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一種基于小波變換的多描述視頻編碼方法

2012-06-29 01:37:10義,史
電視技術(shù) 2012年23期
關(guān)鍵詞:編碼方案標(biāo)量碼流

鄭 義,史 萍

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院,北京 100024)

責(zé)任編輯:哈宏疆

隨著通信和多媒體技術(shù)的發(fā)展,通過互聯(lián)網(wǎng)和無線信道傳輸高質(zhì)量的視頻成為一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的業(yè)務(wù),但是網(wǎng)絡(luò)和無線信道很不可靠,網(wǎng)絡(luò)擁塞、信道帶寬的波動、各種網(wǎng)絡(luò)的差異性以及路由選擇造成的延時等問題都會造成傳輸?shù)囊曨l信息丟失。20世紀(jì)70年代,貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了多描述編碼問題,90年代,多描述編碼應(yīng)用到圖像編碼中。

多描述編碼[1](Multiple Descriptions Videoing Coding,MDSQ)是一種錯誤恢復(fù)編碼方式,在編碼端產(chǎn)生多種形式描述的碼流(稱為描述),各描述之間存在一定量的互補(bǔ)冗余信息,并且具有同等的獨(dú)立性和重要性,即每一路描述均可獨(dú)立編碼和解碼。同時,在相互獨(dú)立的信道中傳送不同的描述,各個信道丟失相同部分圖像數(shù)據(jù)的概率很小。所以,源視頻的任意一個描述都可以解碼出質(zhì)量可接受的視頻,而多個描述聯(lián)合解碼可以重構(gòu)出高質(zhì)量的視頻。多描述編碼的方法主要有基于量化的方法(包括標(biāo)量和矢量量化)、基于變換的方法、基于運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測的方法、基于框架擴(kuò)展的方法等。

1993年,Vaishampayan首次提出利用帶有漸進(jìn)特性的多描述標(biāo)量量化器構(gòu)造實(shí)用的多描述編碼器[2]。他提出利用Lloyd迭代算法來設(shè)計標(biāo)量量化器,然后將量化后的高斯無記憶信源信號經(jīng)索引分配產(chǎn)生兩路描述。之后,Vaishampayan在原有基礎(chǔ)上提出受熵約束的MDSQ(ECMDSQ)[3],采用變長碼來代替定長碼,但ECMDSQ的編碼復(fù)雜度較高。之后,這種方法應(yīng)用到兩個以上的多描述情況[4],該算法中的MDSQ使用通用多描述標(biāo)量量化器(UMDSQ),能夠獲得中央失真和邊緣失真之間連續(xù)的折中點(diǎn)[5],以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)了與ECMDSQ相同的性能。Gavrilescu提出嵌入式的多描述標(biāo)量量化器[6],它使用多描述統(tǒng)一標(biāo)量量化器對索引值進(jìn)行量化,并對量化后的基本層的系數(shù)進(jìn)行分級,使用嵌入式標(biāo)量量化器對各級進(jìn)行標(biāo)量量化和索引分配,得到可分級的碼流。程國華提出將過完備小波變換與凸集投影(POCS)相結(jié)合[7],使用過完備小波變換得到基本信號與冗余信號,通過對它們使用不同的量化步長來控制編碼中的冗余度。根據(jù)基本信號與冗余信號之間的相關(guān)性,利用POCS算法來進(jìn)行解碼器端的圖像重建。張文琴引入冗余小波變換技術(shù)[8],在變換域中進(jìn)行運(yùn)動估計與補(bǔ)償,對多描述分解碼流采用嵌入式編碼方法。王寧提出將小波變換后的每個子帶信號看做一個描述[9],得到多描述子帶編碼系統(tǒng)。

本文結(jié)合多描述標(biāo)量量化思想,提出了一種基于小波變換的多描述視頻編碼方案,將小波變換后的系數(shù)使用多描述統(tǒng)一標(biāo)量量化(Multiple Description Uniform Scalar Quantization,MDUSQ)和嵌入式的索引分配策略,結(jié)合位比特平面編碼和算術(shù)編碼,產(chǎn)生可以漸進(jìn)傳輸?shù)拇a流,提高了在不穩(wěn)定信道中傳輸?shù)姆€(wěn)健性。

1 系統(tǒng)框架

本文在MJPEG2000的框架下,結(jié)合多描述標(biāo)量量化的思想,產(chǎn)生基于小波變換的多描述碼流[10]。編碼端框圖如圖1所示,解碼端框圖如圖2所示。

若編碼端輸入的視頻序列為無符號數(shù),由于小波變換處理的是有符號數(shù),則需首先進(jìn)行前向DC電位平移將無符號數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蟹枖?shù)。再經(jīng)過正向小波變換形成各種分辨力級的小波系數(shù),各子帶小波系數(shù)經(jīng)過量化和索引分配后產(chǎn)生相互間含有一定冗余的兩路描述,兩路描述再分別經(jīng)過最優(yōu)截斷嵌入式塊編碼[11](Embedded Block Coding with Optimized Truncation,EBCOT)和打包的過程形成最終的碼流。

解碼端是一個相反的過程,若解碼端收到兩路描述,則根據(jù)熵解碼后的兩路描述進(jìn)行中央索引合成,若其中一路描述完全丟失,則只能根據(jù)剩余一路描述的碼流進(jìn)行邊路的索引合成。索引合成后的系數(shù)經(jīng)過反量化、反DCT變換和電位平移得到最終的解碼視頻。

1.1 離散小波變換

二維圖像的離散小波變換的實(shí)質(zhì)是對原始圖像進(jìn)行高通和低通濾波,將原始圖像分為低頻平滑近似和高頻細(xì)節(jié)兩部分。對圖像的每一行和每一列都進(jìn)行濾波后產(chǎn)生4個子帶,分別是LL,HL,LH和HH,下一級的分解在LL子帶上進(jìn)行。重建時利用不同級分解后的子帶得到不同分辨力的圖像。

1.2 多描述標(biāo)量量化

多描述標(biāo)量量化包括量化和索引分配兩部分,系統(tǒng)中采用了帶死區(qū)的均勻量化方法。為了保證解碼端能夠恢復(fù)出可接受的圖像質(zhì)量,又能夠得到更大的壓縮比,關(guān)鍵是采用合適的量化步長。小波分解使低頻子帶和高頻子帶的動態(tài)范圍不同,所以量化步長的設(shè)計應(yīng)根據(jù)小波變換后子帶的動態(tài)范圍而變化。

量化后的系數(shù)要進(jìn)行索引分配,產(chǎn)生兩路相互間含有冗余的描述。索引分配就是將每個系數(shù)通過映射函數(shù)A(·)映射為兩個索引號,即分解成兩個描述,如式(1)所示

式中:N是自然數(shù)集;i,j代表兩路描述索引號。

為了保證只收到一路描述時解碼器能得到質(zhì)量可接受的視頻,每路描述都應(yīng)包含解碼所需的足夠的信息,這就造成兩路描述間含有大量的冗余。兩路描述間含有的冗余越多,壓縮碼流的容錯性能就越高,但中央編解碼器的率失真性能降低。所以應(yīng)在容錯性能和率失真性能之間尋求最佳平衡。因?yàn)樗饕峙淇刂浦鴥陕访枋鲩g的冗余,所以MDSQ的核心問題是怎樣將量化后的系數(shù)分配為索引對,并且這種分配能合理地控制兩路描述間的冗余。另外,這種分配必須是可逆的,這樣才能保證解碼端準(zhǔn)確恢復(fù)出信源。Vaishampayan提出索引分配問題可以用索引分配矩陣來解決[2]。以下是索引分配矩陣的設(shè)計原則[2]:首先建立一個N×N的矩陣,將量化后的信息從0到N-1方向、從左上到右下、從主對角線向外填入該矩陣。圖3是本系統(tǒng)使用的索引分配矩陣。

圖3 DWT-MDSQ系統(tǒng)的索引分配矩陣

經(jīng)過索引分配的小波變換系數(shù)要經(jīng)過比特平面編碼,并按照比特平面分層打包成嵌入式碼塊位流,以保證在可利用的信道帶寬減小時,優(yōu)先傳輸高位比特平面,低比特平面丟失,得到一個模糊的圖像,假設(shè)兩路描述分別收到bi和bj個比特平面,對于獨(dú)立同分布的高斯信源,中央解碼器的失真為

在圖3所示的嵌入式索引分配矩陣中,若i路和j路描述分別收到一個比特平面。則重建值由索引矩陣中陰影區(qū)域的值確定,也就是使重建值為陰影區(qū)域的重心。根據(jù)式(2),為使重建失真最小,應(yīng)根據(jù)信源統(tǒng)計特性對不同系數(shù)改變索引分配矩陣,使收到的兩路比特平面數(shù)與信源概率密度分布決定的中央失真最小。這樣一來,不僅計算極為復(fù)雜,而且在傳輸碼流時不僅要傳輸兩路描述還要傳輸相應(yīng)的索引分配矩陣,造成很大的開銷。為解決上述問題,本系統(tǒng)采用了統(tǒng)一標(biāo)量量化,并對所有系數(shù)用相同的索引分配矩陣產(chǎn)生兩路描述,兩路描述再分別根據(jù)信源統(tǒng)計特性進(jìn)行熵編碼。

1.3 EBCOT熵編碼

將小波變換以后的子帶劃分為大小固定的碼塊,碼塊是EBCOT熵編碼的最小單位。每個碼塊獨(dú)立編碼,在解碼端若一個碼塊的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤,并不影響其余碼塊的解碼,防止了錯誤在碼塊間的傳播。對每個碼塊首先進(jìn)行位平面編碼,位平面編碼的判決輸出符號經(jīng)過基于上下文的算術(shù)編碼和PCRD優(yōu)化截斷算法后打包成為最終碼流。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本文將基于小波變換的多描述視頻編碼方案在PC機(jī)上進(jìn)行仿真,采用幀率為25 f/s的CIF格式foreman,football和container視頻測試序列,色度采樣格式為4∶2∶0。對測試序列分別進(jìn)行MPEG-2,H.264,MJPEG2000單描述編碼和基于小波變換的多描述編碼。為方便描述,基于小波變換的多描述編碼方案用DWT-MDSQ來表示,索引分配矩陣如圖3所示,des-mdsq表示描述2完全丟失、解碼端只收到一路描述的情況。MPEG-2和H.264采用I-BB-P的GoP結(jié)構(gòu),將一個slice封裝成一個數(shù)據(jù)包,每個丟失的數(shù)據(jù)包都用前向復(fù)制的方法進(jìn)行錯誤隱藏。多描述編碼產(chǎn)生兩路碼流,兩路多描述碼流的總碼率與單描述碼流的碼率相等。DWT-MDSQ在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行3級無損(5,3)小波分解,打包成一個質(zhì)量層的碼流。單描述與多描述碼流分別在丟包率為0.02,0.05,0.08,0.10的信道中傳輸,解碼端對有丟包的碼流進(jìn)行解碼重建。

圖4中,基于運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測的H.264和MPEG-2對于運(yùn)動較慢的container序列效果較好,對于運(yùn)動快的序列,運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測的誤差增大,PSNR下降。而MJPEG2000只運(yùn)用了幀內(nèi)編碼,所以不管序列運(yùn)動的快慢,編碼性能較為接近。由于在多描述方案中,兩路描述中含有冗余,所以丟包率為0時,單描述編碼方案的PSNR都高于多描述編碼方案。在高丟包率情況,多描述編碼方案的PSNR要高于單描述編碼方案,這是因?yàn)镠.264和MPEG-2運(yùn)用前向復(fù)制的方法進(jìn)行錯誤隱藏,由此造成的誤差比多描述方案中用收到的一路描述預(yù)測另一路描述的誤差大。另外,在有丟包時DWT-MDSQ比MJPEG2000的PSNR高5~10 dB。在一路描述完全丟失情況下,邊解碼器解碼剩余一路描述時的PSNR較低,但隨著丟包率的增加,其PSNR逐漸與MJPEG2000接近,解碼端也可獲得質(zhì)量可接受的視頻。

圖4 測試序列重建視頻PSNR

圖 5 是在碼率為 5.5 Mbit/s,4 Mbit/s,3 Mbit/s,2 Mbit/s,1.5 Mbit/s和0.8 Mbit/s時重建序列和原始序列的峰值信噪比。從圖5可看出,在高碼率時,多描述方案的兩路描述的碼率都較高,而且丟失相同信息的概率較小,所以DWT-MDSQ的性能都比MJPEG2000好。當(dāng)碼率下降時,兩路描述的碼率都要降低,所以多描述方案的PSNR下降較快。由于H.264和MPEG-2使用的前向復(fù)制錯誤隱藏對運(yùn)動慢的視頻效果好,所以對于運(yùn)動較快的football序列,多描述編碼方案和MJPEG2000的PSNR較高。

圖5 測試序列在丟失率為5%時的R-D曲線

3 結(jié)語

本文在MJPEG2000視頻編碼框架下,對小波變換后的系數(shù)進(jìn)行量化和索引分配產(chǎn)生互有冗余的兩路描述,提高在有丟包信道中傳輸?shù)姆€(wěn)健性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對于運(yùn)動較慢的序列在高碼率的情況下,基于小波變換的多描述編碼方案的重建圖像質(zhì)量好于H.264,MPEG-2,MJPEG2000單描述方案。另外,基于小波變換的編碼方案在有丟包時沒有塊效應(yīng)。多描述編碼方案適合在信道不穩(wěn)定,有丟包的網(wǎng)絡(luò)信道和無線信道中傳輸。

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