（信号与信息处理专业论文）基于小波域的视频编码抗误码方法研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在多媒体通信飞速发展的今天，视频通信在通信领域占有很重要的地位。视频图像 的信息量非常巨大，如果不经压缩，将无法有效地传输和存储。然而，压缩数据在实际 信道中传输时不可避免地会出现传输错误，造成接收端图像产生失真。同时由于压缩过 程中去掉了视频图像信息之间的冗余信息，使得压缩后的数据对误码非常敏感，导致重 建图像质量进一步下降。在有噪信道中传输视频图像，抗误码措施必不可少。如何对视 频数据进行有效而可靠的传输成为多媒体应用中一个关键的问题，也是目前较为热门的 研究领域。 本文在介绍了视频编码及抗误码方法的基础上，主要研究了基于小波域的视频编码 系统及抗误码方法。目前，几乎所有的视频图像编码算法都是基于离散余弦变换和空间 域的运动补偿技术，但基于d c t 的算法存在明显的方块效应。小波变换具有良好的空间 一频率局域化等特性，非常适合描述非平稳图像信号。利用小波系数的多分辨率特性， 实现三维s p i h t 编码，三维s p i h t 编码方法充分考虑了视频图像序列在时间轴上的特 点，不需要做运动补偿，很自然地a _ - - 维空间和一维时间结合起来，在降低了算法复杂 度的同时，得到较好的编码效果。为了更可靠的进行视频图像传输，采用多描述s p i h t 编码方法来提高抗误码性能。利用小波图像的结构及各子带之间的对应关系，使得多描 述s p i h t 编码方法在基本不降低压缩效率的情况下，大大提高了抗误码能力。另外本文 还利用了前向纠错编码技术，对输出码流进行纠错编码，以达到纠正误码的目的。对于 无法纠正的误码，在解码端利用了人眼视觉特性进行错误掩藏。并根据小波系数的特点 使用多向内插方法，使得重建视频图像质量有了明显的提高。 对整个系统进行了仿真试验，表明基于小波域的视频图像编码及抗误码性能比基于 空间域的都有了一定程度的提高。基于小波域的视频图像编码及抗误码方法是非常有前 途的研究方向。 关键词：视频编码；抗误码；多描述编码；小波变换 基于小波域的视频编码抗误码7 3 - 禹h 研究 e r r o rr e s i l i e n c et e c h n o l o g yo fv i d e oc o d i n gi nt h e w a v e l e tf i e l d a b s t r a c t v i d e oc o m m u n i c a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nc o m m u n i c a t i o nf i e l dw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i at e c h n o l o g y h f f o m 1 a t i o no f i m a g e i ss oh u g et h a ti tc a l ln o tb et r a n s m i t t e do rs t o r e d e f f e c t i v e l y w i t h o u t c o m p r e s s i o n c o m p r e s s e d d a t aw i l lb ei n t e r f e r e d i n e v i t a b l yd u r i n g i r a n s m i s s i o nd u et ot h ec h a n n e ln o i s e i tw i l l l e a dt o o b j e c t i o n a b l e v i s u a ld i s t o r t i o n r e d u n d a n c yi n f o r m a t i o ni ni m a g e i se l i m i n a t e dw i t hc o m p r e s s i o n i tm a k e sc o m p r e s s e dd a t a m o r es e n s i t i v et oe r r o ra n dl e a d st o 缸 t h e rd i s t o r t i o n d u r i n gi r a n s m i t r i n gv i d e od a t ai nt h e n o i s ec h a n n e l e ：r r o rr e s i l i e n c ei si n d i s p e n s a b l e h o wt ot r a n s m i tv i d e od a t ae f f e c t i v e l ya n d r e l i a b l y i sb e c o m i n gak e y p r o b l e m i nm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , a f t e ri n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fv i d e oc o d i n ga n de r r d rr e s i l i e n c e s t u d yt h e m e t h o d so f v i d e oc o d i n ga n de t r o rr e s i l i n gi nt h ew a v e l e tf i e l d 眦p r e s e n t e d n o wa l m o s tv i d e o c o d i n gm e t h o d sa r eb a s e do nd c t a n dt h es p a t i a lm o t i o nc o m p e n s a t i o mt h e r ei so b v i o u s b l o c k i n ge f f e c t h a v i n g t h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so f t e m p o r a l - f r e q u e n c yl o c a l i z a t i o na n ds oo n , w a v e l e tt r a n s f o r mi s v e r ys u i t a b l e f o r d e s c r i b i n gn o n s t a t i o n a r ys i g n a l u s i n gt h em u l t i - r e s o l u t i o nc m m c t e r i s t i co fw a v e l e tc o e f f i c i e n t , 3 d _ s p n - r rc o d i n gc a nb er e a l i z e d i td o e sn o t n e e dm o t i o ne s t i m a t i o n c o d i n gw a v e l e tc o e f f i c i e n t sw i t h3 d _ s p i h t a n dr e d u e e sc o m p l e x i t yo f t h ea l g o r i t h m ，o b t a i ng o o d c o d i n ge f f e c t i no r d e rt ot r a n s m i t v i d e oi n l a g e r e l i a b l ya n d i n c r e a s e t h ec a p a b i l i t y o f e r r o r r e s i l i e n c e ，m u l l i p l e d e s c r i p t i o n e n d i n g m e t h o d i s p r o p o s e d m o c _ s p m t d o n td e c r e a s ec o d i n ge f f i c i e n c yc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e ti m a g e i na d d i t i o n f o r w a r de l t o rc o d i n gi sa d o p t e dt oc o r r e c ts o m ee r r o r i fs o m ee l l - o r sa r en o tc o r r e c t e d ，e r r o r c o n c e a l m e n tt e c h n o l o g yi nd e c o d e ri s e m p l o y e dc o n s i d e r i n g h u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e tc o e f f i c i e n t st h em e t h o do fm u l t i - d i r e c t i o n i n t e r p o l a t i o n i su s e dt oo b t a i n g o o d r e c o n s t r u c t i m a g e t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf o rt h i ss y s t e mi n d i c a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo f c o d i n ga n d e f f o rr e s i l i n gi si m p r o v e ds i g r f i f i c a n t l yi nt h ew a v e l e tf i e l d v i d e oc o d i n ga n dc h o r m s i l i n gi n w a v e l e tf i e l di sa g o o d s e a r c h a s p e c t k e y w o r d s ：v i d e o c o d i n g ；e r r o rr e s i l i e n c e ；m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ；w a v e l e t t r a n s f o r m 一 独剖僚说绸 作卷郑重声明：本该学挝论文是我个人在譬师指导下进行的研究 工作及椒褥研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不篷含英链天已经发表袋撰霉盼醑究成栗，也不蔑禽秀获褥 丈连理王大学藏其遂攀应熬学惫或诞书掰蕊耀过翁瓣糕。与我翼王馋 懿怒惑对本研究所徽贻贡献均已农论文中擞了嬲确的说明并袭示了谢 意。 作者签名：。差塑差：日期；星竺墨! ：堡 大连理工大学硕士学位论文 1 缝论 l 。i 视频缡玛抗误码方法概述 众所周知，人撵从外界获取的信息主要是通过视觉获得的，视频信息具有直观性、 霹纛牲等一系列往越性，纛技术进步释爱产霪求装捺凄下，入霹】对繁惠逶嫠籁存麓熬簧 求融不仅仅限于传统的语音和文本信息，图像( 静止) 和视频( 活动图像) 信息的存储与传 戆懑经残为各耪瀵赞类毫予、逶莹霹诗算撬镶壤静藏建热焘。然嚣撬频图像瓣售惠爨 常巨大，如果不经压缩，传输所需的高传输速率和存储所需的巨大存储器容搬将成为这 矮援寒遴一步推广藏廷豹最大障瓷，匿憩数据压缝【4 基戒必援频领域孛熬一颈重簧技 术。原始图像中存在大量的信息冗余，如空间冗余、时间冗余、频率谱冗佘、符号冗 余、援甏嚣余等，数据压缀豹量豹裁是去除数据之麓戆冗余。怼不嚣憋嚣余倍悫有不慰 的压缩方法，例如，空间冗余可以通过离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ， d c r ) 来去狳，嚣闼踅余可以逶过骥闯疆测去除。载频压续藏是要麓逶当熬方法去除这 些大量存在的信息咒余。 在广泛旌用粒墅像援频毯续掭羰( 热h 2 6 x 、v p e g - x 等) 1 - 3 ，a 警邦应熙了 d c t 变换和运动补偿技术。这些按术非常有效地去除了数据之间的冗余，愿缩了图像 数据，大大节约了鞠像豹钱埝带宽。然嚣，送缝数撂在实骣馈遂中转羧时不霹避兔她会 遇剥各种噪声和干扰，例如，无线信道中的多径衰落产生误码，i p 信道上的阻塞丢 包簿，都会导致缝现黉翰镂误，逡艘接收燃产生匿像雾s 跃、不连续、出现怒赛壳等璐 象。同时由于压缩过程中去掉了视频图像倍虑之间的冗余信息，使得压缩后的数据对误 码# 常敏感。比如，在交长编码耜遐动辛 偿技术孛，位# e 姆误羁霹能导致误码以鬃接 收到的数据都无法被正确解码，引怒误码扩散，进一步降低解码后熏建图像的质量。对 于不压缩抟视频透铸，用户接受魏误羁率约为l o 吨；嚣对于莲缩熬筏频逶镶，嚣误鹚 会对图像质量产生剧烈的影响，其可接受的误码率仪约为1 0 “。同时非可靠倍道( 如光 线隧络) 熬使用也使褥这个闻题交褥更热竣，基于攘塞、超薅跫迟弓| 起氆豹丢弃秘 a t m 的信咒丢失，弹网络无重传的包丢弃率可高达1 0 一。在这样的网络中传送视频信 号，没有煮效豹挠误码接施，恢复援叛凄量怒无法接受兹。为了竟觳误疆造成豹视频溷 像质量下降，需要引入抗谡码技术 7 。抗误码技术就是为了使传输信号具有照强的抗干 扰黢力，减小乃至游除误羁慰重建躅像豹影噙，褥裂令人瀵意豹重楚霆 曩覆爨。篷蔷巍 频成用的不断发展，抗误码技术也畿不断的完善和发展，并版在视频编码中的地位越来 越爨要。 基于小波域的视频编码抗误码方法研究 为了消除和减小传输误码对重建图像质量的影响，往往可以采取多种技术手段来进 行误码消除。抗误码技术可分为误码恢复技术和错误隐藏技术。误码恢复是通过在编码 端加入一定的冗余信息，在解码端利用这些冗余信息，可以纠正在传输中出现的误码。 前向纠错编码( f o r w a r de r r o rc o d i n g ，f e c ) 、差错控制编码( e r r o r c o n t r o l c o d i n g ， e c c ) 、自动重传请求( a u t o m a t i c r e 廿a n s m i s s i o n r e q u e s t ，a r q ) 等等，这些都是误码 恢复技术【8 1 0 。基于图像后处理技术的错误隐藏是一种在解码端利用接收到的信息进 行错误掩盖的技术11 - 1 4 。当在解码端发现误码时，它利用图像序列中残存的各种空间 的、时间的冗余特性尽可能“恢复”原图像，改善观察者的主观视觉效果。常用的有内 插、最大平滑恢复等方法。由于这种技术和编码端无关，不占用额外的传输带宽，可以 和编码标准无关，因而它在实际中有很大的应用。尤其是应用在传输观赏图像的情况 下。在解码端还可以利用人眼的视觉特性。因为人眼对一定失真的感觉并不明显，基于 人眼的这种特性，可以花费很小的代价就可得到人眼满意的图像。有时为了得到更好的 恢复效果，把误码恢复和错误隐藏结合起来 1 5 1 7 。即在编码时就考虑到误码的存在， 加入一定量的冗余信息，在解码端进行错误隐藏时，利用这些冗余信息来隐藏无法纠正 的传输误码，可以大大提高了抗误码能力。 1 2 研究内容和章节安排 1 2 1 主要工作 在对视频编码的抗误码方法进行比较全面的了解的基础上，重点分析了基于小波 域的多分辨率特性，利用其特性，实现了多种抗误码方法。主要工作可分为两部分：在 编码端拓展了s p i h t 编码方法，使输出码流具有较强的抗误码能力。在解码端根据码流 特性，进行错误隐藏，得到满意的重建图像。对以上各部分均进行了算法仿真，并进行 了多种试验分析。 研究工作分为以下四个阶段进行： 1 ) 阅读有关图像和视频压缩编码及抗误码方法的书籍和文献，熟悉视频编码系统 的原理及对应的抗误码方法，并了解其关键技术。 2 ) 学习小波变换的有关知识，掌握了小波图像的结构及其性质。讨论y d , 波域的 视频编码方法。 3 ) 针对小波域视频编码方法，着重分析了s p i h t 编码方法，提出改进的编码方 案，提高了抗误码能力。同时对整个系统进行了仿真试验，并和基于空间域的 视频编码进行了比较。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 如对现有工佟进行了总结，l 司时对今飚的抗误码方法潋行了展攫a 1 2 2 章节安排 论文金文共分纛部分。第一部分为绪论，简单介绍了视频编码技米及抗误鹳方法的 应用。第二部分介绍了抗误弼技术的基本原瓒和方法，详细论述了各种常见的视频编鹕 抗误码方法。第三部分在论述了基予小坡域视频编赐的基础上，实现了三维s p i h t 编 码。第四部根据小波域的s p i h t 编码特性，采用多描述s p i h t 编码撬嵩其抗误码能力。 在爽瑗多描述s p i h t 编码过程中，缝合多种技术，根据其应翔位置不同 箕孛s 一”表瑟裹共辍，甄$ = 去矿三二兰) 稼楚，j 、激爨鼗。蔷萼歹鼍哆遥篷枣 l 牙i 矗 渡爨数魏。黪凝鬻罄霆秀获褥了苁在鼗举辩器瓣翁麓域嫠爨。拣势式嶷嚣子， 6 为俄秽因子。可见改变口德，对函数矿熟宥扩展和收缩作用，参数日改燮窗口的大 套萼彩凌，凌袭变予波蘩谗翰熬谱鬻。始暴参数蹿藏枣，致毒静囊藤嚣鬻之燮 窄，瓣蛾。( 妨鼢频滋则鲢之魍藏频燃鼹宽，眨之亦然。这就突现了爨目大小囊避应变 强，姿信号鞭率磐骞潆，对瀚窝交帝，蔫额帮褒宠，戳裂予裣溆徒交臻警，爨篱了爵壤 分爨零，反之宓然。燃矗嚣变健爨使舨玲乎蓼。 枣渡函数的选耩s # 不是墩瓣，也不是任意酌。窀熬遴撵陂满是； 1 6 * 大涟理工大学硕士学位论文 1 ) 定义域是紧支撑( c o m p a c ts u p p o r t ) 的，即在一个很小的区间之外函数为 零，也就怒说函数熬有速降性，醵鼹获得空间局域亿。 2 ) 平均值为零，也就怒 妒( f ) 衍= o ( 3 3 ) 舅乡 ，黉镬盛= o 成立，妒窖) 必绥在实辘上取篷蠢蓬毒受，氇莸燕妒要鬟 有振荡性，通俗地说就是一个“波”，而紧支撑的条件就保诞了这个“波”是迅速衰减 的，也就是“波”娶“小”，这氇罴“小波”名称静国来。 利用p a r s e v a l 恒等式，可得到小波变换的反变换，即 f ( t ) 。专呱啪帆争 参鼗疽静律缩帮参数b 的平移为连续取穰瓣，l 、渡交换是滚续小波嶷挨。 中需要对尺度参数盯和定位参数b 进行离散化处理。就得到离散小波函数。 取挤= 8 i ，b = 纸口；( 痞o l ，b o 镑，郧么离散夺波为 矿臁 = a o2 妒 搽一i ) 于是，离散小波变换为 啄，翻，妨。) = ，眩黔= c - 薄) 瓦劢 ( 3 + 4 ) 纛实际应耱 ( 3 ，爨 ( 3 6 ) 最常用的离散化参数是二进制鲍动态采样铡格：= 2 ，b 。= 1 此时，二进小波为 妒。k ( f ) = 22 矿( 2 7 f 一七) ( 3 7 ) 二迸小波交换庭义菇 ，u j ) 2i 。，( o 蚧，t ( o a t ( 3 8 ) 其反变换为 ，) = ，五妨冰 ( 3 9 ) m# m a l l a t 从函数的多分辨率空间分解概念出发，在小波变换与多分辨率分析之间建立 超关系。怒￥方可积遗鼗，看成憝蒹一逐缀遥遥酶缀限清流，每缀遴近都燕焉菜一低 通乎滑函数对，0 ) 作平滑的结果，只是逐级i 鹱近时平滑函数也作逐级伸缩。也就是用不 同分辨率来邂级遥远待分析踊数，逮就是“多分辨率”得名蠢来。多分辨率分析理论为 正交小波的构造奠定了基础，并且为构造小波变换的快速算法提供了理论依据。 1 7 基于小波域的视频编码抗误码方法研究 多分辨率分析( m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ，m r a ) 是函数空间的逐级剖分，是 函数空间l 2 ( r ) 空n - - m 从无到有、逐级精细最终逼近l 2 ( r ) 的子空间 ，形式上就 是： c 匕一c c r ( r ) ，熙= 0 ) ，熙_ = r ( r ) ( 3 1 0 ) 上式表示的是逐级扩大的一串低通空间。这些空间是由一个尺度函数生成的，每个 _ 是由对应尺度函数系中= 钫，。( f ) ；j 】 z j 线性叠加出来的，_ 称为尺度子空间。当 增加时，空间的大小也会增加，这样就允许信号可以有更多的细节信息被包含在该空 间中。如果信号( r ) 是空间巧的元素，则它也是空间。的元素，因为的基函数 妨，。( r ) j 都是+ 。的一部分。一个r ( r ) 空间中的信号，( f ) 就可以由不同子空间_ 的基 函数钫。( ，) 来近似表示，即逼近。 存在矽，中的所有函数与中的所有函数都正交，称为小波子空间。尺度予空 间和小波子空间的关系可以表示为巧。= _ o ，所以尺度予空间和小波子空间共同构 成了r ( r ) 空间。r ( r ) = o 0 职，也可以说矽，是反映空间细节的高频子空 间，h 是反映空间信号概貌的低频子空间。 m n l a t 在多分辨率分析基础上提出的系数分解与合成的这种完整的算法，其本质是 不需要知道尺度函数妒0 ) 和小波函数g ( t ) 的具体结构，只要知道分别与尺度函数的小波 函数相关的低通滤波器系数h 。和高通滤波器系数g 。，就可以实现厂( f ) 的分解与重构， 与g 。满足关系 g 。= ( - d “h ( n 一1 一n )( 3 1 1 ) 其中月= 0 , 1 ，n 一1 ，n 为滤波器长度 二进小波变换的m a l l a t 算法的正变换( 分解) 算法： h 。= 吃。c h ， 1 d j 广窆。引2 ，_ ， ( 3 1 2 l “ 其中，。似是原信号的平滑信号，即低频部分，d s 。原信号的细节信号，即高频部 分，g 。是与小波函数相关的带通滤波器的脉冲响应，h 。是与尺度函数相关的低通滤波 器的脉冲响应。分解过程如图3 1 所示，针对低频部分c ，。逐级分解。 1 8 。 人连理工大学硕十学位论文 一 - l 亘_ - 世纠，q 。t 叫hi 叫0 2i c f c 川 p 叫g 叫j ，2j d 川，女 ，1 否i - | 山2l - t ，t 图3 1 信号分解框图 f i g 3 1a b l o c kd i a g r a mf o ras i g n a ld e c o m p o s i n g 反变换( 重构) 算法： c 似= 2 。c + g k - 2 , d 】，= ，j l ，1 ( 3 13 ) 重构过程如图3 2 所示，低频信号和高频信号重构出高一级的低频信号，并逐步重 构出原始信号。 c 一，t - 1 ：坐l1 ，l 刚- d j 叫千2j 1g - 一l ，j 。- j 小 - 阿习丁百 - l - - - j l 。_ j ，圈- 固， 图3 2 信号重构框图 f i g 3 2a b l o c kd i a g r a mf o ras i g n a lr e c o n s t r u c t i n g 对于二维信号，小波变换可以采用可分离二维变换。先对二维信号进行一维行变 换，再对行变换之后的结果进行一维列变换。二维信号的离散小波变换同样可以使用 m a ll a t 算法进行快速运算。 3 2 图像的小波变换 对于二维图像的小波变换，可以采用可分离的二维小波变换，即由行和列两个方向 的一维小波变换组成。小波变换就是以原始图像为初始值，先对其行作小波变换，得到 高频分量d 和低频分量a ，行变换结束后，再分别对a 和d 进行列小波变换，便得到四 个子图像，它们分别是上厶，l 日，h l ，脚。，然后不断地将上一级图像分解为四个子 带。从多分辨率分析出发，一般每次只对上一级的低频子图像进行再分解。具体分解过 程可以用图3 4 来描述，图中三三，为低频子带，三日，m ，h h ，为高频子带。图3 5 中 给出了对实际图像进行小波分解的实例，( a ) 是原始c l a i r e 图像，( b ) 一( d ) 是图( a ) 一1 9 基于小波域的视频编码抗误码方法研究 进行1 3 级分解得到的小波图像。为了显示清晰，对于不同子带的小波系数按比例有所 调整。 胍i 飓i l h 3 h h 3 眦2 i l l l 21 1 1 4 2 碣h h i 图3 4 小波变换分解过程 f i g 3 4d e c o m p o s i t i o no f w a v e l e tt r a n s f o r m i n g 图3 5 图像的小波分解 f i g 3 5t h ew a v e l e td e c o m p o s i n go f i r n a g e 图像进行小波变换后，并没有实现压缩，只是对整幅图像的能量进行了重新分配， 事实上，变换后的图像数据具有更宽的范围。但是宽范围的大数据被集中在一小的区域 内，而在很大的区域内的动态范围很小。小波变换编码是在小波变换的基础上，利用小 一2 0 丈连理工大学硕士学位论文 波变换的这些特性，采用适当的方法组织交换后的小波系数实现图像的高效编码的。 幅图像作小波分解赡，可褥到一系踟不同分辨率的予图像，不蔺分辨率的子图像对应不 同的频率。分解后的图像有以下特点： 1 ) 各高频予带其有方向选择陡。对一徭图像来说，其高频信怠主要集中在边缘、 轮廓和某魃纹理的法线方向上，代表了图像的细节变化。h l ，频带中包含了照 多灌直方向的高频信息，豳此三瑾，袭示了水平方向的边缘、轮廓和纹理信患。 三，频带巾剥主要是原图像水平方肉的毫频信息，所以l h ，表示了垂盔方是 的边缘、轮廓和纹理信息。h h ，频带是嘲像中对角线方向的高频信息的体 羲，尤其怒戮4 5 。建蓑1 3 5 。受豹毫频痿塞菇主，羁瓣建线秀离嚣边缘、轮鬻穗 纹理信息则集中体现在删频带中。小波图像的遮一特点表n 4 , 波变换具有 庭好豹空鬻方商选择佳，麓入眼醵搅觉符後卡努窃会，这样就可敬校豢不闲方 向的信息对人眼作用的不i 司来分别设计量化器，从而得到很好的编码效果。 棼多分辨率努琚。枣波图像鹣各个频带分裂辩应了纂黼像在誉淹尺度帮不弱分辨 率下的细节以及一个由小波分解级数决定的最小尺度、最小分辨率下是对原圈 像酪最佳遥透。戳三级势嬲为爨，豢终静低菝荣三是嚣l 薅鬻像在尺嶷秀1 8 秘 分辨率为1 8 时的个逼j 艟，图像的主要内容都体现在这个频带的数据中。 三群，王毯，艘，瑙分鞠蓬鬻像在足凌舞1 2 j 、分瓣宰免1 2 j ( j = l ，2 ，3 ) 下 的细节信息，而且分辨率越低，其中有用信息的比例越多。e p 4 波分解后图像 静童要豢集串在低频频带，齑分辨率( 静高频) 乎匿僚上大部分赢晦系数都 接近于零，越是高频这种现象越明艇。 3 ) 天然豹搭式数据鳐梅。霞像经多缀夸波分解螽，各系数蓠存在着天然懿塔式数 据结构。对于最高分辨率下的低频予带，每个父节点有3 个子节点，而对予3 个嵩频努解方囱豹子图像，每个象索点在窝阊位置上帮对庭与其裙邻分辨率下 高频子带的四个象索点。即所有的父节点都有4 个子节点，父节点和其所有 予节点健表原始窝像孛籀鬻兹空淹缘譬，窀 f j 梅成了一个因叉耱缝褥。捂图像 作3 级小波分解，就形成1 0 幅予图像。个小波零树结构及其父与子的关系 稀述螽圈3 + s 搿忝，箭头罴垂父节窳指离予肇焦。 2 1 基于小波域的视频编码抗谩码方法研究 图3 6 小波零树结构及其父子关系图 f i g 3 6 t h es t r u c t u r e o f w a v e l e t z 口咖e a n d i t sr e l a t i o n s h i p b e t w e e n p a r e n ta n d c h i l d r e n 目前常用的对小波系数进行的编码基本都属于嵌入式编码( e m b e d d e dc o d i n g ) 。嵌 入式编码就是编码器将待编码的比特流按重要性进行排序的编码过程。这种编码方式可 以根据目标码率或失真度大小要求随时结束编码。同样，在解码端根据恢复图像质量的 要求随时结束解码，得到相应的恢复图像。嵌入式编码首先传输包含最重要信息的比特 流，利用这些信息可以恢复出图像的大致轮廓。随着比特流的不断输出，所含信息的重 要性逐渐降低，其主要功能是细化恢复出的图像 小波变换图像压缩编码算法中最具代表性的是s h a p i r o 于1 9 9 3 年提出的嵌入式零 树小波( e m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e t ，e z w ) 算法 2 6 和a s a i d 和a p e a r l m a n 于 1 9 9 6 年提出的多级树子集分割s p i h t ( s e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s ) 算法 3 0 。它们充分利用了以上三个特征。 下面对基于d c t 编码与基于d w t 编码的性能作一下比较，在质量评价时采用最 常用的客观评价标准：均方误差( m s e ) 和峰值信噪比( p s n r ) 。p s n r 的求法如下： 删= l o x l g 篇) ( 3 1 4 ) m s e = 嘉z ( f ( m ，n ) 一夕( m ，n ) ) 2 ( 3 1 5 j 上两式中，m s e 为重建图像与原图像之间像素值的均方误差，m 、n 分别为图像 的长和宽，f ( m ， ) 和f ( m ，n ) 分别为原图像和重建图像中对应的像素值。 一2 2 大谶理工大学硕士学位论文 表3 1 基予d c t 编码与基于d w t 编码的傣噪比 t a b l e 3 ip s n ro f b a s e do nd c r c o d i n ga n db a s e d o nd w t c o d i n g 编码方法d c l t渐 l 倍嗓琵( p s n r ) 3 3 0 7 9 3 6 23 4 8 3 0 2 9 s 表3 1 给出了在1 0 p p s 的情凌下采用d c t 缩确与d w t 编码辩恢复图像静窖鼹溪 量比较。基于小波域的d w t 编码优于空域d c t 编码。图3 7 从主观重建图像质量方筒 证骥了这一点。萁审( a ) 为原始图像，( b ) 为采用d c t 编码静萋建图像， ( c ) 受采 用d w t 编码的重建图像。可以看到基于小波域的编码方法有效的去除了块效应。主观 霞蠢得虱禳丈静提升。 a )( b )( c ) 图3 7 d c t 编码与d w t 编硝的比较 f i g 3 7c o m p a r i s o nb c 栅c c nd c tc o d i n ga n dd w tc o d i n g 3 3 小波域的视频编码 在小波域的视颡编码e 3 3 3 5 中，主要有三种视频编码方法。由于运动补偿技术可 以鸯效遗去昧视频瘸像之阍的对翔强佘，骚以翦强耱都采翳运动毒 馋技术。簿一秘是 先程空间域进行运动估计，然后将预测误差变换到小波域，这种方法类似于m p e g - - x ， 只憝用小波变换代懿ti l - t 变换。第二秘楚先进行小波变换，恕所有的当翦顿积参考帧 均嶷换到小波域，然后在小波域进行运动估计补偿。图3 8 给出了蕊于运动补偿技术 小波域视频绽玛麴滚程框躅。其中 a ) 为先运动於偿嚣小波变换， ( b ) 为先小波 交换后运动补偿。第三种方法是将视频序列看作是空间和时间方向上的三绒信号，然 质避雩亍三维小波变换，然后根据三缘小波系数的结构进雩亍编码。本文采用基于三维小波 交换的编码方法实现小波域的视频编码。 - 2 3 基于小波域的视频编码抗误码方法研究 鹤耀赣堪 ( b ) 瞄3 8 典型的撼于小波变换的视频编码框图 f i 9 3 8 t h e f i a m e w o r k o f t y p i c a l ：d d e o c o d i w g b a s e d o n w a v e l e t t r a n s f o r m i n g 3 3 。1 基予三维小渡变换的视频绽码 在传统的帧间编码模式中，帧间冗余是通过运动估计和补偿技术来消除的。基于三 维枣城交携魏规凝缠鹦f 3 6 壤破了运动 偿接术对系数遂姣处理粒方法，将量化、绽羁 的着暇点由面转向体。而基于曼维小波嶷换的视频编码充分考虑了视频图像序列在时间 李辔上熬特点，不器要徽逡动李 偿，攫囊然地将二维空闻敬一维封闺方宾结合起来，飙颧 内和巾贲问两方丽同时提供了与入琵视觉特性相隧配的多分辨率分解，在保证图像质量的 藏提下，得到了较毫匏遥缩毙。銎3 9 显示了纂予三维，l 、波交涣视频编码豹编瓣羁过 程。首先对原始图像序歹0 进行三维小波变换，然后币用_ 童维小波系数的特性，对三维小 渡系数遴暂重辫缀织分配，寒达到褪频蹑终载嚣熬。熬避过程为镳强过程魏逆过程。实 现基于三维小波变换的视频编码首先要进行三维小波变换。 ，2 4 。 大连理工大学硕士学位论文 臣堕夏堕习一懂雯逐弘倭至基垂圈i ：二= ： i 匿函垤鋈一餐羹图芋 ，错遵。 图3 9 三维小波编解码框图 f i g 3 9a f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mf o r3 d _ w a v e l e tc o d i n g 3 3 2 三维小波变换 三维小波变换是二维小波变换的扩展。小波函数采用三维可分离小波，三维小波变 换是对一组视频图像进行多级离散三维小波变换，如图3 1 0 所示，在时间轴方向上进 行一维小波变换，在空间域进行水平和垂直方向上作二维小波变换。仿真实验证明，小 波变换时对三个方向上变换的先后顺序霸獭意教无影响。 - - 维, j 、波变换拥有二维小波交髑所有莹竞黼j 同时具有自己的特点。在三维小波变 换中，输入视频的能量高度集中，绝大多数集中在最低频子带中，高频子带内仅有少量 的系数非零，并且聚集在为数很少的几个特征区域。在时间和空间上，小波系数幅值都 存在衰减特性，也就是说，从低频到高频小波系数方差呈衰减分布。同时子带系数之间 存在相似性，即分布在同一方位的相邻子带间的小波系数呈现相似性。 _ 一一一一 l l ll l hl h h 图3 1 0 一组图像序列三维小波分解 f i g 3 1 03 d w a v e l e t d e c o m p o s i t i o n o f a g r o u p o f p i c t u r e s 2 5 基于小波域的视频编码抗误硝方法研究 在实际废用中，三维小波变换通常将若予个( 8 或1 6 ) 帧作为一个编码单元，否则 会造成时延和存储空间开销过大，本文采用1 6 帧作为一个编码单元。首先在时闻轴+ t 进行三级小波变换，如把同空间位蹩不同时间的1 6 个像素值作为一组，进行三级一 维小波交换。然后荐敷同一时间的空间像素落进行二维小波交换。由于时闯轴方向的数 据较短，为了减少边界效应，时间方向小波变换选用h a a r 滤波器组，空间小激变换选 用圈像压缩编码所常髑的双藏交b 9 7 滤波器缀，透器采用对称周期惩拓由予b 9 7 滤 波器组的正向和反向提升变换过程都舆有严格的对称络构，因此对称周期延拓w 以实现 信号酌完全纛构。圈3 1 1 给蹬了对d i s k u s 褫频序剜滋行3 雏，j 、波交换，时间方商，j 、波 变换选用不同的滤波器组得到的重建视频图像，其中( a ) 为使用b 9 7 滤波器缎， ( b ) 使焉h a a r 滤波器组。 图3 1 1 利用不同小波得到的黧建图像 f i g 3 1 1r e c o n s t r u c t i m a g e w i t hd i 稍期斌w a v e l e t 3 3 3 兰维s p i h t 编码 其体的麓于三维小波交换前编码方法有多种，如三维零树编码、三维s p i h t 编码 等，曲于三缎s p i h t 编码在性能上优于三维零树编码，所以采用三维s p i h t 编码方 法。三维s p i h t 编码的输出码流属予嵌入式鹤流，适用于渐进图像传输的同时，对获 取的粥流能最大限度地重构最优的图像， 面不因为秘流的截断无法熏构图像，拥有蔫 较强的抗误弼能力。并且在发生误码附可以把误码隐藏于整组视频图像帧中，得到较好 的主观质量。 2 6 大连理7 - x 学硕士学位论文 ( 靠) 鍪3 。1 2 三维孛波系鼗静辩应关系 f i g ，3 1 2t h e r e l a t i o no f 3 d _ w a v e l e tc o e f f i c i e n t 为了更有效的脎缩视频图像，要根据小波变换的系数构成，来熏新组织分配小波系 数。三维小波系数熬对应关系妇爱3 1 2 爨暴，其审 a ) 袭苯瑟骞小渡系数熬辩纛关 系，( b ) 浅示空间低频小波系数l ! | 勺对应关系，( c ) 表示时间低频小波系数的对应关 系。这里鹣三维奎波系数愚在先进嚣瓣藏麓上魏一缭枣渡交羧，霉褒窆耀土每一犊避行 二维小波变换，这时三维小波系数与= 维小波系数略有区别，虽然仍然是一个父结点时 应，妗子节点，餐劳不是严接豹立方体上匏，蛉节基。为了充分裂蟋小渡交挟嚣豹秘澎 结构，不同的子带采用不同的对应关系。除了时间空间同时位于最低频予带内的节点 铃。窒趣数最诋频予繁孛载令父节焦鼹应4 纽子沓，郝爱予嚣一级弱酵翅频豢串，瞧 分别位于不同的四个空间低频子带内，每一组含有两个子节点，如图3 1 2 ( b ) 所示。 露嘲硬镑最低频子掺孛匏一个父节点嚣量瘟2 缀予带，其孛一缀与二缎懿对应荧系攘曩， 另组为对应空间位置的高级时娥频带上，每一组含有4 个子节点，如图3 1 2 ( c ) 2 7 基于小波域的视频编码抗误码方法研究 所示。其余予繁中的一个父节点对应搿一级空闼域、时间域的组子节点，每缒含有8 个子节点。这样的划分扫描使其结构避加紧凑，编码效率更漪。表3 2 给出了两种方 法的性能比较，由于充分考了不同予蜡不同对应关系，可以用较少的接输数据得到相捌 的黧建图像质量。 表3 2 两种方法的性能t e 较 t a b l e 3 ，2c o m p a r i s o no f p e r f o r m a n c eb e t w e e nt w om e t h o d s c l a i r e 图像净翔d i s c u s 图像序捌 三维s p i r t 编码 输出码长 毯缨毖 输出码长 鬟缝比 ( b y t e s ) ( b y t e s ) 立方体对应关系2 2 ，0 7 6 1 8 4 3 9 ，7 7 4 l o 2 不漪子帝不阏对应关系2 1 ，2 3 1 1 9 1 3 8 ，0 0 6 l o 7 下面对黧域运动孛 偿投零耪三维s p i 淤方法静饶劣送行蔽皖较。遂墼采焉1 7 6 1 4 4 的q c i f 图像序列，具体为c l a i r e 图像序列。空域逡动补偿技术采用i b b p b b p b b i 形 式，蠲每1 3 鞍为一筑。三雏s p i h t 编褥每1 6 桢为一缝。在0 。4 b p p 静情况下。魄较奎 域运动补偿技术和三维s p i h t 方法的p s n r 如下图3 1 3 所示。 图3 1 3 院较两种方法p s n r 静曲线圈 f 蜒 3 。1 3c o m p a r i s o no f p s n rb e t w e e nt w om e t h o d s 一2 8 从上面的数据可以看出在编码效率相同的情况下，三缭s p i r t 编码的信噪比要黼很 多。下面疆看看其主双图像恢复质爨。 鞫3 。1 4 嚣释方法静圭禚蒺量魄较 f i 酗1 4 c o m p a r i s o n o f s u b j e c t i v e q u a l i t y b e t w e e n t w o m e t h o d s 图3 1 4 显示了空域运动补偿技术和三绒s p i h t 编码技术j 恢复的图像质篷比较。其 中( 鑫) 麓嚣鲶圈缳彦捌，) 笼采弱窆域运动$ 偿技术疰缩螽懿滚复黧像彦裂，( c ) 鸯鬟雳 三维s p i h t 编码技术压缩后的恢复图像序列。从网中可以看出，使用传统的空间域运 葫襞诗、d c t 交换绽弱骞较鞠显瓣方块效瘦，嚣采耀三维s p l t - i t 编薅鼓米霓羧7 空阉 域运动估计编码方法中存在的量化误差等缺陷，消除了块效应，并鼠由于对不同变换空 筏壤 阕频率子豢熬小渡系数进露筑纯魄黪分配，镢复强豫豢耋要德含久黻匏主聪特 性，主观质量有较大的提升。 一2 9 基于小波域的视频编码抗误码方法研究 与空域运动补偿技术相比，三维s p i h t 编码方法比空间运动补偿技术的编码效率 高，并且在较高压缩比下，三维s p i h t 编码方法所恢复的图像仍具有很好的效果。同 时对于三维s p i h t 编码方法，在对视频的编码过程中不需要进行运动估计和运动补 偿，而是通过三维小波变换来消除帧间冗余，这样大大降低了算法复杂度。另外由于基 于三维小波变换的编