数字视频降分辨率算法的滤波器设计.doc

数字视频降分辨率算法的滤波器设计 袁莉，初秀娟，王志国（绥化学院，黑龙江绥化152061） 摘要：数字视频在不通终端上应用时往往需要将分辨率降低到原始分辨率的1/2或1/4。因而需要有合适的算法改善降分辨率后图像的清晰度，满足用户对显示图像质量的要求。基于视频转码的需要，针对分辨率转换算法中最常用的滤波与子采样法，设计了一种用于滤波与子采样法的5阶数字滤波器，并在编译器上进行仿真验证与评估。仿真结果显示，新滤波器表现出优异的峰值信噪比，并且在分块算法中依然优异。总之，这里提出的方法不但复杂度适中，适应性强，而且能够高效、高质量地完成数字视频降分辨率。 关键词：视频转码；分辨率；滤波与子采样法；滤波器 ：TN913?34：A：1004?373X（xx）20?0026?05 DesignoffilterforresolutionreductionalgorithmusedindigitalvideoYUANLi，CHUXiujuan，WANGZhiguo （SuihuaUniversity，Suihua152061，China） Abstract：Whenthedigitalvideoisusedindifferentterminals，theresolutionisoftenreducedbyafactorof2or4，soasuitablealgorithmisneededtoimprovetheimagesharpnessafterresolutionreductiontomeetuserdemandsforimagequality.Inviewoftheneedofvideotranscoding，afifth?orderdigitalfilterusedforfilteringandsub?samplingmethodwasdesigned，whichwasassessedandverifiedoninterpreter.ThesimulationresultsshowthatthenewfilterhashighPSNR（peaksignaltonoiseratio），andisstillexcellentintheblockalgorithm.Inshort，theproposedmethodhasmoderateplexityandstrongadaptability，andcanachievehighefficiencyandqualitydigitalvideoresolutionreduction. Keywords：videotranscoding；resolution；filterandsample；filter 各种数字视频实际应用在各种不同的终端设备上，如电脑、平板电脑、电视、手机等，他们支持不同分辨率和不同压缩标准的视频，因此经常存在对同一视频进行不同分辨率间转换的需求。例如使用手持终端设备接收观看运营商提供的标准清晰度数字电视节目，往往需要将节目分辨率降低到原始分辨率的12或14。因而需要有合适的算法改善降分辨率后图像的清晰度，满足人们对显示图像质量的要求。对于这样的实际需求，滤波子采样算法降分辨率的算法和物理结构实现相对简单，适合在软硬件系统中集成。但是此方法的滤波器设计尤为关键，需要大量的数学和信号系统相关的建模和演算。设计一个性能良好的滤波子采样降分变率方法，并且进行全面系统地测试，对分辨率转换相关软硬件设计有指导意义。另一方面，国内外大部分算法都是在像素域分块后在变换域（如AVS域、DCT域等）进行，保证了速度但因为分块操作引入了峰值信噪比（PSNR）的损失（称之为块效应）。对块效应的分析评估可以在转换速度与精度中找到平衡点，可以有效地指导以及优化各种算法的设计和实现，为图像领域未来的各种算法设计、程序设计和硬件设计都有深远影响。 本文基于视频转码的需要，设计并实现了一种应用于此方法的5阶数字滤波器，并在编译器上进行仿真验证与评估，取得了令人满意的结果。此滤波器在像素域88分块后使用，表现依然良好。 1滤波与子采样法 滤波与子采样法降分辨率基本过程如图1所示。将图像X的行与列看做数字序列，用一个系统函数对其滤波，滤去高频分量，得到图像Y，然后等间隔取出像素点组成新的图像。 综上所述，滤波与子采样降分变率方法的第1步为滤波，对于k阶的滤波与子采样降分变率方法，所用到的低通滤波器系统的方程为： 2滤波器设计 2.1设计滤波器阶数 严格来说，可以采用FIR等方法，直接设计滤波器。采用有限冲击响应数字滤波器（FIR）设计步骤： 3算法评估与结果 3.1测试材料 3.2评估标准 算法输出结果与参考标准对比，计算PSNR，用于评估算法。本文中的参考标准有两种，由DCT域法降分辨率法生成。DCT域法降分辨率是通过DCT变换（离散余弦变换），在变换域内进行的降分变率过程。DCT系数的特点是图像经DCT变换后，大部分能量都保留在DCT矩阵的低频带（左上角矩阵），去除高频系数，得到的左上角矩阵保持着图像的大部分信息。再经过逆DCT变换，可以得到低分辨率图像。 参考标准1是全图的二维DCT变换法，如图9所示。参考标准1的算法计算量很大，尤其是对整体图像做DCT变换和IDCT（InverseDCT）变换（反DCT变换）的步骤，但是结果是较为理想的，仅用于算法对比，一般不用于实际的视频降分辨率。 形成仅含有低频成分的DCT系数；二维逆DCT变换； 等间隔抽样 图9参考标准1产生步骤：全图的二维DCT变换法 参考标准2是DCT域88分块算法，如图10所示。 实际的降分辨率算法中，为了降低算法复杂度，往往先对图像进行等大小分块，然后对分割得到的小图像分别进行处理。参考标准2的算法计算量适中，但是结果较参考标准1稍差，可作为实际的视频降分辨率算法。本文将其用于对像素域平均法、滤波与子采样法的评估。 这种分块的算法有时的确能大幅降低算法复杂度（尤其是DCT变换），然而它并不适用于全部算法，而且即使适用，分块也会引起的图像质量变差，这种由分块处理引起的图像质量下降称作块效应。使用时，要综合考虑计算复杂度和块效应，将图像质量的下降控制在合理、可接受的范围内。高阶的滤波子采样法不宜应用分块方法，因为会有大量的滤波抽头点在分块以外。 3.3像素域单帧对比测试 参加对比的算法：像素平均值法（1阶滤波子采样法）H=11；（5阶）滤波子采样法H=1-52020-51；（5阶）过滤子采样法H=-23993-2。测试图像：3个不同文件的第一帧，CIF格式。参考标准1为QCIF文件Ref_DCT.yuv；参考标准2为QCIF文件Ref_DCT8.yuv。从表1可看出，宽矩形窗H=1-52020-51得到的降分辨率图像的PSNR并不好，甚至不如1阶滤波子采样。原因是变换分辨率后保留了过多的高频分量。而本文提出的H=-23993-220表现出优异的PSNR。 3.4块效应的影响 整块滤波采样对比88分块滤波采样：4个yuv输入文件（Bridge，Foreman，Mobile，Mother?daughter），分别连续测试前300帧。测试1：以整块DCT变换为参考标准，比较PSNR；测试2：以88分块DCT变换为参考标准，比较PSNR。测试数据如图11所示。现在计算图11中整块与分块结果的PSNR的差值的绝对值的最大值Max(|PSNR|)，如表2所示。可以看出，在88分块中，PSNR的变化并不多，在合理范围之内，说明了这个5阶滤波器在分块算法中的适应性。 3.5综合对比测试 测试对象为CIF图像“Mobile.yuv”，一共300帧。要测试的算法包括：对整个图像的像素平均值法H=11（88分块后的像素平均值法与之相同）；对整个图像的滤波子采样法H=-23993-2；88分块后的滤波子采样法H=-23993-2。参考标准有2个：整个图像的DCT变换法；88分块DCT变换法。综合对比测试的结果见图12。 分析如下：首先像素平均值法在不同参考标准下质量表现都是最差，其次结果也体现了算法分块方式相同则结果接近的特点。本文提出的5阶滤波H1D=120-23993-2子采样法复杂度适中，结果令人满意。此滤波方法在88分块中表现依然良好。 4结语 本文基于视频转码的需要，设计并实现了一种分辨率转换的算法，着重研究了CIF格式到QCIF格式的分辨率转换，并在编译器上进行仿真验证与评估。特别的，本文设计提出了一个性能良好的5阶滤波?H1D=120-23993-2子采样降分变率方法，对分辨率转换相关软硬件设计有指导意义。 参考文献 1RICHARDSONIE.TheH.264advancedvideopressionstandardM.Hoboken，NewJersey：JohnWiley&Sons，xx. 2RAOKR，KIMDN，HWANGJJH.264/MPEG?4advancedvideocodinginvideocodingstandardsM.Berlin，Germany：SpringerNetherlands.xx. 3GAOW，MAS.videocodingbasicprincipleinadvancedvideocodingsystemsM.Berlin，Germany：SpringerIn