小波視頻編碼中運動補償技術(shù)研究進展

1、第27卷第9期2006年9月小型微型計算機系統(tǒng)MINI-MICROSYSTEMSVol127No.9Sep.2006小波視頻編碼中運動補償技術(shù)研究進展房勝1,梁永全1,鐘玉琢21(2(山東科技大學計算機科學與技術(shù)系,山東青島266510)清華大學計算機科學與技術(shù)系,北京100084)E2mail:fangsheng摘要:近年來小波視頻編碼技術(shù)在快速發(fā)展,作為視頻編碼核心步驟的運動補償技術(shù)更是受到了高度重視.許多用于提高編碼效率和提供新功能的觀點和方法被提出.在介紹小波視頻編碼技術(shù)特點和基本方法的基礎(chǔ)上,著重介紹了運動補償技術(shù)在時域和小波域?qū)崿F(xiàn)的最新進展,并對發(fā)展趨勢進行了展望.關(guān)鍵詞:運動補償

2、;小波視頻編解碼;MCTF;可擴展性中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:100021220(2006)0921737204AdvancesinMotionCompensationforWavelet-BasedVideoCodec112FANGSheng,LIANGYong2quan,ZHONGYu2zhuo1(2(DepartmentofComputerScienceandTechnology,ShandongUniversityofand,QdChina)DepartmentofComputerScience&Technology,TsinghuaUniversity,B

3、ing)Abstract:Inlastdecades,thewavelet2basedvideocodec.Asakeyroleofvideocodecthemotioncom2.ewnewpracticaldesignsforhighefficiencyandpowerfulpensationhasbeenreceivingmoreandmofunctionswerepromptedoutoneononofthecharacteristicsandfundamentalmethodofwavelet2basedvideocodec,ththeofmotioncompensationimple

4、mentationintemporalandwaveletdomain,fi2nallythefutureentout.Keywords:motionon;wavelet2basedvideocodec;MCTF;scalabilities1引言(PervasiveComputing)概念的提近年來隨著“普適計算”出,“無所不在的計算”已經(jīng)成為計算機發(fā)展的大趨勢.不遠的將來運動序列圖像將主要是通過網(wǎng)絡(luò)進行分發(fā),無論是無線的還是有線的,而這些信道的帶寬總是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況而變化.視頻信號還會被不同的設(shè)備存儲,也會被不同性能的設(shè)備處理和播放,如DVD,PC,投影機,甚至是手機.在未來各種編碼標準的努

5、力方向不再僅僅是致力于提高編碼的效率,還要求提供額外的功能,這主要包括內(nèi)容的多層描述、解碼時對壓縮信息的各種有效操作等.例如靜態(tài)圖像壓縮標準隨JPEG20001支持漸進傳輸、ROI(RegionOfInteresting)、機存取等特性,這些特性在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景,如遠程醫(yī)療,數(shù)碼相機等.這些要求同樣反映到了對視頻編碼技術(shù)的要求中2,3.視頻編碼系統(tǒng)中的可擴展性(scalability)包括空域可擴展性(分辨率擴展),時域可擴展性(幀率擴展),質(zhì)量可擴展性和復雜度可擴展性等2.所謂可擴展性是指對于一次編碼后的碼流可以進行多種情況下的解碼,解碼獲得的重構(gòu)視頻質(zhì)量與解碼端能力相關(guān)

6、.在視頻編碼中,傳統(tǒng)的標準如MPEG和H.26x等,一直采用的是運動補償預測和基于DCT塊變換相結(jié)合的方式,由于預測環(huán)路循環(huán)結(jié)構(gòu)的存在,對于可擴展性的要求顯然不能得到滿足.在視頻壓縮領(lǐng)域可擴展性的要求仍然是一個開放的亟需研究的領(lǐng)域.隨著最近幾年小波技術(shù)在運動補償實現(xiàn)上的突破,基于小波的視頻編解碼技術(shù)成為一種現(xiàn)實的可實現(xiàn)的可擴展性編碼機制,并成為新的MPEG標準候選方案3.同傳統(tǒng)的視頻編解碼標準相比,小波視頻編解碼技術(shù)有眾多優(yōu)勢:解碼時在不同的碼率和分辨率上進行,由于不存在類似現(xiàn)有標準的預測環(huán)路結(jié)構(gòu),所以不會出現(xiàn)錯誤漂移;可以靈活的進行長程或者短程時域冗余去除;可以根據(jù)情況選擇時域和空域分解級,

7、濾波器實現(xiàn)方法等.因此小波視頻編解碼技術(shù)可以滿足空域,時域以及質(zhì)量擴展的要求.運動補償技術(shù)一直是視頻編碼中的核心環(huán)節(jié),對于提高編碼質(zhì)量起著決定性作用.對于傳統(tǒng)的視頻編碼標準,小波視頻編碼技術(shù)能否取而代之的一個主要因素就是編碼質(zhì)量不能低于傳統(tǒng)視頻編碼標準.同時由于運動補償對于碼流的可擴展性有著重要的影響,因此運動補償如何集成到現(xiàn)有的小波系統(tǒng)中是小波視頻編碼技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵.2小波視頻編碼運動補償基礎(chǔ)收稿日期:2005206214基金項目:國家自然科學資金項目(70371052)資助;青島市自然科學基金項目(05212JC288)資助.作者簡介:房勝,男,1938年生,副教授,研究方向為視頻編解

8、碼技術(shù),信息家電等;梁永全,男,1967年生,博士,教授,博士生導師,研究方向為多媒體數(shù)據(jù)庫,圖像理解等;鐘玉琢,男,1938年生,教授,博士生導師,研究方向為視頻編碼技術(shù),視頻點播,信息家電等.1738小型微型計算機系統(tǒng)2006年小波視頻編碼技術(shù)以小波圖像壓縮方法為基礎(chǔ),著名的縮算法的發(fā)展可參考文獻4,本文不再詳述.基于小波的視頻運動補償壓縮算法可以分為三大類.第一類是由傳統(tǒng)編碼標準發(fā)展而來的,這種方法仍然采用傳統(tǒng)的循環(huán)預測機制,對于預測殘差幀使用DWT而不是DCT變換進行處理,變換的系數(shù)采用SPIHT等技術(shù)進行編碼,這種方法雖然可以提供一定程度的質(zhì)量可擴展特性,但是具有較大的局限性.如果殘

9、差信號完全由運動補償?shù)沫h(huán)路所處理,那么在不同的碼率下進行解碼必然會產(chǎn)生誤差漂移,而如果殘差信號不是完全由運動補償?shù)沫h(huán)路處理,例如只把其應(yīng)用到一個基礎(chǔ)層,那么編碼效率又必然會下降.另外空間分辨率也受到這種結(jié)構(gòu)的負面影響.根據(jù)文獻5分析,這種運動補償方法的效率低于基于DCT塊結(jié)構(gòu)方式.第二類則是首先沿時域方向進行運動補償和小波分解,然后對各幀進行空域2D小波變換,稱為t+2D結(jié)構(gòu),第三類則是先在各幀的空域進行2D小波變換,然后再沿時域方向進行運動補償和時域小波分解,稱為2D+t結(jié)構(gòu).第二,三類方法是現(xiàn)在國際上研究的主流,本文將在第三章對這兩種類型的運動補償技術(shù)發(fā)展進行詳細的介紹.不管是t+2D結(jié)構(gòu)

10、還是2D+t結(jié)構(gòu),從本質(zhì)上看是波視頻編碼6,7工作,Fes,幀組)3維變換,3D視頻編碼中,其中典型的如3SPT方法8,該方法利用3D小波系數(shù)樹的對應(yīng)關(guān)系使用位平面量化機制獲得質(zhì)量完全可擴展的碼流,但是此方法也造成了在編碼過程中小波系數(shù)空間結(jié)構(gòu)的徹底破壞.另外一種有效的3D編碼方法是3DESCOT(Em2beddedSubbandCodingwithOptimizedTruncation)9,每個子帶的系數(shù)使用一個獨立的位平面編碼,使用上下文自適應(yīng)算術(shù)編碼和全局率失真優(yōu)化函數(shù)提高編碼效率,相對于3DSPIHT方法其編碼效率更高,并且除了完全質(zhì)量可擴展特性小波圖像編碼方法有EZW,SPIHT等算

11、法,關(guān)于小波圖像壓基于MCTF的t+2D結(jié)構(gòu)較早是由文獻12提出的.對于運動圖像來說,如果圖像中包含的運動軌跡不存在任何沖突,綜合濾波器就可以實現(xiàn)完全重構(gòu).但事實上圖像中的運動是多種多樣的,有些物體在畫面中會消失或者出現(xiàn),有些物體則會相互遮擋,這樣就導致了在相鄰幀中會出現(xiàn)未連接(un2connected)和多連接(multipleconnected)像素,即在運動估計過程中當前幀可能有多個像素對應(yīng)著參考幀的同一像素,或前一幀的某像素與當前幀的任一像素都不對應(yīng),這種運動的沖突如果不進行處理,就會增大殘差幀信號,降低編碼的效率.文獻12對這些情況進行了分析,把像素分為正常,未連接和多連接三種情況,

12、在低頻幀和高頻幀的分析、綜合公式中分別進行相應(yīng)處理.但是該方法只適用于全像素精度運動補償,在半像素以上精度的運動補償中不能實現(xiàn)完全重構(gòu).隨著lifting小波13,開始出現(xiàn)一些精心設(shè)計的濾波器,作.Lifting(on)和更新(Up2,lifting濾波器把對,而且不管分解級別是多少,從初,即從本質(zhì)上講基于lifting操作的MCTF是非循環(huán)的,這就從根本上解決了誤差漂移問題.在基于lifting的MCTF中,如果運動補償是采用基于塊的方式,原始圖像坐標和預測產(chǎn)生的高頻幀坐標之間保持一致,這種一致性使低頻幀和原始圖像之間的坐標在經(jīng)歷了更新步驟后仍能保持一致,因此無論是未連接還是多連接像素都可以

13、得到近似的完全重構(gòu).根據(jù)此原理文獻1415將其應(yīng)用到了視頻編碼中.基于Lifting的MCTF中,運動補償可以很容易的從單向預測(前向,或者后向)擴展到雙向預測,有利于提高編碼的效率15.在MCTF的實現(xiàn)過程中,一個重要的問題就是運動估計和運動補償是在何種單位上進行的.傳統(tǒng)的編碼標準往往采用基于16x16塊的方式進行,在新的H.264標準中,運動補償?shù)膲K尺寸大小是可變的.不同于傳統(tǒng)的基于DCT的編碼標準,小波視頻編解碼在運動補償后的處理采用小波變換,由于小波變換是面向圖像的整域,因此與基于塊的運動補償方式是不匹配的.為了降低這種不匹配的影響,一些傳統(tǒng)的視頻編碼標準中的運動補償技術(shù)被應(yīng)用到了3D

14、小波視頻運動補償中,包括運動補償塊尺寸大小可變16,重疊運動補償技術(shù)OBMC17(OverlappedBlockMotionCompensation)等.另外由于圖像中的運動不僅僅是簡單的剛體運動,如平移等,基于塊的運動估計對于擴張,收縮,旋轉(zhuǎn)等復雜運動誤差較大,在文獻18中提出了使用可變形四邊形網(wǎng)格進行運動補償,針對復雜運動提高運動補償效率并實現(xiàn)完全重構(gòu).對于t+2D結(jié)構(gòu)的小波視頻編解碼系統(tǒng)來說,3D小波變換后的系數(shù)量化及編碼等步驟所采用的方法與傳統(tǒng)的3D小波編碼方法基本一致.文獻1618中的實驗結(jié)果表明,采用MCTF的t+2D小波視頻編碼技術(shù)獲得的編碼質(zhì)量,與所有優(yōu)化選項全部開啟編碼層數(shù)為

15、1的H.264編碼器獲得的結(jié)果外,還提供分辨率和幀率可擴展特性.以上兩種典型的3D小波編碼方法都未使用運動補償技術(shù).對于運動補償?shù)氖褂?習慣上總是將其與預測機制耦合起來,但是事實上這種限制是沒有必要的,運動補償完全可以看作是在時域方向把濾波器操作與圖像中運動軌跡進行對齊的一種方法10,11.即在運動補償是基于預測時,濾波器就是執(zhí)行分析和綜合功能,而如果運動補償與變換或小波編碼技術(shù)結(jié)合起來,變換中的基函數(shù)下標要根據(jù)運動補償?shù)囊筮M行對齊操作,這種技術(shù)被稱為MCTF(Motion2CompensatedTemporalFiltering).如果把MCTF與2D小波空間變換結(jié)合起來就得到了集成運動補

16、償技術(shù)的3D小波變換.根據(jù)MCTF與2D小波變換的順序,3D小波運動補償機制可以分為t+2D和2D+t兩種類型.3小波視頻編碼運動補償實現(xiàn)進展3.1時域運動補償(t+2D結(jié)構(gòu))實現(xiàn)進展9期房勝等:小波視頻編碼中運動補償技術(shù)研究進展1739非常接近,并且基于小波t+2DMCTF方法還可以提供碼流的可擴展特性.3.2小波域運動補償(2D+t結(jié)構(gòu))的研究進展雖然基于t+2DMCTF的小波視頻編碼機制取得了較好的編碼效果,但是這種結(jié)構(gòu)仍然存在一些問題.首先如果運動補償是在高空域分辨率下進行,而解碼是在低空域分辨率下,就會造成所謂的"子采樣相位漂移"(subsamplingphase

17、drift).另外,這種結(jié)構(gòu)也限制了運動補償?shù)男?例如在運動邊界的不連續(xù)會形成小波子帶中的高頻分量;無論何種空間分辨率,運動估計的精度,塊尺寸等都是固定的,這就造成了解碼時得到的低分辨率視頻質(zhì)量必然不會是最優(yōu)的.最后,運動矢量的編碼在碼流中的比例是較高的,在t+2D結(jié)構(gòu)中不論解碼的分辨率是多少,所有的運動矢量都必須編碼傳輸,造成了碼率的浪費.這些問題可以通過2D+t的結(jié)構(gòu)解決.2D+t的結(jié)構(gòu)中首先對圖像序列的各幀先進行空域2D小波變換,然后使用MCTF技術(shù)進行時域方向的小波變換,這時運動補償是在各級小波子帶之間完成的.小波的天然多分辨率特點為上述問題提供了解決途徑.文獻19最早提出了基于小波

18、域的多分辨率運動估計算法,但是由于DWT的平移變化特性(shift2variantp)無法在小波域內(nèi)精確界定相鄰幀間的運動,匹配誤差,難,文獻20T(Redun2dantDiscreteW,complete2to2over2completeDWT)LBS(Low2Band2Shift)方法,并以匹配誤差最小的相位子帶組成小波塊(WaveletBlock)進行預測,大幅提高了小波域運動補償?shù)男?LBS方法為小波域運動補償?shù)陌l(fā)展找到了一個新途徑,但是以上方法仍然采用基于循環(huán)結(jié)構(gòu)的編碼機制.文獻21在文獻20的基礎(chǔ)上提出了帶內(nèi)預測(In2BandPrediction)方法,同文獻20中運動補償方法

19、的差別在于以各子帶中的塊為匹配單位,按子帶順序進行運動補償,同時后續(xù)過程采用MCTF機制,運動補償中塊的大小根據(jù)各級子帶的分辨率自適應(yīng)進行改變.文獻22則把lifting小波應(yīng)用到這種機制中.在2D+tMCTF的結(jié)構(gòu)中,運動估計的精度是自適應(yīng)的,各個子帶采用的運動估計塊尺寸不同,對最低級的分辨率使用最粗糙的運動估計,反之則提高運動估計的精度21.對不同的分辨率還可以使用不同的時域濾波方式,如對于基帶可以使用雙向預測增加預測精度,而對于高頻子帶則可以使用前向預測方式.如果使用Lifting小波進行MCTF工作,還可以針對不同的子帶設(shè)計不同的預測和更新操作從而優(yōu)化編碼效率,并降低系統(tǒng)的復雜度22.

20、此種技術(shù)還可以使用不同的GOP結(jié)構(gòu)增加系統(tǒng)的靈活性,例如對基帶進行處理時,GOF結(jié)構(gòu)的數(shù)目較多;而對高頻子帶GOF的數(shù)目則較少21.LBS是RDWT的一種實現(xiàn)方式,RDWT還可以通過多孔算法實現(xiàn).多孔算法的特點是去掉了DWT分解過程中的向下采樣過程,生成的子帶與原始信號的分辨率是相同的.基于這種RDWT的方式,文獻23提出了在RDWT小波域使用可變形四邊形網(wǎng)格運動補償?shù)姆椒?由于RDWT保持了平移不變特性,并且子帶的空間分辨率與原圖像是相同的,因此運動補償效率較高,而且可以把傳統(tǒng)視頻編碼中的一些技術(shù)應(yīng)用到RDWT小波域,如OBMC方法24.文獻25提出,基于孔徑問題原理使用冗余離散變換小波水平

21、和垂直子帶構(gòu)造三角形網(wǎng)格節(jié)點選取判據(jù),使用不規(guī)則三角形網(wǎng)格進行運動補償,實驗結(jié)果表明獲得的運動補償效率優(yōu)于規(guī)則三角形網(wǎng)格方法.本文作者還提出了在參考幀和當前幀的RDWT域進行運動補償,使用提出的一種RDWT小波塊結(jié)構(gòu),利用RDWT域的全相位子帶信息提高運動補償效率26.對于任何編碼標準來說前向兼容是必要的,文獻27開始考慮2D+t結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)編碼標準的兼容性問題,提出使用與傳統(tǒng)標準兼容的方法構(gòu)造一個基礎(chǔ)層,對于高頻子帶則采用2D+tMCTF結(jié)構(gòu)進行編碼,相當于增強層,這與目前MPEG24中FGS的實現(xiàn)形式是一致的.3.3與3D在3D究,運動矢量的編碼等.文獻arr53,發(fā)現(xiàn)基于5 3小波的F.通

22、過一個理想信號模型和運動估計偏,與KLT變換比較后得到了一個性能下限,并且估計基于MCTF的機制要比傳統(tǒng)的循環(huán)預測機制編碼性能高出0.5比特每樣本.在文獻29中通過去掉Lifting小波中的更新步驟得到了更高效和更靈活的時域濾波方法.文獻30提出了一種基于上下文的可擴展運動矢量編碼方法,把最低級的運動矢量作為一個基礎(chǔ),在后續(xù)的層中對其不斷進行細化,這樣相當于創(chuàng)建了一個可擴展的運動矢量比特流結(jié)構(gòu)層.文獻31提出了一種新的面向MCTF的失真率控制結(jié)構(gòu),解碼幀的失真表示為時域分解級相應(yīng)參考幀的函數(shù),這種控制機制提供了如何在總平均失真率和當前解碼的GOF失真率之間進行折衷的方法.4結(jié)論基于小波的視頻編

23、解碼技術(shù)最近取得了快速發(fā)展,特別是運動補償技術(shù)的突破使3D小波編碼在獲得較高編碼效率的同時,提供了眾多的實用功能,如空域,時域和質(zhì)量的可擴展特性.現(xiàn)在的小波視頻編碼技術(shù)的研究基本上是圍繞著MCTF的概念展開的.根據(jù)MCTF和空域2D小波變換的順序,3D小波視頻編碼可以分為t+2D和2D+t兩種結(jié)構(gòu).t+2D結(jié)構(gòu)研究的時間早于2D+t結(jié)構(gòu),在實驗系統(tǒng)中取得了較好的效果.最近兩三年2D+t的研究引起了國際上廣泛的注意,并取得了眾多的實驗成果.然而與傳統(tǒng)的視頻編碼標準相比較,小波視頻編碼技術(shù)的發(fā)展時間較短,仍然存在較多需要進一步研究的問題,如幀間編碼和幀內(nèi)編碼的轉(zhuǎn)換在傳統(tǒng)編碼中已經(jīng)是成熟的技術(shù),如何

24、應(yīng)用到小波編碼方法中仍待研究;與傳統(tǒng)標準的兼容更是一個嚴峻的問題;另外基于RDWT小波的MCTF方法,雖然現(xiàn)在由于計算能力的限制實用性不高,但是在編碼效率上表現(xiàn)更優(yōu),值得關(guān)注.隨著文獻3對高度可擴展編碼方案的征召,小波編碼技術(shù)可能會成為1740小型微型計算機系統(tǒng)2006年MPEG221的一部分,對此我們應(yīng)該給予更多的關(guān)注.References:1ISO IECJTC1 SC29 WG1,FCD1544421,JPEG2000imagecodingsystemC.The7thMeetingofISO TECJTC1 SC29 WG1,Vancouver,July,1999.2ISO IECJTC

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