显然的，这种表达动态影像的方法记录不了更高速运动，例如旋转的车轮、高速运动的兵兵球甚至足球，在视频监控中也捕捉不到运动细节，更不能支持科学研究和高精度检测等特种需要。新的高清和超高清电视也在尝试将帧率提高到每秒60帧甚至更高，以更好地表示高速运动的乒乓球等。但是这样的视频帧率并不能表示变化更快的物理现象，因而出现了高频率摄像机，其帧频可以达到每秒一千帧乃至一万帧甚至更高，带来的问题是数据量的大规模增长，相应的采集和处理电路设计代价高昂甚至不可能，更重要的是，帧率的增加意味着单帧曝光时间的降低，采集的单帧影像曝光量严重不足，作为弥补的办法是增加像素尺寸，而这又带来了空间分辨率的降低。所有这些问题，归根结题是视频采集和表示采用“先空间、后时间”的等时间间隔采集方法造成的，而这种方法只是电影出现时基于人类视觉暂留特性所做的一个技术选择，并不意味着就是表达动态影像的最佳方案。
[0012]因此，开发一种同时兼顾时间信息和空间信息的有效视频编码方法是一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0013]本发明的实施例提供了一种对时空信号进行编码的方法和装置，以提供一种同时兼顾时间信息和空间信息的时空信号的编码方法。
[0014]为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0015]根据本发明的一个方面，提供了一种对时空信号进行编码的方法，包括:
[0016]采集监测区域中的各局部空间位置的时空信号，对局部空间位置的时空信号按照时间进行累积，得到信号累积强度值;通过滤波器对所述信号累积强度值进行变换，在变换结果超过特定阈值时，输出一个脉冲信号；
[0017]将所述局部空间位置对应的脉冲信号按照时间先后排列成序列，得到表达所述局部空间位置信号及其变化过程的脉冲序列;将所有局部空间位置的脉冲序列按照空间位置相互关系排列成脉冲序列阵列，作为对所述监测区域的动态时空信号的一种编码。
[0018]进一步地，所述的采集监测区域中的局部空间位置的时空信号包括:
[0019]每个信号采集器从指定的局部空间位置采集时空信号，生成脉冲序列，完成时域采样;多个信号采集器排列成阵列互相配合，覆盖整个监测区域，完成对监测区域的空域采样。
[0020]进一步地，所述的对局部空间位置的时空信号进行累积，得到信号累积强度值，包括:
[0021]所述时空信号为光信号，所述信号采集器为光敏器件，实现光电转换，其输出端的电信号强度与采集的光强正相关;将一个信号采集器和一个或多个信号累积器连接，所述信号采集器将信号强度值传递给其所连接的信号累积器；
[0022]信号累积器对在过去一个时段内的信号进行累积，其输出端为累积信号强度;将一个信号累积器和一个滤波器连接，所述信号累积器将所述信号累积强度值传递给其连接的滤波器;所述滤波器以一个或多个累积器作为输入，按照特定滤波函数对输入的累积强值度进行变换。
[0023]进一步地，当所述信号采集器和多个信号累积器连接时，所述信号采集器将同一信号强度值同时输出给下游的所有信号累积器;或者，将信号强度值平均分配给下游的所有信号累积器;或者，或者将信号强度值按照一定的权重分配给下游的所有信号累积器，所述权重是信号累积器相对于信号采集器之间的空间位置距离的函数。
[0024]进一步地，所述信号累积器是限时滚动累积器或不限时累积器，所述限时滚动累积器只累积当前时刻之前一个特定时段内的信号，更早的信号自动清零;所述不限时累积器持续累积。
[0025]进一步地，所述的通过滤波函数对所述信号累积强度值进行变换，输出局部空间位置对应的脉冲信号，包括:
[0026]所述滤波器的滤波函数根据滤波器需要捕捉的空间位置的稀疏性而设定，滤波器需要捕捉的空间位置的稀疏性根据该滤波器关联的信号采集器所负责采集信号的局部空间范围而确定;通过冗余设计用多个滤波器覆盖监测区域，所述监测