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h2 6 3 税额压缩编码算；圭的改进及d s p 实现中文摘要 h 2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 中文摘要 视频压缩基于两个因素：一个是每帧图像的空间冗余度；另一个是 视频信号相邻帧之间的时间冗余度。视频压缩编码的目的是要减少视频 序列的码率，以便能够在给定的通信信道上实时传输视频。 f l 2 6 3 以运动估计补偿和d c t 交换混合编码为核心。d c t 变换后低 频系数间存在较强的相关性没有得到消除，考虑到d c t 和小波变换有一 定的相似之处，本文提出基于d c t 系数小波重组的图像压缩算法 s a d s p i h t 。对图像8 x 8 子块分割进行d c t ，变换系数重组成近似小波 变换结构系数。运用绝对误差和的方法，去除低频段系数之间冗余信息。 在此基础上，进行小波的s p i h t 编码，完成数据压缩。实验数据表明， 本文提出的编码方法比传统的基于d c t 编码方法，在图像质量方面有了 很大提高。 针对视频序列图像内和相邻图像间存在时空相关| 生，且目前的搜索 算法大都易陷入局部极小，本文提出基于时空相关性的运动估计自适应 算法一a d s 。对从标准格式的图像序列文件中取出的每帧图像进行固 定块分割，利用时空相关性对宏块进行类型划分，并预测当前块的搜索 起点。根据不同的图像内容对不同的宏块采用不同的搜索模式，依据 m a d 匹配准则得到最佳匹配块。实验表明，采用本文算法处理的序列图 像，可获得与f s 接近的重建图像质量和信噪比，同时降低了计算复杂度。 将上述h 2 6 3 视频压缩编码改进方法用d s p 实现，该系统采用高速 d s p 器件t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 代替专用算法芯片，采用d s p b i o s 作为 操作系统。通过代码优化后，在4 0 9 6 k b i t s 的比特率下，实现完全的实 ! ! ! ! 塑塑堕曼苎釜箜塾垄墨! 竺! 翌 奎塑茎 时性，基本观察不到延时，通过显示器显示解码图像，得到良好的图像 质量。 关键词：h 2 6 3 视频小波重组时空相关性 a d s 作者：陈宏 指导教师：俞一彪 ! 垩鬯! 婴竺! 堕望! 塑! ! ! 竺垦竺里! 堕! 竺曼鲤竖垒! g ! ! 塑竺! ! 竺! 竺塑堡! 婴竺! 竖旦翌垒塑 i m p r o v e m e n t o fh 2 6 3v i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n g a l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o nu s i n gd s p a b s t r a c t v i d e oc o m p r e s s i o nb a s e so nt w of a c t o r s o n ei st h es p a t i a lr e d u n d a n c y o fe v e r yi m a g e ；t h eo t h e ri st h et e m p o r a lr e d u n d a n c yo fn e i g h b o rf l a m e i m a g e si nv i d e os e q u e n c e s t h ea i mo f v i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gi st or e d u c e t h eb i tr a t eo fv i d e os e q u e n c e s s ot h a tv i d e oc a nb er e a lt i m et r a n s f e r r e di n f i x e de o m m u n i c a t i o nc h a n n e l t h ec o r eo fh 2 6 3i sm o t i o ne s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dd c tt r a n s f o r m c o d i n g w h e na ni m a g ei st a k e nb yd c tt r a n s f o r m , t h es t r o n g e rc o r r e l a t i o n a m o n gt h el o wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n t si s n o te l i m i n a t e d c o n s i d e r i n gt h e s i m i l a rb e t w e e nd c ta n dd 、v t a ne m b e d d e dc o d i n gm e t h o db a s e do ht h e s i m i l a rw a v e l e tc o e f f i c i e n t ss t r u c t u r ei sp r o p o s e d t h em e t h o dr e a r r a n g e s c o e f f i c i e n t so f8 8b l o c kd c ta n dr e d u c e sh i 曲c o r r e l a t i o nb e t w e e nt o w f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t sb y as u mo fa b s o l u t ed i f f e r e n c em e t h o d t h e n ，i m a g ei s c o m p r e s s e db ys p i h tc o d i n gw i t hh i 曲p s n ra th i 曲c o m p r e s s i o nr a t i o e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o ws i g n i f i c a n t l y i m p r o v e dp e r f o r m a n c e i n i m a g e q u a l i t y a c c o r d i n gt ot h et e m p o r a l s p a t i a ic o e l a t i o nb e t w e e nt h en e i g h b o r i m a g e so f v i d e os e q u e n c e sa n dt h ee q a c r o b l o c k so fa ni m a g ea n dt h em o s to f s e a r c h a l g o f i t h m sg e a i n gi n t o l o c a ls m a l l n e s s ，an e wm o t i o ne s t i m a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt e m p o r a l s p a t i a lc o r r e l a t i o np r o p e r t yi sp r o p o s e d e a c h f r a m ei m a g e ，w h i c hi st a k e nf r o ms t a n d a r di m a g es e q u e n c e s ，i ss e p a r a t e db y b l o c k t l l i sp a p e rc l a s s i f i e st h em a c r o b l o c k sb yu s i n gt e m p o r a l s p a t i a l c o r r e l a t i o n ，a n dp r e d i c t st h ei n i t i a lp o i n t i ts e l e c t sd i f f e r e n ts e a r c hm o d e s i i i improvem，entofh263videocompressioncodinga1gorithmandimplementauonu s i n gd s p a b s t r a c t a c c o r d i n gt od i f f e r e n ti m a g ec o n t e n t s ，a n dg e t st h eb e s tm a t c h i n gb l o c k i n a c c o r d a n c ew i t hm a dr u l e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o ws i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d p e r f o r m a n c ei ni m a g eq u a l i t ya n d r e d u c e dt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h ei m p r o v e dh 2 6 3a l g o r i t h mi sr e a l i z e db yd s et h es y s t e ma d o p t s t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s pi n s t e a do fe x p e r tc h i pa n da d o p t sd s p b i o sa s o p e r a t i n gs y s t e m a f t e ro p t i m i z i n g ，t h es y s t e mc a l lr e a l i z ee n t i r er e a l - t i m ea t 4 0 9 6 k b i t sa n dc a n tb eo b s e r v e do b v i o u sd e l a y i tg e t sc l e a ri m a g e s k e y w o r d s ：h 2 6 3 ，v i d e o ，d c tc o e f f i c i e n t sr e a r r a n g e db yw a v e l e t s 扛u c t u r e ，t e m p o r a l - s p a t i a lc o r r e l a t i o n ， a d s w r i t t e nb yc h e n h o n g s u p e r v i s e db yy u y i b i a o 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创一眭声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：煎：瘟日期：立! ! ，：工、2 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名 一 导师签名 日期：望坚。12 日期：点曼= 2 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第一章引言 第一章引言 本章概述了视频压缩编码算法的基本概念和基本原理，并介绍了视 频压缩编码技术的研究现状及研究意义，分析了目前提高压缩率和图像 质量的方法，以及本课题的主要研究内容。 1 1 视频压缩编码概述 视频压缩基于两个因素：一个是每帧图像的空间冗余度；另一个是 视频信号相邻帧之间的时间冗余度 1 】。视频压缩编码的目的是要减少视 频序列的码率，以便能够在给定的通信信道上实时传输视频。一个典型 的视频压缩技术是将首帧图像按静态图像编码，接着确定出前一帧与当 前帧图像的差值，通过对这些差值进行编码得到后续帧图像的编码【1 】。 视频压缩编码算法分为基于波形的编码算法和基于内容的编码算法。 1 9 9 0 年，国际电信联盟i t u t ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n - t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 制定了h 2 6 1 标准，适 合于窄带i s d n 速率( p x 6 4 k b p s ) 的图像编码，它可应用于会议电视，可 视电话等 1 】。但是，对于更低的传输速率场合，h 2 6 1 1 2 标准的视频质量 往往难以令人满意。1 9 9 6 年3 月制定的h 2 6 3 1 2 标准就是为这一目标制 定的。 h 2 6 3 视频压缩编码标准在h 2 6 1 标准的基础上做了一些重要的改 进，包括【2 】： ( 1 ) 半像素运动补偿：在物体运动需要高的空间分辨率以实现精度模拟的 情况下。可大大提高运动补偿算法的预测能力。运动矢量的编码是用 三个邻近宏块的中值运动矢量作为对该矢量的每个分量的预测。 ( 2 ) 改善的可变长编码，包括三维v l c 以提高d c t 系数编码的效率。 ( 3 ) 在块组级以及m t y p e 和c b p 编码中降低开销。 ( 4 ) 支持更多图像格式：s u b q c i f ( 1 2 8 9 6 像素) ，q c i f ( 1 7 6 1 4 4 像 素) ，c i f ( 3 5 2 2 8 8 像素) ，4 c i f ( 7 0 4 5 7 6 像素) ，1 6 c i f ( 1 4 0 8x1 1 5 2 h 2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现第一章引言 像素) o ( 5 ) 不受限的运动矢量：它允许指向图像的外面，在摄像机运动或运动发 生在图像边界的情况下可提高编码效率。 ( 6 ) 先进预测模式，提供了两个改善：个是重叠块运动补偿( o b m c ) 可用来预测图像的亮度分量，它提高了预测性能并显著减少了块失真； 另一个是个宏块可选择使用四个运动矢量，每个亮度块一个。 ( 7 ) p b 帧模式是把双向预测图像与一般前向预测图像一起编码的一种模 式。 h 2 6 3 按照分层的形式组织码流。码流结构分为四层，依次是图像层 ( p i c t u r el a y e r ) 、块组层( g o bl a y e r ) 、宏块层( m a c r o - b l o c kl a y e r ) 和块 层( b l o c k l a y e r ) 【3 】。主层为图像层，以一个图像头开始，后面跟有数个 g o b 。再下面为宏块层，由一个可能包含运动矢量的头和跟随其后的若 干个块组成。 目前h 2 6 3 在视频会议和视频电信有很广泛应用，包括：桌面环境或 室内环境下的会议系统；通过i n t e m e t 或电话线路实现的视频通信；电子 监视和操作；远程医疗( 在远程进行医学咨询和诊断) ；基于计算机的培 训与教育。 视频编码标准的发展始于二十世纪八十年代，经历了三个阶段：竞 争、集中、和验证。视频压缩编码标准的制定工作主要由国际标准化组 织( i s o ) 和国际电信联盟( r r u ) 完成。由i t u 组织制定的标准主要是 针对实时视频通信的应用，如视频会议和可视电话等，以h 2 6 x 命 g ( 如 h 2 6 1 ，h 2 6 2 ，h 2 6 3 和h 2 6 l ) 【4 】；由i s 0 组织制定的标准主要针对视频数 据的存储、广播电视和视频流的网络传输等应用，以m p e g - x 命名( 如 m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g - 4 ，m p e g - 7 等) 【5 】。目前的视频编码国际标 准的基本方法都是采用了基于d c t 变换的混合编码方法，不同的标准针 对不同的应用，采取了不同的编码策略来改进编码效率和获得更好的图 像质量。我们在下一节以h 2 6 3 标准为例，介绍视频压缩编码的基本原理。 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第一章引言 1 2h 2 6 3 视频压缩编码的基本原理 h 2 6 3 以运动估计补偿【3 】和d c t 变换 2 混合编码为核心，原始视频 数据分为图像层、块组层、宏块层、块层四层；另一方面h 2 6 3 吸收了 m p e g 等其它一些国际标准中有效合理的部分，如：半像素精度的运动估 计，p b 帧预测等。h 2 6 3 共有i 帧，p 帧，p b 帧三种帧模式和帧内编码 ( i n t r a ) 、帧间编码( i n t e r ) 两种编码模式。另外为了进一步提高编码 效率，h 2 6 3 提供了四种可选的编码算法，分别为无约束运动矢量算法， 基于句法结构的算术编码，先进预测模式和p b 帧模式。图1 - 1 为h 2 6 3 标准中视频编码器的框图。 图1 1h 2 6 3 编码器构成框图 系数流 运动 矢量 输入的数字视频信号经过帧问预测，送到变换单元。在变换单元中， 对8 x8 的数据块( 像素或预测误差) 进行二维d c t 变换，变换后的系数大 多集中在变换系数矩阵的左上角( 低频部分) ，然后再对这些系数进行量 化。量化器的量化步长的改变受控于编码控制器。量化器的输出除了作 为源编码器输出以外，还经反量化和反变换后送至运动补偿，运动补偿 后的预测值再与当前输入的视频信号相减得到帧间预测值。从图中可以 看出h 2 6 3 编码器除了送出量化后的变换系数以外，还包括一系列的附加 信息，以供解码器使用。量化后的系数经过变长编码，再和附加信息按 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第一章引言 照规定的视频码流结构进行复合，形成统一的复合视频数据流。图中的 两个切换开关分别表示系统工作在帧内( i n t r a ) 帧间( i n t e r ) 模式。 h 2 6 3 的输入视频帧格式为q c i f ( q u a r t e rc o m m o ni n t e r m e d i a t e f o r m a t ，大小为1 7 6 1 4 4 ) 、c i f ( c o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t ，大小为3 5 2 2 8 8 ) 等。将每个视频帧分成许多宏块( m b ：m a c r o b l o c k ) ，每个宏块 由4 个y 亮度块、l + c b 色度块和l + c r 色度块组成。块( b l o c k ) 的大小为8 8 。h 2 6 3 以宏块为单位进行视频帧的压缩。h 2 6 3 使用离散余弦变换 d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 减小空间冗余，使用运动估计和运动补偿 ( m o t i o ne s t i m a t i o na n dm o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 减小时间冗余。h 2 6 3 有两 种编码方式，一种是i n t r a 力- 式，帧内编码，产生的帧作为关键帧一i 帧；另 一种是i n t e r 力 式，帧间编码，产生的帧作为非关键帧一p 帧【6 】。 d c t 变换中，能量集中在少部分d c t 系数上，随着量化步长的增大， 被量化为零的d c t 系数增多，而且对d c t 计算的精度要求降低。于是， 采用一种零系数预测策略，即根据量化步长，首先对d l 珂变换的输入数 据分类，对于给定的量化步长，如果输入数据将要被量化为0 ，那么这些 数据就不必做d c t 运算，而直接将变换结果置为0 。这样只需对部分数据 进行d c t 变换，因此节省了大量无效运算。 运动估计是指在参考帧中搜索一个与当前帧图像块最相似的图像 块，即最佳匹配块，搜索结果用运动向量来表示。运动补偿是指利用参 考帧和已求得的运动向量重构当前帧，把重构帧和当前帧的差值作为当 前帧的补偿值进行压缩编码。两者互相配合，共同实现压缩效果。 通过分析和测试表明，d c t 、运动估计和运动补偿是h 2 6 3 最重要 的部分，同时也是h 2 6 3 实现中最耗时的运算环节。要提高h 2 6 3 的运 算速度，就要针对这些环节进行优化。 1 3 视频压缩编码存在的问题 目前，尽管视频压缩技术已取得了相当大的进展，而且在某些方面 还有了重大的突破，但也存在着一些问题，需要在以后的研究中进一步 深入。 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第一章引言 ( 1 ) 帧内图像压缩算法有待改进。从视频序列中取出的帧图像进行块分 割，对每个块做d c t 变换。其中低频能量集中到某些系数，且数 值较大；高频能量系数相对较小。由于低频段系数之间有着较强的 相关性，存在着冗余信息，影响到了压缩比。在h 2 6 3 标准中，并 没有对这种相关性进行很好的处理。 ( 2 ) 帧间的运动估计和运动补偿算法不够完善。传统的块匹配运动估计 算法将图像固定分块并假设整个块作平移运动，没有考虑图像景 物内容，也没有充分考虑运动的时间相关性，因而估计得到的运动 矢量一致性差。许多运动搜索算法，比如：三步搜索法( t s s ) 【7 】、 二维对数搜索法( t d l ) 8 】、交叉搜索算法( c s ) 【9 】等，通过限 制搜索位置的数目来减少计算量，易使搜索陷入局部极小。全搜索 运动估计算法( f s ) 【1 0 是目前估计精度最高的搜索算法，但由于 它的运动搜索复杂度高，硬件实现难度大，因此不适合实时应用。 1 9 9 9 年1 0 月被m p e g - 4 采纳并收入模型的菱形算法，具有简单， 鲁棒，高效的性能，是现有性能最优的快速搜索算法之一，但由于 始终采用固定的搜索模型，导致估计精度的降低。目前的运动估计 算法，都没有利用到运动块的时空相关性。 ( 3 ) 实时传输的速率和图像质量得不到保证。视频信息数据量大，所需 的传输频带较宽，常常使传输无法实现。因此，在保证一定通信质 量的前提下，压缩视频信息的数据量，从而压缩所需传输信道的带 宽是实现视频传输的个关键。 总之，未来视频压缩编码算法的研究将从提高压缩比和图像质量方 面着手，进一步改进帧内图像的压缩编码算法，改善帧问视频序列的运 动估计和补偿算法，降低运算复杂度，提高图像质量。另外对实现实时 传输的硬件研究也是未来视频压缩技术发展的热点。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题对h 2 6 3 视频压缩编码算法进行帧内和帧间的改进研究，帧内 利用小波技术进行改进处理；帧间对运动估计部分进行改进处理。改进 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第一章引育 后的系统，提高了编码效率。最后，进行系统的d s p 实现，获得较好的图 像质量。 本课题研究内容包括以下五部分： ( 1 ) 提出基于d c t 系数小波重组的图像压缩算法一s a d s p i h t 。运 用绝对误差和去除法降低低频段系数的冗余度； ( 2 ) 建立了基于d c t 的图像压缩编码系统，并采用本文提出 s a d s p i h t 压缩算法，通过实验证明提高了图像质量； ( 3 ) 提出了基于时空相关性的自适应运动估i - i - 算法一a d s 。利用时 空相关性对宏块进行类型划分，并预测当前块的搜索起点。 ( 4 ) 运用本文提出的a d s 算法，进行了对标准q c 礤视频序列进行运 动估计，寻找最佳匹配块的实验，结果表明该方法能有效地降 低运算复杂度，获得较好的重建图像质量。 ( 5 ) 将构造好的视频编码系统下载到d s p , - 芯l , 片t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 上。将输入的视频信号经过编码器和译码器的处理后，实时显 示到显示屏上。反复调试系统，直至图像能够清晰显示。 6 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现第二章图像压缩算法和运动估计算法 第二章图像压缩算法和运动估计算法 图像是信息交流最为重要的载体，同时也是含信息量最大的信号之 一，图像压缩算法是视频压缩算法的重要组成部分。运动估计算法是视 频压缩编码中的关键技术。本章首先介绍图像压缩算法的发展，主要介 绍小波技术在图像压缩算法中的应用，具体介绍了嵌入式编码算法。然 后介绍运动估计算法的基本方法，详细介绍块匹配算法和全搜索算法。 2 i 图像压缩算法 2 1 i 图像压缩算揪 多媒体信息源，特别是视频图像信息源，其信息冗余度很高，图像 数据中存在着多种冗余度，若能去除这些冗余数据，就可以使原始图像 数据量极大地减少，解决图像数据量巨大的问题。图像压缩算法就是去 除系数间的自相关性和互相关陛。压缩后图像占用空间小，图像质量获 得提高。 针对不同的数据冗余，可使用不同的压缩编码方法。经典的图像压 缩编码方法就是利用统计冗余来达到减少图像数据量的目的。图像压缩 编码分为有损压缩编码和无损压缩编码。其中无损压缩编码有霍夫曼编 码，算术编码，游程编码等；有损压缩编码有预测编码，变换域编码等。 有损压缩可以减少图像在内存和磁盘中占用的空间，它的特点是保持颜 色的逐渐变化，删除图像中颜色的突然变化。利用有损压缩技术可以大 大地压缩文件的数据，但是会影响图像质量。无损压缩的基本原理是相 同的颜色信息只需保存一次。无损压缩方法的优点是能够比较好地保存 图像的质量，但是相对来说这种方法的压缩率比较低。 1 9 9 1 年，国际标准化组织( i s o ) 和国际电话电报咨询委员会( c c i t t ) 联合制定了j p e g 11 ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e l sg r o u p ) 图像压缩标准， 它定义了摄影图像通用的压缩编码方法。j p e g 定义了不兼容的编码方 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第二章图像压缩算法和运动估计算法 法，在它最常用的模式中，它是带失真的， p e g 的另个显著的特点是 它的压缩比例相当高，原图像大小与压缩后的图像大小相比，比例可以 从1 到8 0 9 0 不等。这种方法效果也好，适合多媒体系统。图2 - 1 为 p e g 编码流程图。 原始 图像 图像分 成8 * 8 量化 、 嫡编码 子块 dct 图2 1j p e g 编码流程图 p e g 标准中实际定义了三种编码系统： ( 1 )基于d c t 的有损编码基本系统，可用于绝大多数压缩应用 场合。 ( 2 )用于高压缩比、高精度或渐进重建应用的扩展编码系统。 ( 3 )用于无失真应用场合的无损系统。 p e g 压缩的主要目标有：高压缩比；使用多参数；对任何类型 的连续色调图像都能得到良好的效果；几种运行模式：顺序模式；渐进 模式；无损模式；分级模式。 压缩比和解码图像的峰值信噪比是图像压缩算法研究的焦点。目 前，在提高压缩率，图像质量等方面的研究方法很多。近几年，利用小 波技术进行图像压缩成绩尤为突出。 2 1 2 小波图像压缩算法 小波图像压缩的基本思想是：对原始图像进行小波变换，转换成小波 域上的系数，然后对小波系数进行量化编码。由于小波变换后原始图像的 能量主要集中在少部分的小波系数上，所以通过略去某一阈值以下的系 数，只保留那些能量较大的系数就可达到图像压缩的目的。 1 9 8 9 年，m a l l a t 把小波变换用于图像压缩，开创了小波用于图像压缩 的先河。小波变换是一种时频分析方法，它在时域和频域均具有良好的局 部化特性。它对于不同的频率成分在时域上的取样步长是调节性的，因此 缩据 压数 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第二章图像压缩算法和运动估计算法 在实际应用中可以根据需要将图像或信号分解到一些合适的尺度上，然后 再根据不同的要求作适当的编码。近几年，小波分析迅速成为图像压缩 领域的一只生力军，成为人们研究的亮点和热点。 2 0 0 0 年8 月，国际标准化组织制定了j p e g2 0 0 0 1 1 2 1 国际标准化草案。 j p e g2 0 0 0 与传统j p e g 最大的不同，在于它放弃了j p e g 所采用的以离散 余弦变换( d c t ) ，为主的区块编码方式，而采用以小波转换( w r ) 为 主的多解析编码方式。离散子波变换算法( d w t ) 【1 3 】是现代谱分析工 具，在包括压缩在内的图像处理与图像分析领域正得到越来越广泛的应 用。此# i j p e g 2 0 0 0 还将彩色静态画面采用的j p e g 编码方式与二值图像采 用的j b i g 编码方式统一起来，成为对应各种图像的通用编码方式。简单 原理如图2 2 所示【3 】。 图2 - 2j p e g 2 0 0 0 简单原理图 j p e g 2 0 0 0 标准在编码端以最大的压缩质量( 包括无失真压缩) 和最 大的图像分辨率压缩图像，在解码端可以从码流中以任意的图像质量和 分辨率解压图像，最大可达到编码时的图像质量和分辨率。它的最主要 的特征如下【3 】： ( 1 ) 高压缩率t 由于在离散子波变换算法中，图像可以转换成一系 列可更加有效存储像素模块的“子波”，因此，j p e g 2 0 0 0 格式 的图片压缩比可在现在的j p e g 基础上再提高1 0 3 0 ，而 且压缩后的图像显得更加细腻平滑。 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第二章图像压缩算法和运动估计算法 ( 2 ) 无损压缩和有损压缩：j p e g 2 0 0 0 提供无损和有损两种压缩方 式，同时j p e g 2 0 0 0 提供的是嵌入式码流，允许从有损到无损 的渐进解压。 ( 3 ) 渐进传输：采用j p e g 2 0 0 0 格式的图像支持渐进传输 ( p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n ) 。所谓的渐进传输就是先传输图像轮 廓数据，然后再逐步传输其他数据来不断提高图像质量。 ( 4 ) 感兴趣区域压缩：指定图片上感兴趣区域( r e g i o n o fi n t e r e s t ) ， 然后在压缩时对这些区域指定压缩质量，或在恢复时指定某些 区域的解压缩要求。这是因为子波在空间和频率域上具有局域 性，要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精 确保留，只要对应它的一部分编码没有误差就可以了。 ( 5 ) 码流的随机访问和处理：这一特征允许用户在图像中随机地定 义感兴趣区域，使得这一区域的图像质量高于其它图像区域； 码流的随机处理允许用户进行旋转、移动、滤波和特征提取等 操作。 ( 6 ) 基于内容的描述：图像文档、图像索引和搜索在图像处理中是 一个重要的领域。 j p e g 2 0 0 0 标准提供了套新的特征，这些特征对于一些新产品( 如 数码相机) 和应用( 如互联网) 是非常重要的。它把j p e g 的四种模式( 顺 序模式，渐进模式，无损模式和分层模式) 集成在个标准之中。j p e g 2 0 0 0 应用的领域包括互联网、彩色传真、打印、扫描、数字摄像、遥感、移 动通信、医疗图像和电子商务等等。 2 1 3 嵌入式编码算法 嵌入式编码就是编码器将待编码的比特流按重要性的不同进行排序， 根据目标码率或失真度大小要求随时结束编码；同样对于给定码流解码 器也能够随时结束解码，并可以得到相应码流截断处的目标码率的恢复 1 0 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现第二章图像压缩算法和运动估计算法 图像。嵌入式编码中首先传输的是最重要的信息，也就是幅值最大的变换 系数的位信息。小波系数的分布特点是越往低频子带系数值越大，包含的 图像信息越多，而越往高频子带系数值越小，包含的图像信息越少。就是 在数值相同的情况下，由于低频子带反映的是图像的低频信息，对视觉比 较重要，而高频子带反映的是图像的高频信息，这样对相同数值的系数 选择先传输较低频的系数的重要比特，后传输较高频系数的重要比特。 正是由于小波系数具有的这些特点，它非常适合于嵌入式图像的编码算 法。 嵌入式编码典型代表是嵌入式零树小波编码算法( e z w ) 【2 【1 4 】和 基于分层树集合分割排序的编码算法( s p i h t ) 2 1 1 1 5 1 。s h a p i r o 于1 9 9 3 年提出了嵌入零树小波( e z w ：e m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e t ) 算法。这种方 法很好地利用了小波系数的特性使得输出的码流具有嵌入特性，既实现 了高的压缩比，又保证了重建图像的质量。零树编码思想是建立在一个假 设之上：如果一个在粗刻度上的小波系数x ，相对于门限是无意义的，即 i x l - 扩 集分割排序算法使用了下述4 个坐标集： ( 1 ) 0 ( i ，j ) ：节点( i ，j ) 的4 个儿女的坐标集。若节点( i ，j ) 是 空间方向树的叶子，则o ( i ，j ) 为空。 ( 2 ) d ( i ，j ) ：节点( i ，j ) 的子孙的坐标集。 ( 3 ) h ( i ，j ) ：所有空间方向树的根的坐标集。 ( 4 ) l ( i ，j ) ：差集d ( i ，j ) 一0 ( i ，j ) ，包括节点( i ，j ) 的所有 子孙，但除了它的儿女。 在s p i 盯i 算法中，集合的分割策略如下式所示： n ( i ，) = c ( i ，力- i - d ( i ，_ ) d ( i ，) = o ( i ，j ) + l ( i ，) l ( i ，_ ，) = d ( 七，z ) ( k ，1 ) 0 ( f ，) ( 3 1 1 ) 空间方向树用于生成与分割集t 。集分割原则如下： ( 1 ) 对于所有( i ，j ) e h ( 即对于所有空间方向树的根) ，初始集 为似列粑配d 。 ( 2 ) 若d ( i ，j ) 是显著的，就把它分割成l ( i ，j ) 和4 个包含( i ， j ) 4 个儿女的单元素集。换言之，若节点( i ，j ) 的任何一个 子孙是显著的，则该子孙的4 个儿女将变成4 个新集合，所有 其他子孙构成另个集合。 ( 3 ) 若l ( i ，j ) 是显著的，就把它分割成4 个集合d ( k ，1 ) ，其 w- *r 毫 ；! h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第三章基于d c r 系数小渡重组的图像压缩算法 中( k ，1 ) 是( i ，j ) 的儿女。 编码中使用3 个列表： ( 1 ) 显著像素表( l s p ：t h el i s to fs i g n i f i c a n tp i x e l s ) ； ( 2 ) 非显著像素表( l i p ：t h el i s to fi n s i g n i f i c a n tp i x e l s ) ； ( 3 ) 非显著集合表( l i s ：t h el i s to fi n s i g n i f i c a n ts e t s ) 。 每次迭代后n 减1 ，直至迭代结束。编码结果是以1 位为单位输的， 重要系数排在前面，这样使集合的表示更为精简，提高了编码效率。 3 3 基于d c t 系数小波重组的图像压缩编码系统 本文提出一种与小波变换结构近似的嵌入式编码s a d s p i h t 。编码 原理为：首先，将输入的图像分割成若干个8 8 的子块，对每个子块进 行d ( = i 变换，获得变换系数。其次，将d c t 系数按照一定方式重组成三 层小波变换的结构。由于低频段系数间存在较强的相关性，用绝对误差 和去除法，降低冗余信息，进一步提高压缩比。最后，运用分层树集合 分割方法，进行压缩编码。 整个图像压缩编码系统如图3 5 所示。 原始 图像 图鼢 d c t 系 冗余 s p i 盯 s p i 盯 废黔8jdct弓 _- b 子块 糍 去除 编码 解码 图3 5 基于d c t 的累进图像编码器结构 重建 图像 s p i h t 编码的具体编码过程分为以下四步： ( 1 ) 初始化。对n ，l s p ，l i p ，l i s 初始化。 ( 2 ) 排序。对l i p 和l i s y l j 表中的元素编码。进行集分割排序，将系 数排列成空间方向数结构。 ( 3 ) 细化过程。对l s p 列表中的元素编码。 ( 4 ) 迭代。n 减1 ；如果需要更多的迭代，转到( 2 ) 。 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第三章基于d c t 系数小波重组的图像压缩算法 3 4 基于d c t 系数小波重组的图像压缩编码实验与分析 实验采用l e n a 图像，山水图像，植物图像作为样本进行分析。 在不同输出码率条件下，对解码重建图像的峰值信噪比( p s n r ) 进 行比较。为了体现出该方法的有效性，列出了其他几种( e z w ，m s e d c t ， s p i h t ) 编码方法。 3 4 1 实验环境与条件 实验采用图像大小为2 5 6 x 2 5 6 ，8 b i t s 像素。整个图像压缩编码系 统在w i n d o w s2 0 0 0 平台上由v c + + 6 0 编程实现。 3 4 2 实验结果与分析 ( 1 ) l e n a 图像，山水图像的i ) c t 系数。 图3 - 6 为l e n a 原图像，表3 1 为第一个8 8 子块的d c t 变换系数。 图3 - 62 5 6 x 2 5 6 8l e n a 图像 表3 1l e n a 图像第一个8 8 子块d c t 系数 12345678 l1 0 4 55- 252 31 5 2 8 3一l221lo 3 4 l0 2 22oo 4510o502- 2 5001o l011 6 o 0211011 710一loo2- 2o 8o02o1211 i - i2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第三章基于d c t 系数小渡重组的图像压缩算法 图3 7 为山水原图像表3 2 为第个8 8 子块的d c t 变换系数。 图3 - 72 5 6 2 5 6 8 山水图像 表3 - 2 山水图像第一个8 x 8 子块d c t 系数 泌 1 23 45678 l1 1 0 2 7 l- 6 6 6 5 缶8 6 2- 5 63 2 21 3 81 2l l1 01 061 l5 31 3 91 19 1 2 1 2765 4一1 5 l1 21 2 1 2 8786 51 5 3l l1 091 01 01 03 61 4 5t 28l l1 394l 71 2 59784一l0l 8- 6 6 860 0 0 0 o ( 2 ) l e n a 图像，山水图像d c t 系数小波重组数据。 取三层小波结构的l l 3 子带的前6 4 个数据。表3 3 为l e n a 图像 d c t 系数小波重组数据，表3 - 4 为山水图像d c t 系数小波重组据。 h2 6 3 视频压缩编码算法的改进及d s p 实现 第三章基于d c 3 系数小波重组的图像压缩算法 表3 - 3l e n a 图像d c t 系数小波重组数据 弋 l2345678 91 0l l1 21 31 41 51 6 1 71 81 92 02 12 22 32 4 2 52 62 72 82 93 03 13 2 1 0 4 51 0 3 01 1 3 l9 4 25 l o5 8 l 6 1 37 2 9 l7 7 97 8 88 0 28 0 08 0 07 9 5 7 9 2 8 0 2 7 8 97 7 17 6 96 8 87 7 71 0 牾 1 0 5 l1 0 2 9 1 0 3 01 3 5 31 2 2 66 9 47 3 17 4 4 7 6 34 9 3 1 0 5 l1 0 8 0l l l 99 1 54 9 55 7 35 9 8 7 1 5 2 7 6 27 7 17 7 77 7 27 7 07 4 67 5 57 8 7 7 7 67 5 67 5 27 0 66 玎11 0 3 21 0 “1 0 5 1 1 0 2 31 0 2 31 5 8 98 3 67 2 77 6 64 2 11 8 8 表3 _ 4 山水图像d c t 系数小波重组数据 昊 1 23 4 5 678 9 1 0 1 l1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 92 02 12 2 2 32 4 2 52 62 72 82 93 03 13 2 1 1 0 21 1 7 21 1 9 51 2 1 21 2 3 31 2 5 11 2 6 51 2 8 2 11 3 0 71 3 2 51 3 4 11 3 5 71 3 7 71 3 9 81 4 1 91 4 3 1 1 4 4 41 4 5 71 4 7 81 4 9 51 5 1 31 5 2 81 5 4 61 5 6 6 1 5 8 11 6 0 91 6 3 01 6 4 81 6 6 41 6 7 41 6 8 51 6 1 7 1 2 3 2 1 3 0