（计算机应用技术专业论文）图像视频编码中预测方法的研究.pdf

摘要 随着互联网的曰益普及、移动通信的迅猛发展、网络传输以及各种新兴多媒 体业务的出现，图像视频编码技术已经成为当今信息科学与技术领域的研究热 点。数据压缩是图像，视频编码的一个主要目的，预测技术是较早实用于数据压 缩的一种技术，是数据压缩三大经典技术之一。如何进行高效准确的信号样本预 测，是当前国际上图像视频压缩研究的一个关键问题。 本论文对图像，视频编码中的预测方法进行了研究，包括帧内空间预测、帧 间运动补偿预测、采用帧内和帧间预测的静态图像编码和基于方向预测的提升小 波变换多描述图像编码。主要创新工作如下： 1 提出减少预测模式的方向d c 帧内预测方法。本论文在分析了a v s 帧内预测 技术中的亮度9 种预测模式基础上，设计了基于8 8 块的减少预测模式的方向 d c 预测方法。所提d c 模式采用方向预测方法进行预测，并将帧内亮度块预测 模式由9 种减少为5 种，且色度块中的4 种模式中又有3 种和亮度块的预测模式 相同。这种新的帧内空间预测方法的引入，既减少了预测模式计算复杂度，又保 证了图像的编码质量，预测方案更加简洁、实现复杂度大大降低。 2 提出快速可伸缩环形运动估计方法。本论文针对h 2 6 舶w c 运动估计的特点 及运动向量的统计特性，提出种快速可伸缩环形搜索方法。它依据相邻块间运 动向量相关性，判断当前块的运动剧烈程度及运动方向，自适应的缩放搜索环， 进行快速运动向量搜索。该方法从减少块匹配搜索点个数及运动估计准确度等方 面研究了用于h 2 6 4 ，a v c 的快速运动估计算法，搜索效率优于h 2 6 4 ，a v c 现有 u m h e x a g o n s 搜索算法。 3 提出基于帧内和帧间预测技术的两种静态图像编码方法。一种是利用帧内预 测技术，采用相邻像素预测编码静态图像的方法；另一种是利用帧间预测技术， 采用运动补偿预测编码静态图像的方法。前一种方法将当前编码块像素按奇偶特 性抽取成偶偶块、偶奇块、奇偶块和奇奇块，然后利用相邻像素间相关性进行帧 内预测编码。该方法虽然存在隔点取样造成的图像频谱上的高频混迭现象，但为 下一步利用帧间预测技术编码静态图像的方法提供了新思路。帧问预测技术编码 静态图像的方法是根据帧间预测编码效率高于帧内预测编码效率的特性，将一幅 北京工业大学工学博士学位论文 图像下采样为四幅子图构成一个g o p 视频序列，利用子图间的相似性采用帧间 编码中的运动估计补偿原理，对该g o p 序列进行预测编码，并将解码后子图像 上采样为一幅原始分辨率下的重构图像。该方法在静态图像编码中利用帧间预测 技术进行编码，与现有的工业标准j p e g 2 0 0 0 相比，该技术在不失编码性能的基 础上增加了图像的错误恢复能力，提供了一种高效、鲁棒的图像编码方案，推动 了流媒体在网络上尤其是在移动设备上的应用，并且使移动设备在只安装一套视 频编解码器的条件下，具备了自适应处理图像和视频的能力。 4 提出基于方向预测的提升小波变换多描述图像编码方法。本论文通过梅花分 割方法将原图分解为两个描述，采用方向预测的提升小波变换技术，对两描述进 行独立编码，并结合插值恢复和数据融合算法来提高边缘和中央信道图像质量。 该方法在传统空间下采样多描述方法上，引入方向预测的提升小波变换技术，解 决了传统方法无法有效去除相邻像素间相关性的问题，在实现高压缩效率的同时 具备了抗误码功能，是一种简单有效且实用的方法。 关键词：图像视频编码，预测技术，帧内预测，运动估计补偿，多描述编码 a b s 廿a c t a b s t r a c t w i t l lm ep o p u l a r i z a t i o no ft 1 1 ei m e m e t ， r a p i dd e v e l o p m e n to ft h cm o b i l e c o n u n u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n d 谢d ea p p l i c a t i o no fn e t 、v o r k 扛a i l s 王i l i s s i o na i l d m u l t i m e d i at 均i l s a c t i o n s ，i m a g e v i d e oc o d i n g l a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i co f i n f o m t a t i o ns c i e n c ea 1 1 dt e c l l r l o l o g yd a t ac o m p r e s s i o ni so n eo fm ek e yi s s u e so f i m a g e v i d e oc o d i i l gt os a v eb o t hm es t o r a g ec o s t 勰d 订 m s f 醯b a l l d w i d t l l t ba c h i e v e h i g hc o m p r e s s i o ne 施c i e n c y ，p r c d i c t i o nt e c h n o l o 斟h a sb e e na p p l i e de x t e n s i v e l yf r o m e a r l yy e a r so f d a t ac o m p r e s s i o n ，a n di so n eo f m et l l r c ek i i l d so f c l a s s i c a lc o m p r e s s i o n r n c l o d s h o wt op r e d i c tm es i g n 啦p r e c i s e l ya f l de 蚯c i e n t l yi sac r i t i c a li s s u ei n p r e s e n ti m a g e v i d e oc o d i n gr c s e a r c h t h i st l l e s i sp r c s e n t sm er e s o nt h ep r e d i c t i o n b a s e di m a g e v i d e oc o d i n g ， i n c l u d i n gi n 咖p r e d i c t i o ni ns p 撕a ld o m a i n ，m o 曲n _ c o m p e n s a t e dp r e d i c t i o n ，t h es t i l l i m a g ec o d i n gb a s e do ni n 仃aa i l di n t e rp r e d i c t i o n ，姐dl i m n gw a v e l e tt r a n s f o r i nb a s e d o nd i r e c t i o n a l p r e d i c t i o n f o r m u l t i p l ed e s c r i p t i o ni m a g ec o d i n g t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r e ： 1 an o v e li n t r ap r e d i “o nm 捌h o d 、i t hd i r e c t i o n a ld cp r e d i c t i o na n dk s sp r e d i c t i o n m o d e s w i mm ea i l a l y s i so ft h e9l 眦血l 蛆c ei n t mp r e d i c t i o nm o d e si na v s ，a t l 8 8d i r e c t i o n a ld cp 玎e d i c t i o nm e t h o d 、) l ，i t l lr e d u c e dp r 耐i c t i o nm o d c si sd e s i g n e d t h ep r o p o s e dd cm o d ep e d b 册sp r e d i c t i o nl l s i n gm ed i r c c t i o ni o n a t i o na n d t o t a ln u m b e ro fl u m m a n c ei n t r ad r e d i c t i o ni n o i l e si sr e d u c e d 丘o m9t o5 f o rm e c h r o m i n a n c eb l o c k s 。3i n4m o d l e sa r ei d e 嘶c a lw i m 也em o d e so fl u m i n a r l c e b l o c k s t h i sm c 廿l o dr e 出l c e st h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya n da l s om a i 眦l i n st h e c o d i r 培p e r f o n n a n c eo fi m a g e s i ts i m p l i f i c st h ep r c d i c t i o ns o l u t i o na n dr e d u c e s t h cc o m p l e x i t yo f i i n p l e m e n t a t i o n 2 f a s tf l e x i b l e 黠n 洲k em o t i o ne s t i m a t i o na l g o 珊吼1 1 1 ep r o p e n i e so fm o t i o n e s t i m a t i o na n dt h es 枷s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi i i o d o nv e c t o r sf b rh 2 6 4 a 、，ca r e a n a l y z e d ，趾dan o v e l 缸tn e x i b l em l g 1 i k es e a r c ha l g o r i t h i ni sp r o p o s e d t h i s p r o p o s e da l g o r i t 岫m a k e su s eo ft l l ec o r r c l a t i o na l o l 唱n e i g h b o r i n gm o t i o n 、吧c t o r s m ed i r e c t i o no ft b 屺f n o t i o na n d 血e i ri n t e n s m e s b a s e do nt l l ei f o n n a t i o n ， t h ep m p o s e da l g o r i m ma d a p t i v e l y c h a i l g e st 1 1 es e a r c hr i n gs 姐t e g yi no r d e rt o p e r f o m lf b ts e a r c hf o rm o t i o nv e c t o r s t l l i sa l g o r i t l l mi m p r o v e st l l em o t i o n e s t i m a t i o na l g o r i t h r no fh 2 “俏v ci na s p c c t so fr e d u c i n g l es e a r c hp o i n t sw e m a 血t a i n i n gt h ea c c u r a c yo fe s t i m a t i o n ，a n di t se 任i c i e n c yo u t p e r f 0 h i l s u m h e x a g o n sa l g o r i t h mf b mh 2 6 4 a v c 3 t w on o v e lc o d i n ga l g f o r i m m sb a s e do ni n 订aa i l di n t e rp r e d i c t i o nf o rs t i ui m a g e c o d i n g 0 n ei st o 砸l i z ei n 血ap r e d i c t i o n ，u s i n 2t l l ec o r r e l a t i o no ft l l ea d i a c e n t p i x e l st oe n c o d es t i ni m a g e s t h eo 也e ri st ou t i l i z ei n t e rp r e d i c d o n ，u s i n gm o t i o n c o m 巾e n s a t e dp r e d i c t i o nt oe n c o d es m li m a g e s i nf o m e ro n e ，t h ep i x e l si n 血e b l o c k sa r ec l a s s i f i e di n t o4s e t sb a s e do nd i x e l s c o o r d i n 撕o n ：e v e n e v e nb l o c k ， e v e n o d db l o c k0 d d - e 、碍nb l o c ka 1 1 do d d - o d db l o c kt h e ni n t r ad r e d i c t i o ni s p e r f o r m e du s i n gt 1 1 eh i g hc o r r e l a t i o no f a d j a c e n tp i x e l s a l m o u g h t h i sm e t h o dm a y 北京工业大学工学博士学位论文 c a u s ea l i a s i n gi nt h ef e q u e n c ys p e c t n l mo ft h ei m a g e ，i tp m v i d e san o v e ls t r a t e g y f b rf i j n h e rr e s e a r c h ，、v 士1 i c hc a nu s ei n t e rp r e d i c t i o nt c c m o l o g yt oe n c o d es t i l l i m a g e s s t i l li m a g ec o d i n gb a s e do ni n t e rp r e d i c t i o nm k e su s eo ft l l ef a c tt h a tt h e e f f i c i e n c yo fi n t e rp r e d i c t i o ni sh i g h e rt h a n l a to ft 1 1 ei n t mp r e d i c t i o n ag o p v i d e os e q u e n c ei sb u i l tu s i n gt l l ef b u rs u b i m a g e sd o w n s 砌p i e d 丘o mt h eo r i g i n a l i m a g e t b e r c f o r c ，w i mt h ec o n s i d e r a t i o no ft h es i m i l a r i t y 锄o n gs u b i m a g e s ，b y u s m gm o t i o ne s t 证l a t i o n c o m p e n s a t i o nm e c t 咖s m ，t h eg o pc a nb ee n c o d e d ，i n m ed e c o d e re n d ，t h ed e c o d e ds u b i m a g e s 、v i l lb ec o m b i n e dt or e c o n s t r u c ta n i m a g ei no r 硒n a lr c s o l u t i o n c o i n p a r i n gt 0m es t a t e - o f ：t 1 1 e a r tj p e g 2 0 0 0s t a i l d a r d ， t h i sm e 血0 dn o to n l ym a i n t a i n st h ec o d 证gp e r f o n i i a i l c e ，b u ta l s op m v i d c se r m r r e c o v e r ya b i l i t y i ti sah j g i l l ye m c i e n ta i l dm b u s ti i n a g ec o d i n gs o i u t i o n ，w 1 1 i c h c a np u s hf o r 、v a r dm ea p p l i c a t i o no fs t r c 锄m e d i a0 nn e t v v o r k ，e s p e c i a l l vo n m o b i l ei i e v i c e s b e s i d e s ，u n d e rt h ec i r c u m s t a _ n c em a to n l v0 1 1 es e to fv i d e o c o d e ci si n s t a l l e do nam o b i l ed e v i c e ，m ep r o p o s e da l g o r i t l l i n 王l a st h ca b i l i t yt o a d a 埘v c l yp r o c e s s i n gi m a g ea i l dv i d c 0 4 l i f t j h gw a v e l e t 打a i l s f o h nb 嬲e do nd i r e c t i o n a lp r e d i c t i o f o rm u l t i d l ed e s c r i d t i o n i m a g ec o d i n g t h eo r i g i n a li m a g ei sd e c o m p o s e dm t ot w od e s c r i p t i o n su s i n g q u i n c u n xs e 印m e n t a t i o nm e 也o d t h e 抑oc i e s c r i p t i o n sa r ec n c o d e di n d e p e n d e n t l v u s i n gl i f t i n g 也a s e dw a v e l e t 扛a n s f o f r nm e t l l o db a s e do nd i r e c d o n a lp r e d i c t i o n w i mf m h e rc o m b i n a t i o no fm ei m e r p o l a t i o n ，r e c o n s t n t i o na i l dd a 扭如s i o n a l g o 珊m s ，t l l eq u a i m e so f b o lc c n 讹lp a r ta i l d 嘶n a lp a no f t h ei m a g ea r e i m p r o v e d t h ep m p o s e da l g o r i m mi n c o r p o r a t e st h el i f t m gw a v e l c t 打a i l s f 0 h n m e t h o db a s e do nd i r e c t i o 舱lp r e d i c t i o ni n t o 也et r a d i t i o n a ld o w n - s 锄p l em u l t i p l e d e s c r i m i o nm e m o d s u c hi n c o r p o 枷o ns o l v e st h ep r o b k mm a t 扛a d i t i o n a l d o w n r s a m p l em u l t i p l ei l e s c r i 嘶o nm e t l l o d sc 锄o te 珏b c d v e l yr e m o v e 让l e r e d u n d a n c i e sb e 柳e e na d j a c e mp i x e l s 1 1 1 ep r o p o s e da l g o r i t h ma c h i e v e sh 追h c o m p r e s s i o ne 氐i c i e n c yw h i l ei t sa l s oe r m rr e s i l i e n t t h e r e f o r e ，i ti sap r a c t i c a l l y e 航c t i v ea l g o r i t h m 谢也h i 曲e 伍c i e n c y k e y w o r d s ：i m a g e m d e oc o d l n g ，p r e d i c n o nt e c h n o l o g y i n t r ap r e d i 嘶o n ，m 0 t i o ne s t i m a i o n c o m p e 哪a t i o n ，m u n i p l ed e s c r i p t i o nc o d i i l g 撬甏 插圈 图l ld p c m 原理图4 ， 图2 - l 帧内预测编码的宏块1 l 。 图2 2 亮发块的d c t 系数一1 2 一 圈2 3d 鬃羧静预测，1 2 图2 - 4a c 系数的预测1 2 ， 图2 5 首次提出的空域预测帧内预测方法1 3 ， 图2 6h 2 6 4 ，a v c 帧内编解码框架，1 4 嚣2 7 赖内鞭溺采样点标诶。一| 4 。 图2 8h 2 6 4 ，a v c 中4 x 4 块9 种帧内预灏模式一1 5 一 图2 - 9h 2 6 4 a v c 中1 6 1 6 块4 种帧内预测模式1 5 。 图2 1 0 帧内预测模式的选择1 8 圈2 1l 方离d c 预测模式一1 8 。 圈2 一1 28 8 亮度块辏内预测模式一， 图2 1 3 帧编码率失真曲线豳2 6 图2 1 4 场编码率失真瞌线雕2 7 ， 圈3 1 块觋酝算法3 0 图3 2 二缭瓣数接索法一3 l 。 图3 3 三步搜索法31 图3 - 4 = 分嵇3 2 。 图3 5u m e x a g o t i s 算法的搜索过程3 2 ， 圈3 6 运动淘量鲍分布特征一3 4 ， 銎3 7 倏蘧霹 串缩环形蓑索箨法，3 5 图3 8 快遮可伸缩环形搜索算法一环的伸嫡3 7 ， 图3 9 当前块与相邻块位鬣3 7 ， 围3 一l oo c i f 序列率失真曲线国4 3 ， 圈3 ，l le f 痔爨率失寞夔绞黧一4 5 一 图4 1 原始8 8 块4 8 图4 2 重排后奇偶块示意图4 8 ， 圈4 3 偶偶块预测4 8 圈4 4 偶馁块鞭测方翔4 8 一 图4 5 器奇块颈溅 9 ， 图4 + 6 偶奇块预测方向，4 9 图4 7 奇偶块预测5 0 图4 - 8 奇偶块预测方向二：5 0 莲4 母裂蠲 差籀4 琏v e 穰肉颈测方法蹶謦编玛s 8 袭颈蘩l 残差赣谱圈一5 1 图4 1 0 耐用基于相邻像素帧内预测方法编码8 8 块预测残差频谱圈一5 1 图4 1 1z 跨z a g 扫描频谱豳5 2 。 图4 1 2 采用帧内宏块运动补偿技术的帧内预测方法一5 4 圈4 一1 3 图豫躲拆分霸图像黟到一5 4 匿4 - 1 4z 。屯，毛对瘟不瓣参考顿默试运韵向量5 5 ， - l l - 北京工业大学工学博士学位论文 图4 1 5 前向预测示意图5 6 图4 - 1 6 双向预测示意图5 6 一 图4 1 7 率失真结果5 8 一 图4 1 8 在码率0 31 b p p 下j p e g 2 0 0 0 和v c i m 编码的重建图像5 8 图4 ，1 9v c i m 编码方法示意图。5 9 一 图4 - 2 0 局部匹配方法和全局匹配方法率失真曲线6 1 - 圈4 - 2 10 0 9 4 b p p 码率下j p e g 2 0 0 0 重建出图像和v c i m 利用重建，。插值出图像一6 3 图5 1 算法框架6 7 图5 2 奇偶信号像素错位图示6 8 图5 3 梅花形下采样子图经一次垂直传统提升小波变换结果一6 9 一 图5 4 奇偶信号像素实际位置6 9 图5 5 方向预测提升小波方向示意图7 1 图5 6 一维方向预测提升小波变换框图一7 2 一 图5 7 梅花下采样子图经一次方向预测提升小波变换结果7 3 图5 8 子图的三层小波分解树7 4 图5 9 对子图b 。进行一次方向预测提升小波变换后的低频子带和高频子带7 4 一 图5 1 0 其它层的提升小波方向示意图一7 5 一 图5 1 1 不同码率下l e n a 图像四叉树分割图7 7 一 图5 1 2 当前块与相邻块位置7 7 图5 1 3 率失真曲线对比图7 9 一 图5 1 4 中央和边缘信噪比曲线图8 1 - 图5 一1 5 在不同码率下中央和边缘信噪比关系图一8 1 图5 1 6 边缘信道在不同码率下的重建图8 2 - i v f i g u r e f i g u r el ld p c mp r i n c i p l e 一4 一 f i g 挂托2 一lm 鑫c r o b i kc o 如d 融i n 妇m o d e 一ll f 醺u r e2 2d c tc o e 硒c i e n t so f l u m ab l o c 地，1 2 f i g u r e2 - 3p m d i c t i o no f d cc o e 塌e j e n t s 1 2 一 f i g u 糟2 - 4p r 嘶i c 西o no f a c e 掰c i e 哟| 1 2 一 f 谵w 。2 5t h en r s tp r o p o s e ds p a t i a li n 妇p r e d i c a t j o n 1 3 一 f 毽掰e2 6f 嫦撒e w 啦ko f l n l 随c o d i n g 扭h 2 6 4 氆v e 一1 4 一 f 噜u f e2 - 7i d e n t i f i c a i i o no f s a m p l 姻u s e df o ri n 订as p a t 瑚p r e d i c t i o n - 1 4 一 f i g u m2 8t n en i n ei n t r ap r e d i c a t i o nm o d e so f 4 4b l o c ki nh 2 6 4 v c 矿1 5 f l g 珏f e2 母t h ef 。l 王fl 赡毪p 稽d i e 确o nm o d e so f 驭1 6b 。c k 秘鞋。2 6 毒，矗v c 一1 5 一 f 嘻u r e2 一l os e l e c t i o no f i n 乜ap r e d i c a t i o nn 柑d e s 一1 8 一 f i g u 糟2 - nt h ed i f e c i o n a ld c 娜d c 越佣m ) d e ，i s f i 群r e 2 一控t h e i n 妇p 黼d i c a 蝣o n “轮d e so f 8 8b l o c k - 2 0 f i g u r e2 - 1 3r a l 站- d i s t o 蹦o nr e s u l 怯f o rm 哪ec o d i n g _ 2 6 一 磁“ e2 - 1 4 熟t e - d l s l e 蛙i 黼u l 拄妇曩黜o d l n g - ，一2 7 一 f i g u r e3 - 1b i o c km a t c h i n ga l g o f i t h m - 3 0 - f i g u r e3 - 2t w od i m e 雌轴n a ll o g a r 胁m i cs e a k h 一3l f i g 塔嚣3 - 3 霹翁嚣e 髓。ps e 凇b ，31 f 地u r e3 - 4b i n a r ys e a r c h * 3 2 一 f i g u r e3 5s e a 揩hp r o c e s so f u m h e x 鼯o n s 一3 2 一 f i g w e3 d i s 靠噎b 啦i o n 娩a 豫c t e r i s t i c o f m o d o nv e o t o r ，3 4 一 f i g u 黼3 7f a s tf l e x i b l er i n g - l i k e8 e a 汕a 1 9 0 r 洫m 一3 5 一 f 遮蛙f e3 1 8f 毫s t 鲑e x 淹l # f i n 争珏k es e 斟ha l 剁蛙髓哼虹塔蛙e x i b n 磅一3 7 一 f i 斛辨3 _ 9t h 嚣r e l 娟v ep o s 谢o no f c u r r e n tb i o c k 卸d 淞a d i a c 蹦伯l o c b 一3 7 一 f i g u 3 1 0r a t e - d i s t o r t i o nr e s u nf o rq c i f q u e n c e 一4 3 一 f i g u 3 一llr 靠耄e 蠢l s t o f 蛀。拄嘲廷 研c 疆s e q u 髓c e 。一4 5 一 f i g u r e4 - lo r i g i n a l8 8b l 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姆s e q u e n c e 一5 4 - v 一 f i g u r e4 - 1 4 t h e d e f 抽l t m o t i o nv e c t o r s f o r ，? ，j 。5 5 一 f i g u r e4 15f o r 、v a r dp r e d l c t i o n 5 6 一 f i g u r e4 - 1 6b i d i r e c t i o n a lp r e d i c 廿o n 一5 6 _ f i g u r e4 - 1 7r a t e d i s t o r t i o nr e s u i t s 。5 8 _ f i g u r e4 一1 8r e c o n s t m c t e di m a g e so f j p e g 2 0 0 0a n dv c r ma lr a t e0 3 lb p p 。5 8 - f i g u r e4 - 1 9t h ei l i u s t r a t i o no f t i l ep r o p o s e dv c i mc o d i n g - 5 9 一 f i g u r e4 2 0r a t e - d i s t o r t i o np e r f o n l l a n c eo f m ei o c a la 1 1 dg l o b a lm a t c hm e 廿1 0 d s - 6 i f i g u r e 4 2 l t h er e c o n s t n l c t e dj p e g 2 0 0 0 i m a g ea i l d t h e i n t e q ) o l a t e d v c i m i m a g e 舶m ，oa t t h er a t e0 0 9 4 b p p 6 3 f i g u r e5 1a l g o r i t l l mf r a m e w o r k 一6 7 - f i g u r c5 2m i s a l i g n m e n tb e t w e e no d d a 1 1 de v e ns i g n a l s - 6 8 - f i g i l r e5 - 3d e c o m p o s i t i o no f o n el e v e lt r a d n i o n a ll i f t i n gw a v e l e t t r a n s f o 珊一6 9 一 f i g i l r e5 4a c t u a lp o s i t i o 璐o f p 波e l si no d d 锄d e v e ns i 弘a l s - 6 9 一 f i g u r e5 5t h ed i r c c t i o n si nm el i 髓喀w a v e i e t 廿a