硬件级视频编码和解码通过在视频数据进入网络之前直接在嵌入式设备上进行压缩来优化带宽。通过利用专用硬件执行离散余弦变换 (DCT) 和量化等复杂过程，这些设备可以将视频文件大小减小到原始体积的十分之一或更少，同时保留重要的视觉信息。
原始视频由于高空间和时间冗余会导致网络拥塞。硬件级处理通过在源头压缩数据来解决此问题，即使在受限的无线连接上也能同时传输多个视频流。
带宽优化机制
解决数据冗余问题
视频数据自然包含大量重复信息，称为冗余。这既发生在空间上（相邻像素通常相似），也发生在时间上（后续帧通常变化很小）。
如果不进行干预，传输这些冗余数据会浪费带宽并导致网络拥塞。硬件编码会识别这些模式，在传输前消除不必要的数据。
使用离散余弦变换 (DCT)
为了有效管理文件大小，嵌入式设备会采用离散余弦变换 (DCT)。这个数学过程将视频信号数据转换为频率数据。
通过转换数据结构，硬件可以分离出对人眼最重要的视觉信息。此步骤为高效压缩视频流做好了准备。
量化的影响
在 DCT 过程之后，应用量化以进一步压缩数据。此过程会降低 DCT 派生的频率分量的精度。
这是实现最大尺寸缩减的地方。通过量化，系统可以实现压缩比，将文件大小减小到原始大小的 10% 或更少，从而显著减轻网络负担。
理解权衡
平衡压缩与保真度
虽然硬件级编码非常高效，但激进的压缩会以图像质量为代价。参考资料指出“关键视觉信息”得以保留，但“关键”的定义是主观的。
高强度量化会减少带宽使用，但可能会引入视觉伪影。在蜂箱环境中，如果压缩比设置得过高，这可能会模糊昆虫行为的非常精细的细节。
硬件依赖性
依赖硬件级编码意味着嵌入式设备必须具备特定的功能。您不能仅仅依靠软件在低功耗设备上高效地执行这些任务。
设备必须拥有专用架构，能够在不导致过热或过度耗电的情况下执行 DCT 和量化。这需要仔细选择嵌入式硬件平台。
为您的目标做出正确选择
在实施蜂箱监控系统时，请将您的编码策略与特定的监控目标相结合。
- 如果您的主要重点是网络稳定性：优先选择更高的压缩比（使用 DCT 和量化），以确保多个视频流能够同时运行而不会造成拥塞。
- 如果您的主要重点是视觉细节：将硬件配置为使用较低的量化级别以保留精细细节，但要认识到这将消耗更多带宽。
硬件级编码不仅仅是一项功能；它是可扩展远程视频监控的根本赋能者。
总结表：
| 特征 | 过程 | 带宽影响 | 数据保留 |
|---|---|---|---|
| 冗余去除 | 识别空间/时间模式 | 高度降低 | 消除重复的像素/帧 |
| DCT 变换 | 将信号转换为频率数据 | 为压缩做准备 | 隔离重要的视觉信息 |
| 量化 | 降低数据精度 | 高达 90% 的缩减 | 专注于关键视觉细节 |
| 硬件执行 | 设备端处理 | 最低网络负载 | 实时、低功耗效率 |
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参考文献
- Ephrance Eunice Namugenyi, Benjamin Rukundo. Enabling Robust Sensor Network Design with Data Processing and Optimization Making use of Local Beehive Image and Video Files. DOI: 10.5121/csit.2024.140430
本文还参考了以下技术资料 HonestBee 知识库 .
