基于運動(dòng)補償和幀內編碼實(shí)現視頻圖像的無(wú)損壓縮

圖1 小波變換壓縮編碼

圖2 視頻圖像的編碼框圖

圖3 運動(dòng)補償和運動(dòng)估計

目前用于圖像壓縮和復原的方法很多，考慮各種實(shí)際因素，本系統采用雙正交小波變換來(lái)實(shí)現視頻圖像的壓縮與復原。與傳統的純頻域分析方法不同，小波變換是基于時(shí)~頻域的信號處理方法，可以同時(shí)在時(shí)域和頻域保持良好的局部化特性。對于不同的頻率成分，小波變換在時(shí)域上的取樣步長(cháng)可以是自適應的，高頻段小，低頻段大。因此，我們可以根據需要將圖像分解到恰當的尺度上再作相應的編碼處理。由于圖象的小波變換一般是針對整幅圖象進(jìn)行的，因此由量化誤差引起的圖像質(zhì)量問(wèn)題是全局性的，這樣可以有效地消除方塊效應，以及由此帶來(lái)的對后繼圖象的編碼影響，而且基本上消除了蚊式噪聲。在高壓縮率情況下，采用小波變換壓縮的圖象恢復后不會(huì )給人造成視覺(jué)上的障礙。但是需要注意的是，在對視頻圖像的編碼中，運動(dòng)估計后編碼圖像中不可避免地會(huì )存在一些“宏塊”，這些宏塊需要進(jìn)行“幀內編碼”，若僅對其使用小波變換將影響整體壓縮效率。為此，可采用離散余弦變換(DCT)和小波變換(WT)相結合的編碼方案。

小波變換及圖像壓縮的理論基礎
假設給定信號f(t)，則其連續小波變換可設定為：
，
其中小波函數，由窗函數按時(shí)間平移參數(平移因子)ｂ和尺度伸縮參數(伸縮因子)ａ進(jìn)行平移和伸縮而得到。顯然，如果ａ> 1，則相當于將窗函數拉伸，使窗口的時(shí)寬增大；反之，當ａ<1，則將窗函數壓縮，使窗口的時(shí)寬縮小。因此，隨著(zhù)參數ａ和ｂ的變化，可得到信號的不同局域、不同時(shí)~頻特性的表示。由于a、b是連續的，因此小波存在很大的冗余性，在實(shí)際應用中通常對a、b進(jìn)行離散化，如，從而得到小波的級數表示形式：。
由于計算機處理的是離散信號，根據多分辨率分析，得到離散小波變換(DWT)：

其中h(l)是g(l)是對應的低、高通濾波器，由它們唯一地確定小波函數?？紤]到邊界擴展及線(xiàn)性相位等原因，本文采用雙正交小波濾波器組。
由于圖像信號是二維信號，因此需要先在行、列上分別對其進(jìn)行一維小波變換。經(jīng)過(guò)一維變換后，圖像分解成一個(gè)低頻子帶(LL)和三個(gè)高頻子帶。再對低頻子帶按相同的方法進(jìn)一步進(jìn)行小波變換，得到圖像的高階小波變換。如圖1(a)所示為三階變換的結果。圖像經(jīng)過(guò)變換后，對各個(gè)子帶的變換系數采取合適的量化編碼，再經(jīng)過(guò)熵編碼，最終得到壓縮后的比特流。其工作流程如圖1(b)所示。
客觀(guān)地說(shuō)，小波變換本身并不具備圖像壓縮功能，它只能使圖像的數據重新分布，使其具有某些統計特性，從而有利于數據的重組和建模。圖像的小波變換主要有時(shí)~頻局部化、能量聚集性、重要系數的聚集性、子帶之間的相似性、子帶之間小波系數的幅度衰減性等一些統計特性。小波變換壓縮編碼的本質(zhì)就是利用小波濾波器對圖像數據進(jìn)行子帶分析，消除圖像時(shí)域空間的冗余。小波分解后的圖像能量主要集中在相對較低的子帶中，可以結合人眼的視覺(jué)特性，在保證圖像“視覺(jué)質(zhì)量”的前提下，實(shí)現較高的壓縮比。

視頻圖像的小波壓縮編碼
視頻圖像的壓縮編碼實(shí)際上是在靜態(tài)圖象編碼的基礎上，增加幀間圖像的內插和運動(dòng)補償技術(shù)，由此來(lái)消除圖象之間的時(shí)間相關(guān)性，從而實(shí)現高倍率的壓縮目的。再對已消除時(shí)間相關(guān)性之后的每幀圖像進(jìn)行靜態(tài)圖像的壓縮編碼。如圖2所示。
首先將要編碼的圖像分成16*16的宏塊，對于每一個(gè)宏塊，依照某指定的準則，在其參考圖像中搜索與其最匹配(最相近)的塊。如果搜索到的塊滿(mǎn)足條件，則作為當前編碼宏塊的運動(dòng)補償塊。將它們相減，得到的結果稱(chēng)為幀間編碼塊，并將其放在殘差圖像的相應位置。如最終沒(méi)有找到相近的塊，則認為當前塊屬于幀內編碼塊，將其直接放置在殘差圖象的相應位置。如圖3所示。
然后對殘差圖像進(jìn)行小波變換及壓縮編碼。顯然，解碼時(shí)，將解碼的殘差圖像加上其對應的運動(dòng)補償圖像，即可得到復原的圖象。
由于運動(dòng)圖像的內容是變化的，因此在殘差圖像中不可避免地存在著(zhù)一些需要幀內編碼的宏塊。這些宏塊相對于其相鄰的幀間編碼宏塊，明顯存在著(zhù)像素值大小上的差異。這種差異反映在二者的交界處圖像信號的突變，即相當于一個(gè)高頻信號。這樣一來(lái)，在對殘差圖像進(jìn)行小波變換時(shí)，這些幀內編碼的宏塊不僅會(huì )由于其內部細節而在變換后的各個(gè)高頻子帶中產(chǎn)生高頻系數，而且其邊界處的突變會(huì )在高頻子帶中產(chǎn)生更多的高頻系數。這些都不利于正常的圖像壓縮。對于小尺寸圖像塊宜用DCT方法進(jìn)行編碼。因此，我們先對殘差圖像中的幀內編碼宏塊用DCT方法進(jìn)行變換、量化、編碼，其結果作為總數據的一部分輸出到比特流中。對編碼后的圖像塊進(jìn)行恢復得到其重構塊，再用原快減去重構塊得到殘差塊，即幀間編碼塊。由殘差塊代替殘差圖像中相應的幀內編碼塊。如此一來(lái)，殘差圖像就全部由幀間編碼塊組成了，從而在整體上趨近于零。
視頻圖像不僅在其每一幀內存在空間相關(guān)性，而且在幀間即時(shí)間方向也存在著(zhù)很強的相關(guān)性，通過(guò)有效的方法消除這些冗余信息可以大大地提高視頻的壓縮比。

結語(yǔ)
小波變換采用塔型分解的數據結構，與人眼由粗到精由全貌到細節的觀(guān)察思維過(guò)程相似，可以分級累進(jìn)傳輸，實(shí)現漸進(jìn)顯示。同時(shí)，由于小波變換壓縮編碼的量化失真隨機分布于整幅圖像，人眼難以觀(guān)察到，因而圖像重構效果較好。本文提出的方案已用于實(shí)際系統，取得了良好的效果?！?/P>

參考文獻
1．圖象分割. 章毓晉.科學(xué)出版社.2001.2
2．VC++高級編程技術(shù).陳建春.電子工業(yè)出版設.1999.9
3．[美]Stefan著(zhù). 陳葆玉 嚴偉譯.《面向對象的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議》.機械工業(yè)出版社 2000.6
4.崔錦泰 .小波分析導論〔M〕.西安交通大學(xué)出版社 . 1995. 1
5.J. Antoine, et al. , Image analysis with two-dimensional continuous wavelet transform〔J〕. Signal Processing,1993.31
6.周培德 .計算幾何 -算法分析與設計〔M〕.北京 :清華大學(xué)出版社.2000.3

作者簡(jiǎn)介：于永彥，淮陰工學(xué)院計算機工程系教師，從事軟件工程、計算機通信方面的研究。