论文研究-Wyner-Ziv视频编码中边信息估计算法改进.pdf

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与传统视频编码方法相比,DVC(distributed video coding)在编码性能方面还存在着较大差距。边信息估计是其中的关键技术之一,在很大程度上决定着编码效率。为缩短性能差距,改善边信息估计效率,提出一种针对像素域Wyner-Ziv视频编码系统的改进算法,在解码端改善了关键帧之间的运动矢量获取以及采用重叠块运动补偿来生成边信息。通过对大量测试序列的实验,验证了改进算法的率失真性能得到改善。
4820 计算机应用研究 第26卷 在获得运动矢量信息后,就可对边信息帧进行估计。本文 表1改进算法RD值的比较 采用重叠块运动补偿( er apped block motian aorrpensaion, H. 264 Intra proposed yner-Ziv H. 264 Inter( IPIP) OBMC)技术对每个像素迹行预测。设B为所考虑相邻块的总 rate/ kbps PSNR/dB rate/kbps PSNR/dB rate/kbps pSNR/dB 数,Bmk、Mnk分别表示第k个邻块及其MV且Bm0=Bm 44.13 3.37 Mm0=M分别代表当前块及其运动矢量,力表示基于MVm; 的估计值的权重,S表示边信息帧中已估计的相邻宏块,像素 77.9731.73 32.3163.35 Rxy)的预测值可山下式确定 126.6934.02 S(P)=Eh(PS(Px+Mvmi (x) 35.15 35.8 p+MVmY);p∈Bm (6) 124.9 为保持估计边信息帧的平滑,对h加以约束,几使得每个 349.01 39.97 262.99 40 191.29 63.93 82.53 h应该与像素卩到相应块中心的距离成反比,使得 121.0829.5275.329.9788.2132.39 h(P=1 (7) 81.4} 3仿真实验及分析 container 100(a 15Hz 247.8 156.15 144.7634.91 为了评价改进后的边信息佔计算法的性能,实验对典型视 23.736.5 35.9917.9636.54 频序列gsz、 foreman、 coastguard、 carphone和 container进行了 284.92 编解码测试。其中usz、 taper炇 foreman属于运动轻微的 序列, stuard和 caphone属于运动剧烈的序列。序列格式 均为QCIF,编码100帧,S帧的帧率为15 fps, GOP的长度为2, 3.7331.02 101.18 并假设奇数嗾为K帧,偶数帧为§帧,且K唢不失真地传输到 phone 100@ 15H 138.69 32.46 118.84 112.61 137.89 33.62 解码端。 9434.93 1410.5 改进后的算法采用规则LDC作为 Sepian-Wdf编码[, 272.06 37.32 符号节点的度为3信息长度为6636bit。边信息生成时,图像 404.58 40.46 359.87 39.61 参考唢先通过3×3的中值滤波处理,运动搜索汇围为±32,K 94 采用H.264ra编码1,量化参数QP的选取尽量满足于使 110.2829.57 82.1729.75 31.45 何一K帧和S帧的RD值近似相等,使得重构出的图像序列平 120.3630.19 30.24122.4532.54 沼。测试结某(仅给出了每个RD值的亮度信息)分别与H,264an1003146431 138.04 Irta编码和H.264 Inter(IPIP编码进行了对比,如表1所示 220.6734.23 165.7434.99 RD Performance, Foreman 100e15lps RD Perfomance, Cazphute 100%15fps 193.6 40 444.1839.34407.69 7.9 938 3339 54.31 26.93 112.4 34 -H. 264 Intra 89.0528.41 H,264 Inter (PP) HI.264 Inter{IPP冫 135.34 31.21 0100200300400500 139.730.03129.529.63151.0831.84 (a) Foreman序列的RD性能比较 Carphone序列的RD性能比较 coastguard 100@ 15Hz RD Performance, Coastguard 100815 RD Pertormance, Susi 1DgIstps 171.91 39 42 40 36 34.37 291 H. 264 Intru 63.7637.98502.8736.58324.2536.8 - proposed Wyner-ziv 30 -H proposed Wyner-zi H. 264 Inter (IPP) H. 264 Inter(IPP 0100200300400500 0100200300400500 Hue/kb (c) Coastguard序列的RD性能比较 d) Susi序列的RD性能比较 4结束语 图4测试序列RD性能比较 由」国内外对分布式视频编码的研究止处热点中,对边信 通过图4可以清楚看到,采用改逑后的算法RD性能明显息伂计的研究更是方兴未艾,本文解析了 Wyner-Ziv绽解码中 优」Ima编码,但这种优势对」运动轻徵的序列来说,更为明的边信息估计技术,并进行了相应进。通过对人量测试序列 如图4(可所示;而对于运动剧烈的序列来说,差距缩小,如的实验,可以看出:相对同等编码复杂度的编码算法,改进后的 (b)所示。这与H.264编码中采用了多种帧内预测模式有关。 Wyner-Z编解码算法可以获得更好的RD性能,但对」传统 由」Wγner-zⅳ编码端只需要对輸入图偬进行帧内编码,其编的帧间編砢)法来说,Wγnεrzν编解码旳RD性能还冇待进 码复杂度与H.264帧内编码相当,系统的RD性能平均提高一步提高。其中,改善边信息计技术是提高 Wyner-Ziv编解 1~2B。对于Irte(IPP)编码来说,改进后的 Wyner-ZI编码码的RD性能的关键因煮之一。今后的研究可以集中在两个 存在较人差距,随着图像序列运动特征的加强,差距日益方面:一方面是改善运动搜索方法,另一方面是边信息估计的 明显。 插值处理方法。 (下转第4832页) 4832 计算机应用研究 第26卷 其中:σ:、σ、η1、η2为相应的阈值,根摒实验进行经验地选 择。eW)/eWv(1)/v(分别为图像子块vN)和M5结束语 的梯度、平均灰度值。S采用式(7)的形式 图像复原是图像处理中的一个重要研究课题。日前出现 4实验结果 的大部分算法中,均针对图像的局部区域进行处理。实际上, 图像中往往有许多以周期性样式出现的冗余信息,如果能充分 针对非局部正则化的图像去噪实验分析,对多幅不同类型利用这些特性,将有利收落图像复原的质量。本文研究在 的图像进行了实验。限于篇幅的原因,这里仅给出针对两幅特则化方法中,引入非局部处理的思想,设计基于非局部的正则 征不同的图像的实验结果数据,原始图像分别为图1(和图2项。在非局部的处理方法中,很人程度上依赖」两个图像子块 (a)所示的美人头图像和房屋图像,前者细节内容较多,后者 则以平坦区域为主。两嶇图像中所加入的噪声均为jgm=15相似度的计算,本文首次提出在非局部则化的图像复原模 的高斯噪声,声图像分别如图1(b)和图2(b)所示。图1型中,应用EMD来进行相似度的计算。实验结果表明,复原质 (c)和图2(是使传统的基丁欧氏距离的非局部正则化大量有明显提高。相应地引出了计算量过人的问题,为解决这 噪方法的复原结果。图1(d和图2(d)是使用改进的融合问题,提出一个针对图像子块进行粗分类的处理方法,这在很 EMD的非局部正则化去噪方的复原结果。 人程度上减少了计算量,而并未降低图像复原的质量 对实验结果性能,主要从几个方面作量化比较。在传统的参考文献 量化指标中,主要计算峰值信噪比(PSNR)。从图像整体结构 [1] UBNER Y TOMASI C, GUBAS L ]. A metric for distributions 方面,计算原妗图像与复原结果图像之间的结构相似度值,即 with applications to i mage databases[ c]// Proc of IEEE Intemational MSSM索引值,它是一个(0,1)间的实数,其值为0意味两 Conference on Computer Vision. 1998: 59-66 图像间没有任何相似性,为1则意味着两嶇图像结构宄全相 同。表1中列出了芮种算法复原结果图像的PSNR和MSM[2] PERONA P,MALK. Scale-space and edge-detection using aniso- ropic diffusion[J]. IEEE Trans on Pattern Analysis and Ma 的值。仪从表1的数据来看,融合EMD的非局部正则化去噪 chine Intelligence, 1990, 12(7): 629-639 方法优势非常明显。同时,从结堪图像的视觉效果来看,改进 的方法在保持细节内容方面性能优越。 [3 RUDIN L I, OSER S, FATEMI E. Nonlinear total variation based 丧1复原结果图像的PSNR和MSM值 noise removal algorithms[ J]. Phys ica D, 1992, 60: 259-268 美人头图像 房置图像 [4 EFROS A, LEUNG T, Texture synthesis by non parametric sampling NLM NLM-EMD NLM NLM-EMD [ C]//Proc of IEEE Internati nal Conference on Computer Vision PSN R 36.2329 60.2200 38.2948 60.0138 Cafu, Greece:[sn.],1999:1033-103 MSSIM 0.8903 0.9999 0.8771 0.9998 [5] BUADES A, COLL B, MOREL JM. On image denoising methods 圆圆圆 [J]. SIAM Multisc ale Modeling and Sim ulation, 2005. 4(2): 490-530 [6] FENG X, MILANFAR P. Mu tiscale principal components anal ysis (a)原始图像①b)噪声图像(c)NIM算法复原结(NM-EMD算法复原 for image local orientatin estimation[ c]//Pr of the 36th Asilomar 图1美人头图像处理结果 Conference on Signals, Systems and Computers. Pacific Grove, CA: [sn.],2002. [7] WANG Z, BOVIK A C, SHEIKH HR, e al. Image quality assess- a)原始图係(b}噪声图像(c)NLM算法复原结果( d)NLM-EMD算法复原结果 ment: from error visibility to structural similarity[J]. IEEE Trans 图2房屋图像处理结果 on Image Processing, 2004, 13(4): 600-612. (上接第4820页) 性能改进算法[].电子学报,2007,35(10):2014-2018 参考文献 [7 FOWLeR J, TAGLIASACCHI M, PESQUET-POPESOU B. Wavdet-based [1 ACCICHET P, ZHUX, GIROD B. Nework-aware H 264 /AVC re- disributedsarcecodingofvdeoEb/a.(2005.http://www.ece. restate edu/ fower/ publications/ Papers/FTP205. paf. gan-of-interest coding for a multi -camera wireess surveillance net- [8 AsCeNso ] BRITES C, PEREIRA F. Content adaptive Wyner-Ziv work[c]//Proc of Picture Coding Symposium. Beijing: [s.n. I video coding driven by motion activity c]//Proc of IEEE Intematio 2006. nal Conference on Image Processing. Atanta: S n],2006 [2] GIROD B, AARON A, RANE S, E al. Distributed video oding [9] AARIB A,RA№ES生 TTON E,过a!. Transform-domain Wyner [C//Pr of IEEE Special Issue on Advances in video Codi ng and Ziv coder for video[ c]//p roc of SPIE, Visual Communications and Delivery. 2007 Image Processing. 2004 [3]罗武胜,翟永平,鲁琴·无线多媒体传感器网络研究[].电子与[1 AARON A, RANE S GIROD B. Wyner-Ziv video coding with hash 信息学报,2008,30(6):1511-1516 based motion compensation at the receiver[ C]//Prac of IEEE Intern [4] GUO Mei, LU Yan, WU Feng, et al. Wyner-Ziv switching scheme tina Conference on Image Processing. Sngapare: [S nl, 2004 for multiple Bit-rate video streaming[ J]. IEEE Trans on Circuits [ 11] VARODAY AN D, AARON A, GIR OD B. 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