关键帧技术在视频资源管理中的应用

摘 要：为了进一步整合学校视频教学资源，提出一种基于关键帧技术的视频资源检索模式，通过对关键帧分析和提取技术的研究应用，提高了视频资源的利用效率，有效促进了教学和科研活动的开展。

关键词：关键帧分析；关键帧提取；视频资源

中图分类号：TP391.41

在社会信息化程度日益高涨的今天，越来越多的教师通过校园网来开展教学和科研活动，其中很大部分需要用到多媒体资源。教育领域对于传统的多媒体教学资源的开发、应用、组织与更新都提出了新的要求，数字化视频无疑是优化多媒体资源、实现教学改革的趋势。构建一个高效便捷的视频资源管理系统，使得师生可以快速检索到自己所需的视频资源，将会有效促进教学和科研活动的开展，充分提高教学资源的利用效率。

1 研究背景

随着高校校园网络和多媒体技术的快速发展，目前校园网内的视频资源主要存在以下问题：

（1）视频资源分布非常分散、利用率极低，资源分布在各个部门，没有专人统一管理。

（2）视频资源的存储方式多样化，以硬盘、VCD、DVD等形式为主，还有一部分传统的胶片、录像带等，没有一个统一的多媒体资源库。

（3）视频资源只能通过制作日期或名称来检索，缺少编目和关键帧信息，一旦时间久远就很难搜索到。

以上的问题均导致了视频资源不能快速检索、乃至不能得到利用，俨然成为制约高校教育现代化发展的重要因素。

2 关键帧技术

关键帧技术的应用主要依靠关键帧的分析和提取。关键帧分析和提取技术主要使用在媒体资料的上载（上传）和编目中，也包括对历史库存资料的批处理。

众所周知，帧是视频流中的一幅图片或一组图片，从视频流中提取任意一幅图片或指定的任意数量的图片是成熟的普通技术，技术的关键是如何识别一幅图片为“关键性图片”，也即关键帧。

关键帧（有时也称代表帧）是用于描述一个镜头的关键图像帧[1]，关键帧主要用在视频资源检索和浏览中。一个关键帧代表一段视频、一个场景或一个镜头的特征含义或标题性示意，它是一个镜头主要内容的直接体现。根据镜头内容的复杂程度不同，可以从中提取一个或多个关键帧。依靠关键帧可以大大减少视频索引的计算量，同时也构成了一个查询和检索视频的基本框架，通过关键帧还可以建立一段视频预览，使得用户通过预览片段中的几个有限的关键帧来快速检索整段视频。

2.1 关键帧分析和提取

人们可以通过对视频主题的理解、个人经验、管理要求和个人工作状态等来确定一幅图片是不是关键图片，而计算机只能根据图片的变化、图片的相似度和重复度、伴音的变化等因素来判断一幅图片是否关键帧。因此，分析和提取“关键性图片”的能力成为关键帧技术的重要因素。当然，计算机找到初步的关键帧后还需由工作人员进行二次甄别和筛选，甚至是补充采集和提取一些图片作为关键帧。所以，一个表现良好的关键帧分析和提取技术主要体现在以下两方面：

（1）能够准确的分析并提取出备选关键帧图片。

（2）尽量减少工作人员二次提取的工作量。

2.2 关键帧分析

关键帧分析技术是快速获取关键帧的前提，决定着所获取关键帧的质量和重要程度。在视频资源素材入库后，首先需要对视频资源素材进行关键帧分析，为随后进行的关键帧提取工作做好铺垫。目前，关键帧的分析主要是通过对码流的分析，图片相似性和重复性的判断，音频的变化等几方面来辨别关键帧[2]：

（1）码流的变化分析。视频资料通常进行压缩后进行传输和存储，相同大小但内容不同的原始视频经过压缩后具有不同的码流。码流的突然变化或长时间稳定往往意味着关键帧的出现。如场景变化引起内插帧的数据包突然变大，或一个镜头的背景长时间不变，相关内插帧则可以视为一个或多个候选关键帧。

（2）图片相似性和重复度判断。在一段视频素材中，如果一组相似的图片在视频中反复出现，则改组或其中具有代表性的图片则可以视为候选的关键帧图片。所以，对图片相似性的分析显得尤为重要，故采用图片相似性判断算法不同可能产生不同的结果。

（3）音频分析。音频分析的思路与视频码流分析的思路基本相似。突然变化的音频码流也往往意味着出现新的场景，也往往意味着关键帧的出现。与视频码流分析相配合，可以较准确的定位一组关键帧。

2.3 关键帧提取

关键帧提取技术是获取关键帧赖以实现的基础，决定着获取关键帧的效率和准确性。在完成关键帧分析工作后，为方便用户进行快捷的浏览和检索，就需要对视频资源素材进行关键帧提取工作，其原因是因为每段素材中有相当多的镜头都是在同一场景下拍摄（比如在同一间教师里完成拍摄的精品课程），势必造成一段素材中具有许多重复信息的帧图像。而一段视频的关键帧是反映该镜头中主要内容的一帧或若干帧图像，所以关键帧的提取实现了对动态视频的检索转换为对静态图像的检索，形成一个含有重要信息的预览图片系列，达到快速检索视频资源的目的[3]。

首先，为了能够更加准确的反映镜头中的主要内容，对关键帧的描述和选取也必须尽量准确；其次，为了便于将来存储、索引及检索等后续处理，关键帧的数据量应尽可能减小，且计算不宜太复杂。所以，采用关键帧技术对视频素材进行存储、索引及检索，可以有效起到数据压缩和提高检索效率的作用。目前，关键帧提取技术主要包括以下四种[4]：

（1）提取镜头固定时间轴上的帧作为关键帧，如第一帧、中间帧或最后一帧，或者相隔固定帧数采样一帧。这种方法实现起来极为简单，但是比较呆板，只能适合一些固定时间、固定场景的镜头。但是，一旦镜头复杂多变，这种方法就将不能有效地反映镜头内容。

（2）基于镜头活动性、内容复杂性等特征来提取关键帧。相比第一种方法，这个方法较能准确有效地反映镜头内容，但是还是依靠人们的经验判断为主，而不是究其视频本身属性作出的关键帧。

（3）通过分析视频视觉内容（如颜色直方图、运动信息等）随时间的变化情况确定所需关键帧的数目，并按照一定的规则为镜头抽取关键帧。这种方法相对比较的科学，不以人们的主观经验为判断，而是建立在一定的算法基础上，故实现成本相对较高。

（4）无监督聚类技术。这种方法是一个相对成熟的算法，其优点是能有效地消除镜头间的相关性，缺点是不能有效地保存远镜头内视频帧的时间顺序和动态信息。而且该算法比较复杂，实现起来有一定的困难，计算量较大。

4.结束语

本文通过对关键帧分析和提取技术的研究，并且完成关键帧技术在视频资源管理中的应用，以便满足不同层次需要的教学和科研，充分实现资源的高效利用和共享，将对提高资源利用率，促进校园资源共享，实现教育技术现代化起到积极作用。

参考文献：

[1]于俊清，彭丹霖.基于关键帧的视频摘要研究[J].计算机工程与设计，2005（10）：2598-2601.

[2]丁萍瑜.基于关键帧的动画视频检索研究[J].计算机光盘软件及应用，2012（02）：161-162.

[3]雷震，吴玲达，刘宇弛.基于事件的新闻报道分析技术研究进展[J].计算机应用研究，2007（05）：13-16.

[4]韩兵.新闻视频故事单元关联分析技术研究[D].国防科学技术大学，2010：11-12.

作者简介：倪朔东（1981-），男，江苏南通人，实验师，硕士，研究方向：P2P网络、流媒体；刘晶（1982-），男，江苏南通人，实验师，硕士，研究方向：多媒体技术。

作者单位：南通大学现代教育技术中心，江苏南通 226000

基金项目：江苏省现代教育技术研究2011课题（项目编号：2011-R-18957）；南通大学自然科学科研基金项目（项目编号：13Z039）。