（计算机应用技术专业论文）图像多描述编码方法研究.pdf

学位论文独创性声明 f f f f f l f f f f f f f f 删删 18 9 0 4 4 4 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注 和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本 人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 盔逸 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 亟聱 指导教师签 签名日期： 0 1 1 年月肇日 ，1 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 在图像和视频信息的传输过程中，网络所具有的异构、时变、带宽有限、误码率高、 易丢包、延迟以及接收端处理能力的不均衡等特性通常会使解码图像的质量下降，实时 传输高质量的图像信息和有效控制传输信道的差错成为一个具有挑战性的工作。为了提 高图像的解码质量，本文研究了基于图像的多描述编码方法。 本文首先对图像编码领域的相关知识进行了简要的阐述；其次介绍了多描述编码的 相关知识，以及本文用到的理论基础，详细分析了现有多描述编码方法的不足；再次介 绍了压缩感知理论的相关知识以及压缩感知理论在多描述编码方面的应用现状；最后， 在理论分析的基础上，本文提出了两种图像多描述编码算法：( 1 ) 基于离散余弦变换 分层结构的分级多描述图像编码方法，将包含图像细节信息的增强层通过下采样形成多 个描述，将包含图像关键信息的基本层作为冗余引入到每个描述中。这样一方面可保证 在某个描述丢失时，最大可能地恢复图像的重要信息，提高解码质量；另一方面，该方 法可通过控制基本层的码率，达到便于控制多描述编码冗余度的目的，且具有实现简单、 计算复杂度低的特点。实验结果验证了所提出方法的有效性。( 2 ) 提出了一种基于压 缩感知的平衡多描述图像编解码方法，该方法以图像行列相关系数和稀疏度为依据自适 应的选择采样方式，并以采样图像的测量值确定多个描述，描述信息由当前描述的主信 息和另一个描述的保护信息即冗余信息组成，从而保证了在解码端利用接收到描述中的 冗余信息，有效地预测出因信道恶化而丢失的另外一个描述信息。此外，为了克服传统 平衡多描述结构中当两个描述同时接收到时所带来的冗余信息的浪费，本文提出了一种 适应信道状况的主信息与冗余信息的最优化码率分配策略；同时依据主信息和冗余信息 码率的分配方案，提出一种解码端基于加权的丢失信息预测方案，使对丢失信息的预测 更加有效。大量的统计实验结果验证了所提出编码方案的有效性。 关键词：多描述编码；可分级；压缩感知 图像多描述编码方法研究 t h es t u d yo f 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 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fi m a g ea n dv i d e oo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n , i th a sm a n yf e a t u r e s s u c ha sh e t e r o g e n e o u s ，t i m e - v a r y i n g ，l i m i t e db a n d w i d t h ，h i g he r r o rr a t e ，e a s yp a c k e tl o s s ， d e l a y ，a n di m b a l a n c eo fr e c e i v e rp r o c e s s i n gp o w e rw h i c hc a nr e d u c et h eq u a l i 够o fi m a g e d e c o d i n g t h e nh o wt oh a n d l et h ep r o b l e mo ft r a n s m i t i n gh i g h - q u a l i t yi m a g e si nr e a l - t i m e a n dc o n t r o l i n gt h et r a n s m i s s i o nc h a n n e le r r o r se f f e c t i v e l yi sn o w b e c o m i n gac h a l l e n g i n g t a s k i no r d e rt o i m p r o v et h ed e c o d i n gq u a l i t yo fi m a g e ，m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n gi s p r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t , t h ek n o w l e d g eo fi m a g ec o d i n gi sb r i e f l yd e s c r i b e d ，t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e t e c h n i q u e so fm u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n ga n dt h en e c e s s a r yb a s i so ft h e o r yw h i c hu s e di nt h i s p a p e r , t h ed i s a d v a n t a g e so fm u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n ga r es u m m e r i z e di nd e t a i l t h e k n o w l e d g eo fc o m p r e s s e ds e n s i n gt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o ns t a t u si nm u l t i p l ed e s c r i p t i o n c o d i n ga r ei n t r o d u c e d , t o o ；f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t w oi m a g ec o d i n g a l g o r i t h m so fm u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n ga r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r ( 1 ) t h i sp a p e rp r o p o s e sa l a y e r e dm u l t i p l ed e s c r i p t i o ns c a l a b l er e m o t es e n s i n gi m a g ec o d i n ga l g o r i t h mb a s e do n d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m t h ea l g o r i t h mf i r s td i v i d e st r a n s f o r mc o e f f i c i e n t si n t oab a s el a y e r a n da ne n h a n c e m e n tl a y e rb yq u a n t i z a t i o n t h ee n h a n c e m e n tl a y e ri st h e ns u b s a m p l e dt of o r m m u l t i p l ed e s c r i p t i o n s ，w h i l et h eb a s el a y e ri se n c o d e di n t oe v e r yd e s c r i p t i o na sar e d u n d a n c y s i n c eb a s el a y e rc o n t a i n ss i g n i f i c a n ti n f o r m a t i o no fo f i g i n a lr e m o t es e n s i n gi m a g e ，t h ea b o v e s t r a t e g ye n s u r e st h a te a c hd e s c r i p t i o no b t a i n sa sm u c hb a s el a y e ri n f o r m a t i o na sp o s s i b l e w h e nd e c o d i n g m o r e o v e r , t h eb a s el a y e ri ne a c hd e s c r i p t i o ni sc o d e di n d e p e n d e n t l yi na n e m b e d d e dm a n n e r t h i sc a nf a c i l i t a t ea ne f f e c t i v ep r o t e c t i o na g a i n s tc h a n n e lt r a n s m i s s i o n e r r o r ss oa st oi m p r o v er o b u s t n e s so fc o d e db i t s t r e a m t h el a y e r e ds t r u c t u r er e a l i z e sl o w c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ，e a s yr e d u n d a n c yc o n t r o l ，a n de m b e d d e db i t s t r e a m e x p e r i m e n t a l r e s u l t sv a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m ( 2 ) t h i sp a p e rp r o p o s e sab a l a n c e o fm u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o m p r e s s e ds e n s i n g ，i t a d a p t i v e l ys e l e c t st h es u b s a m p l i n gp a t t e r na c c o r d i n gt oc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fl i n e sa n d c o l u m n sa n dt h e s p a r s e n e s so fi m a g e ，a n di t i st od e t e r m i n ed e s c r i p t i o n sb a s e do nt h e m e a s u r e m e n t so ft h es a m p l ei m a g e i ti ss i m p l eo ns t r u c t u r e ，h i 乒p r e c i s i o na n dc o n s i s t e n c y o fp r o c e s s i n gf o rt h ed e s c r i p t i o n s d e s c r i p t i o ni sc o m p o s e do ft h em a i ni n f o r m a t i o no ft h e c u r r e n td e s c r i p t i o na n dt h ep r o t e c t i o ni n f o r m a t i o ni e t h er e d u n d a n ti n f o r m a t i o no ft h eo t h e r d e s c r i p t i o n , t h u se n s u r i n gt oe f f e c t i v e l yp r e d i c tt h el o s so ft h eo t h e rd e s c r i p t i o nw h i c hd u e st o i i 辽宁师范大学硕士学位论文 c h a n n e ld e g r a d a t i o nb yu s i n gt h er e d u n d a n ti n f o r m a t i o no ft h er e c e i v e dd e s c r i p t i o na tt h e d e c o d e r f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt oo v e r c o m et h ew a s t eo fr e d u n d a n ti n f o r m a t i o nw h e nr e c e i v e s t w od e s c r i p t i o n si nt r a d i t i o n a lb a l a n c es t r u c t u r eo fm u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ，t h i sp a p e r p r o p o s e sas t r a t e g yo ft h eo p t i m a lr a t ea l l o c a t i o nb e t w e e nm a i ni n f o r m a t i o na n dr e d u n d a n c y i n f o r m a t i o na d a p t i n gt ot h es i t u a t i o no ft h ec h a n n e l a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h e a l l o c a t i v ed e c i s i o no fm a i na n dr e d u n d a n c yi n f o r m a t i o n , ad e c o d i n gl o s ti n f o r m a t i o np r e d i c t s c h e m eb a s e do nw e i g h t i n gi no r d e rt ob em o r ee f f e c t i v ef o r t h el o s ti n f o r m a t i o ni s p r o p o s e d ag r e a tn u m b e ro fs t a t i s t i c a l d a t a s t a t i s t i c a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a t t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi se f f c c t i v e k e yw o r d s ：m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ；s c a l a b l e ；c o m p r e s s i v es e n s i n g i i i - 图像多描述编码方法研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 论文的选题背景及意义1 1 2 图像编码技术的现状与发展2 1 2 1 图像编码技术的发展历程2 1 2 2 图像可分级编码机制5 1 2 3 图像编码技术评价指标5 1 3 本文的工作7 2 多描述编码技术概述9 2 1 引言9 2 2 多描述编码的主要方法1 0 2 3 多描述编码性能评价指标1 5 2 4 d 、结15 3 压缩感知技术概述1 7 3 1 引言1 7 3 2 压缩感知的主要研究内容1 7 3 2 1 信号稀疏表示1 7 3 2 2 编码测量1 9 3 2 3 重构算法2 0 3 3 压缩感知在多描述编码方面的应用2 1 3 4 小结2 3 4 基于d c t 分层结构的遥感图像分级多描述编码算法2 4 4 1 引言2 4 4 2 离散余弦变换2 4 4 3d c t 系数重组及d c t - s p i h t 编码算法2 6 4 3 1d c t 系数重组及其“零树”属性2 6 4 3 2d c t - s p i h t 编码算法2 9 4 4 基于分层结构的分级多描述编码码率分配策略2 9 4 4 1 编解码结构及分析3 0 4 4 2 码率分配策略3l 辽宁师范大学硕士学位论文 4 5 基于分层结构的分级多描述编码算法实现3 1 4 6 实验与分析3 2 4 7 小结3 5 5 基于压缩感知的多描述图像编码算法。3 6 5 1 引言3 6 5 2 离散小波变换3 6 5 3 基于稀疏度和行列相关性的采样方案选取3 7 5 4 基于压缩感知的多描述编码码率分配策略3 8 5 4 1 编解码结构及分析3 8 5 4 2 基于优化的冗余信息码率分配策略3 9 5 4 3 基于信道状况的冗余信息码率分配策略4 0 5 5 基于压缩感知的多描述编码算法4 1 5 5 1 丢失信息加权预测方案4 2 5 5 2 算法的实现4 3 5 6 实验与分析4 4 5 7 小结4 8 6 总结与展望4 9 6 1 全文总结4 9 6 2 工作展望4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表、投稿论文及参加科研项目情况5 5 致谢5 6 辽宁师范大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的选题背景及意义 近年来新型技术的不断发展使图像时、空分辨率不断提高，信息量日益增大，从而 对图像信号的存储、传输和应用都带来了极大的挑战【1 刃。一方面，如用户终端能力：接 入带宽、显示屏分辨率、解码能力等千差万别；另一方面，信号传输信道所具有的时变、 异构、易丢包、误码率高等特性通常会使图像信号的质量下降，影响信号的实时传输， 有时甚至会带来解码错误。 多描述编码( m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ，m d c ) 机制【3 巧】作为适应不可靠传输信道 图像和视频传输的一种重要编码手段通过引入描述间的冗余来抵抗信息在传输过程中 因信道的差错所带来的质量降质，提高传输的鲁棒性。现有的多描述编码方法主要包括 以下几类：基于量化的多描述编码睁1 0 1 ，基于下采样的多描述编码【1 1 - 1 4 和基于变换的多 描述编码【1 5 。1 7 】等，其中基于下采样的编码方法具有较为简单的编码器，但很难进行冗余 控制和有效保护关键信息，通常具有较差的性能，且一般随着描述个数的增加性能更加 恶化；基于量化的编码方法一般能够较灵活地控制冗余，然而其索引分配的设计比较困 难，不能很好地平衡边缘和中央信道的编码效率；基于变换的编码方案是通过对信源进 行变换，在正交变换系数中引入可控的相关性，形成描述的冗余信息，在解码端对丢失 的描述可利用接收到的描述和其中的冗余信息进行评估预测，预测方法通常采用线性插 值法【i 引。这种直接将变换系数通过采样形成不同的子集作为描述通常会在一定程度上使 图像重要的频率系数丢失，导致图像解码质量的下降；此外，解码端的线性插值预测尽 管预测方法简单，但预测误差较大，导致直接影响到生成图像的信噪比。总体言之，现 有的m d c 方法，随着描述个数的增多，信号重构效果就会越好，抗误码和丢包能力也 随之增高，但计算复杂度也会急剧增加，描述间冗余度也会难于控制，编码效率随之降 低。现有的研究方法大多只探索某一种编码，而将可分级编码机制与多描述编码策略相 结合的研究则刚刚起步。事实上，这两类编码源于解决同一难题的不同层面。结合起来 研究则会有利于从整体上进行优化，进一步改善编码性能。本文将可分级编码与多描述 编码相结合，提出了一种基于可分级的多描述编码方案，该编码方法通过大量实验证明 能够取得较好的编码效率。 多描述编码的基本思想是将信源信号分解成两个或多个比特流( 描述) ，对每个描 述独立编码，并通过不同信道传输到解码端，如果某些信道上描述的数据包丢失、出错 或因阻塞延迟不能实时正确地到达解码端，解码器可以从其它正确接收的描述中恢复出 图像多描述编码方法研究 视觉上可接受的重建图像质量。因此，每个描述必须包含信源信号的大量信息，同时各 个描述间需要存在着一定数量的共享信息，即冗余信息，若令r 表示多描述编码的码率， f 为单描述编码的码率，此时若单描述编码获得的解码图像的峰值信噪比等同于中央信 噪比，则多描述编码的冗余码率为p = r r 。本文在随后的章节中在失真最小的情况 下，对多描述编码码率和冗余码率的关系进行了分析，提出了加权插值恢复算法，以主 信息和冗余信息的比例关系来指导实现加权插值，以恢复原始图像冗余信息。该方法较 线性插值算法相比，取得了较好的实验效果。 压缩感知( c o m p r e s s i v es e n s i n g ，c s ) 是近年来从信号分解和逼近理论发展出的一 种新的可压缩成象理论，近年来已经被应用于直接捕捉压缩图像数据【1 9 删。c s 编码机 制具有编码端结构简单和易实现的特点，适合编码端低复杂度要求的编码结构。重构接 收到的观测值的数量直接影响到c s 重构信号误差的大小，而重构信号误差的大小与具 体使用某个观测值几乎无关紧要，也就是说，重构使用的每一个观测值对恢复信号的作 用都是一样的，这一特性恰好满足m d c 需要。本文将c s 与m d c 相结合，提出一种基 于c s 的m d c 编码方案，与传统m d c 相比，不仅编码器结构简单，抗丢包，抗误码能 力进一步增强，而且编码效率也得到了提高。 1 2 图像编码技术的现状与发展 1 2 1 图像编码技术的发展历程 图像编码最早起源于上世纪4 0 年代末s h a n n o n 信息论。信息论的重要意义在于它 把信息进行量化，同时证明了在不产生失真的前提下，通过合理有效的编码技术，对每 一个信源符号分配不等长码字，平均码字可以任意接近等于信源的熵。图像编码技术通 常可以分为无损压缩和有损压缩。在无损压缩中，人们更多关注在重建没有信息丢失的 数据上面。对于有损压缩，允许压缩后产生质量上的误差。有损压缩相对于无损压缩可 以得到更高的压缩比。无损压缩大体上包括行程( r u n - l e n g t h ) 编码，h u f f m a n 编码， 字典编码和算术编码。有损压缩可分为预测编码，正交变换编码，金字塔编码，子带编 码，矢量量化编码，j p e g ( 联合照片专家组，j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 和 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 等。压缩编码方法很多，也有不同的分类方法，比 如在数字图像处理领域编码方法也可以分为以下3 种：信息保持编码，保真度编码和特 征提取。还可以将编码方法划分为4 类，即平均信息法，预测编码法，变换编码法和其 他编码方法。下面介绍一些常用的编码方法【z l j 。 行程编码，也称游程编码，游程长度编码，是一种相对简单的编码，多用于二值图 一2 一 辽宁师范大学硕士学位论文 像。原因在于，二值图像数据序列只有两种符号“o 或“1 ，并且“0 ”和“1 的游 程总是交替出现的。例如，一个二元序列为：0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 ，则可以变为下列 游程序列：2 4 3 4 2 。若已知二元序列从“0 开始，那么就很容易恢复原序列。行程 编码虽然在编码效率方面低于h u f f m a n 编码，但是它的码字结构相对简单。 h u f f m a n 编码也称霍夫曼编码，最优码，它依据变字长编码理论，对于出现概率大 的符号采用短字长的码，对于出现概率较小的符号采用长字长的码，通过缩短平均码长， 达到压缩的目的。h u f f m a n 编码之所以称为最优码，是指它在变字长编码方法中，对于 给定的概率模型和符号集，h u f f m a n 码具有最短的平均字长，码字的平均长度十分接近 信息符号的熵值。 字典编码主要包括隐式字典，典型算法有1 9 7 7 年a b r a h a m 和j a k o b z i v 提出的l z 7 7 算法，在此基础上，1 9 8 2 年s t o r e r 和s z y m a n s k i 提出l z s s 算法。隐式字典就是在数据 压缩过程中，寻找当前等待进行压缩的数据串，如果数据串中相关子串在已经处理的数 据串中出现，则利用指向该已经进行处理数据串的指针代替当前等待进行压缩处理的数 据串。另一种字典编码方法是为输入数据创建一个短语字典，如果当前等待压缩的数据 流中有相应的短语在字典中存在，则利用该短语在字典中相应索引值取代原始数据。典 型算法有l a m p e l 和z i v 提出的l z 7 8 算法，也称l z w 算法。 算术编码与h u f f m a n 编码方法相似，都是对使用频率较大的数据采用短码，使用频 率较小的数据使用长码，但是算术编码实现比较复杂。算术编码码字紧凑，不仅压缩数 据值，也压缩值序列，适用于数据中大多数数据是由相同的重复序列组成的图像文件。 算术编码在j p e g 和j p e g 2 0 0 0 等编码标准中使用。 预测编码方法也称预测法，d p c m 法，是利用其相邻像素的相关性，已知一个像素 离散值，预测下一个像素的可能值，对预测值和预测误差进行量化、编码。 变换编码是通过相关变换使得变换域中数据相关性减小，降低冗余度。从数学上看， 可用于图像编码的正交变换方法有f o u r i e r 变换、w a l s h - h a d a m a r d 变换、正弦变换、离 散余弦变换、斜变换、k - l 变换和哈尔变换等。k - l 变换是所有变换中信息集中能力最 强的变换，但k - l 变换是以图像统计特性为基础的正交变换，它的变换矩阵不是固定不 变的，而是随着原始输入图像信号的改变而改变。因此，要从每个子图像中都获得k - l 变换基本函数所需的计算量非常大，所以k - l 变换不太实用。图像变换编码系统框架图 如图1 1 所示。 金字塔编码是将原图像分解成若干不同分辨率的子图像，尺寸较大的高分辨率子图 像位于下层，尺寸较小的低分辨率子图像位于上层，借助拉普拉斯算法对图像的每一层 分别量化，编码。 图像多描述编码方法研究 输入叶分割啼正交变换叫量化叫编码叫 解码_ 反变换_ 输出 图1 1 图像变换编码系统框架 f i g 1 1 f r a m e w o r ko fi m a g et r a n s f o r mc o d i n g 子带编码最早用于语音编码，它利用分解滤波器将图像分解成不同频率的分量，再 对这些分量进行亚采样，形成子带图像，不同子带图像采用与其相匹配的方法进行编码。 子带编码最大的优点是重构图像无方块效应，故其在图像编码中有着较大的应用潜力。 矢量量化编码应用较为广泛的有预测矢量量化，空间域矢量量化，变量矢量量化， 子带矢量量化和混合矢量量化等。 m p e g 是对活动的视频图像压缩的国际标准简称。m p e g 包括m p e g 1 ，m p e g - 2 ， m p e g 。4 和m p e g 7 。m p e g - 1 适用于低于1 5 m b i t s 速率的数字媒体，也可应用在局域 网和远程通信中。公布于1 9 9 4 年1 1 月的m p e g 2 主要适用于h d t v ( 高清晰度数字电 视) 。m p e g 4 于1 9 9 3 年发布，主要支持多媒体信息内容的访问。m p e g 7 是多媒体内 容描述接口，于2 0 0 0 年发布。 j p e g 是由国际标准化组织( i s o ) 和国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 为静态图 像建立的第一个国际化数字图像压缩标准，同其它常用文件压缩格式相比，如g i f ，t i f f 等，j p e g 是现今为止静态图像中压缩比最高的。j p e g 定义了两种压缩算法，一是离散 余弦变换即d c t 变换，另一种是空间预测。空间预测采用了脉冲编码调制技术，它侧 重于无失真编码。p e g 的编码流程如图1 2 所示。 燃燃和淞 掌? 争愀据 筮化表码袭 图1 2j p e g 编码器流程 f i g 1 2 p r o c e s so fj p e ge n e o d e r 行程编码、h u f f r n a n 编码、算术编码、预测编码和变换编码它们是以数字信号处理 技术和信息论为基础，目的是去除数据中的线性相关性，压缩比有限，通常称为“第一 代编码技术 。“第二代编码技术”是指利用人的视觉、心理和图像信源的各种特征获 得高压缩比和重构图像质量。金字塔编码，子带编码和基于小波变换编码等方法充分利 用了人眼视觉特性，可看做两代编码技术的过渡。 4 辽宁师范大学硕士学位论文 1 2 2 图像可分级编码机制 网络、通信及普适计算等技术的稳步发展，使实时、高质量的图像通信服务业务成 为可能。然而，在图像和视频信息的传输过程中，网络所具有的异构、时变、带宽有限、 误码率高、易丢包、延迟以及接收端处理能力的不均衡等特性通常会使解码图像的质量 下降，有时甚至会带来解码错误，实时传输高质量的图像信息和有效控制传输信道的差 错成为一个具有挑战性的工作。目前国际上提出了可分级编码的机制。所谓“可分级编 码”是指用单个编码器产生分层次的压缩码流，在终端对不同层次属性的码流解码，通 过解码获得不同质量的图像效果。例如，低档次解码端能够获得低分辨率的图像，原因 在于它只对码流的一部分进行解码，而处理能力高的解码端能够获得高分辨率的图像， 原因在于它对整个码流进行解码【2 2 】。 图像的可分级编码包括空间可分级和质量可分级，二者均可通过分层编码来实现， 即将码流分成可以单独解码的基本层码流和增强层码流。基本层码流能够适应较低的网 络带宽，提供最基本的重构图像质量或低分辨率图像；而增强层码流能够覆盖一定动态 变化范围的网络带宽，提供从基本重建质量或低分辨率图像到高质量或高分辨率的图 像。进一步，近年来还产生了可以在码流的任意位置进行截取的精细可分级编码方案， 具体可参见【2 3 】。 除了单独的空间可分级和质量可分级编码方法外，二者还可以联合起来构成混合编 码方案即码流在总体上是分层的空间可分级，而在每一层上是数率可分级，提高可分级 编码的灵活性。图像混合可分级示意图参见图1 3 。 图1 3 图像可分级编码示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fi m a g es c a l a b l ec o d i n g 1 2 3 图像编码技术评价指标 评价图像编码技术的性能指标主要有三个：压缩比、指定压缩比下图像的重构质量 和图像编码解码的速率。 ( 1 ) 压缩比 图像多描述编码方法研究 压缩比是指压缩前后图像比特数的比值，即压缩比= 压缩后图像的比特数 蘑辆丽蒋丽丽。 ( 2 ) 指定压缩比下图像的重构质量 图像重构质量评价方法主要分为两种：客观保真度和主观保真度。客观保真度常用 的方法是峰值信噪比( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ，p s n r ) 和均方误差( m e a ns q u a r e d e r r o r ，m s e ) 。 胱= 1 0 培等- 1 0 培_ 二mn 婴l a ( 1 1 ) 上y晰，)一厂o，朋2mn l - , ，乞“。 其中o p 叩为原始图像的峰峰值，一般被均匀量化为2 5 6 个电平，其值为2 5 5 ， 也可以理解为图像可能出现的最大亮度值。 s ( i ，j ) 为原始图像信号各点像素值，多( f ，) 为重构图像信号各点的像素值。m 为图 像信号的长度，n 为图像信号的宽度。 砖：熹兰羔 厂( f ，j ) 一厂a 朋2 ( 1 2 ) 砖2 赤善荟 厂( ) 一厂d 朋2 ( 1 2 ) 主观保真度是由主观者通过自己的经验和视觉器官，对图像作出主观上质量的判 断。国际上通行的5 级图像质量评分标准如表1 1 所示。为了确保评分标准的准确性， 常用的做法是把待评价的图像显示给一组若干个观察者，将他们的评价结果加以平均作 为图像主观质量最终评价结果。 表1 1 图像5 级评分标准 t a b 1 1f i v er a t i n gs t a n d a r df o re v a l u a t i o nf o ri m a g e ( 3 ) 图像编码解码的速率 一6 一 辽宁师范大学硕士学位论文 图像编解码速率也是衡量图像压缩性能的一个重要指标。如果图像压缩和解压缩的 速度太慢，则在实时通信中，易造成等待时间过长而达不到实时处理的要求，影响整个 传输通信的效率。 1 3 本文的工作 目前已有很多关于多描述的图像编码方法，本论文分别结合可分级的编码思想和压 缩感知编码理论提出了两种新的多描述编码算法： ( 1 ) 将多描述编码与图像质量可分级编码机制相结合，提出一种基于d c t 分层结 构的分级多描述遥感图像编码方法，基本思路是将包含遥感图像细节信息的增强层通过 下采样形成多个描述，将包含遥感图像关键信息的基本层作为冗余引入到每个描述中。 该方法一方面可保证在某个边缘描述丢失时，最大可能地恢复遥感图像的重要信息，以 提高解码质量；另一方面，可通过控制基本层的码率，来达到便于控制多描述编码冗余 度的目的，且具有实现简单、计算复杂度低的特点。实验结果验证了所提出方法的有效 性。 ( 2 ) 提出了一种基于压缩感知的平衡多描述图像编解码方法，该方法以图像行列 相关系数和稀疏度为依据自适应的选择采样方式，并以采样图像的测量值确定多个描 述，具有结构简单、描述信息精度高和描述信息处理一致性的特点，描述信息由当前描 述的主信息和另一个描述的保护信息即冗余信息组成，从而保证了在解码端利用接收到 描述中的冗余信息，有效地预测出因信道恶化而丢失的另外一个描述信息。此外，为了 克服传统平衡多描述结构中当两个描述同时接收到时所带来的冗余信息的浪费，本文提 出了一种适应信道状况的主信息与冗余信息的最优化码率分配策略；同时依据主信息和 冗余信息码率的分配方案，提出一种解码端基于加权的丢失信息预测方案，使对丢失信 息的预测更加有效。大量的统计实验结果验证了所提出编码方案的有效性。 全文共分5 个章节，具体结构如下： 第一章给出了本论文的选题背景和意义，并对图像编码领域的相关知识进行了简要 的阐述。 第二章介绍了多描述编码的相关知识，以及本文用到的理论基础。 第三章介绍了压缩感知理论的相关知识以及压缩感知理论在多描述编码方面的应 用。 第四章提出一种基于d c t 分层结构的分级多描述遥感图像编解码方法，并对算法 的理论基础和实现过程给出了详细的阐述。 第五章提出了一种基于压缩感知的平衡多描述图像编解码方法，并对算法的理论基 图像多描述编码方法研究 础和实现过程给出了详细的阐述。 第六章对本文的研究工作做了总结和展望。 一8 一 辽宁师范大学硕士学位论文 2 多描述编码技术概述 2 1 引言 针对信道的不可靠传输，则出现了“多描述编码 ，其基本思想是将同一图像或视 频分解成多个描述，再对每个描述独立编码并通过不同信道传输到解码端。如果某些信 道的数据出错、丢包或阻塞而不能按需要到达解码端，解码器可从已接收到的描述中重 建图像；如果所有信道的码流都被接收到，则可重建出高质量的图像：多描述编码通过 引入描述间的冗余来抵抗传输过程中不可靠信道所引起的降质，进而提高传输的鲁棒 性，其一般架构如图2 1 所示。 输入 嘲像 边缘解鹳器l ( 1 个描述 = = = ：= = = = = = = = = = = ：= = 边缘解弼嚣2f 2 个籀述) 图2 1 多描述编码一般架构 解码 蹦德 对于具有两个描述的多描述编码可由五个参数来刻画【1 2 】：局和马为两个描述的码 率即单描述码率，d o 为两个描述都接收到时中央信道的失真率，d l 和d 2 为单描述失真 率，且它们满足式2 1 的条件： f r i + r 2 r ( d o ) 2 1 ) r i r ( d i ) i 恐r ( 嘎) 设r = 曷+ 恐为总码率，d = ( 马+ 9 2 ) 2 为边缘信道的失真率，即只收到一个描述 时的平均失真率，f 为获得等同于中央信道失真率d o 时常规编码单描述所需的码率， = r - r 记为多描述编码的冗余码率。多描述编码的目标是在对于给定的d o 或岔， 固定彤的情况下，使d 边缘失真达到最小。此外，r p 越大，m d c 对信道失真就越鲁 棒，但相应的编码效率也越低；反之，其鲁棒性越弱，编码效率越高。可见，m d c 的 鲁棒性和编码效率是一对矛盾。为了更好地适应网络环境和服务质量需求的变化，多描 一9 一 一一 攀：一 - l 一 3 一 打一 攀一 图像多描述编码方法研究 述编码应能动态调整描述间的冗余，当网络传输差错率低时，减小r 口可以提高编码效 率，反之，当网络传输差错率大时，增大尺口以保证传输的鲁棒性，进而在鲁棒性和编 码效率之间达到合理折衷。 2 2 多描述编码的主要方法 目前，关于图像可分级编码的研究已相对成熟，产生了e z w 2 4 1 、s p i h t 2 5 1 、s p e c k 2 6 】 和e b c o t 2 7 等高效率的编码算法，并在j p e g2 0 0 0 和m p e g 4 等标准中得以成功应用。 而多描述编码的研究仍处于快速发展阶段，现有方法主要包括以下几类：基于量化的 m d c 、