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日本法政大学副教授提出超低功耗视频采集与编码系统

1. 监控系统实现低功耗的背景

日本作为全球安全性最强的国家之一，公共场所的监控系统尤为完善。随着5G和Smart City技术的普及，对监控系统的要求不断提高，包括高清晰度、低功耗视频采集与压缩、高速度传输以及准确的视频分析能力等。其中，本地端监控系统的功耗问题尤为突出，主要来自于视频采集和压缩环节。

2. 监控系统低功耗目标

2.1 视频采集中的耗电分布

视频采集与压缩是监控系统的关键环节，其中Image sensor的模拟信号转换为数字信号的过程，以及视频编码对像素点的压缩，是主要功耗来源。即使在仅追求低功耗的情况下，352x288的CIF视频的采集、压缩及传输仍需200mW的能耗，而我们的目标是在支持高清及4K分辨率的前提下，将能耗限制在40mW以内。

2.2 降低能耗的原因

日本东京地区已部署约1000万个监控摄像头，通过降低系统能耗可节约相当于小型发电站的功耗。监控系统另一个重要目标是实现快速编码，但目前主流的视频压缩算法（如H.264/AVC、H.265/HEVC、AV1等）都基于像素点压缩，复杂度高，难以满足低功耗需求。

3. 解决方案

3.1 图像采集方法对比

传统图像采集方法中，ADC将模拟信号转换为数字信号后进行像素点压缩。我们提出基于压缩感知的图像采集方法，在ADC之前对图像数据进行初步压缩，从而降低ADC功耗50-70%。这一方法在2013年已由索尼和斯坦福大学验证可行，并被应用于本研究。

3.2 基于压缩感知的图像采集系统

基于压缩感知的图像采集系统通过在摄像头处加入测量矩阵，将模拟信号转换为压缩数据后传递给ADC，减少模拟信号处理的次数和功耗。测量矩阵设计采用随机矩阵原理，确保输入信号在测量域稀疏性，从而降低ADC功耗。

3.3 现有视频压缩算法的兼容问题

传统视频压缩算法基于像素点压缩，难以兼容基于压缩感知的图像采集系统。因此，我们设计了一种新的编码方式，能够有效压缩来自压缩感知系统的测量数据。通过设计特殊的测量矩阵和预测算法，实现了视频压缩与图像采集的兼容性。

3.4 多方向帧内预测

为了进一步降低压缩率，我们在图像采集系统中加入多方向帧内预测功能。通过参考H.264的预测方法，设计了九方向预测矩阵，对残差进行量化和熵编码，从而显著提升压缩效率。

4. 系统效果对比

4.1 视频压缩到约20%的效果

采用基于压缩感知的图像采集系统，视频压缩率可达到约20%。图像采集功耗仅为传统方法的50%，压缩功耗更是低于HEVC Intra coding的10%。

4.2 不同采样率下的压缩效果

通过实验验证，不同采样率下的压缩效果如图所示。SR为0.25时，压缩率为25%，PSNR为31.84dB；SR为0.5时，压缩率为50%，PSNR为33.72dB；SR为0.75时，压缩率为75%，PSNR为35.12dB。结果表明，系统性能稳定可靠。

4.3 提高重建视频质量的算法

为提高重建视频质量，我们在系统中集成了四种视频解码端算法。这些算法通过优化预测和量化过程，显著提升了重建图像的质量，特别是在运动区域检测方面表现尤为突出。

5. 展望

本次分享的技术可不仅限于监控系统应用。超低功耗的视频采集与编码方法在多个领域均有广泛应用潜力。未来，我们将继续深化研究，推动视频压缩技术的进一步发展。

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