CN100380972C - 用于三维小波变换的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了对图像进行三维小波变换的方法、应用该方法的集成电路以及存储有用于执行所述变换的指令的制品。

Description

用于三维小波变换的方法和装置
技术领域
本发明涉及三维(3D)图像和/或视频变换。
背景技术
3D子带(subband)编码是对2D子带编码的扩展，最近至少部分由于以下原因而倍受关注。首先，通常它产生比较少的区块效应(blockingartifact)，这是诸如运动补偿(MC)和离散余弦变换(DCT)方法的替代编码方法所共同具有的问题，尤其是在低的比特率时。其次，不像MC压缩方法，它不使用单独的运动估计阶段。第三，它在空间和时间上都是可伸缩的。基于小波的编码效率在于所使用的编码方案，例如，就如在Shapiro的文章“Embedded Image Coding Using Zerotrees of WaveletCoefficients”，IEEE Transactions on Signal Processing，Vol.41，No.12，pp.3445-3459，1993年12月，中所描述的那样，其有效地对小波系数进行编码。
遗憾的是，在处理低能含量(low energy content)的小波系数时，这些技术的性能可能是比较差的。此外，观察表明3D小波变换所产生的小波系数可能是低能含量的。例如，大部分小波变换后的系数值可能是零或小数量级的值。标准方法使几个通道来对这些帧进行编码，并且在这些通道的每一个中，将当前阈值与该低值的系数进行比较。这可能导致较低的压缩率和编码效率。因此，需要一种至少大致维持编码效率和压缩率的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种对多个视频图像应用三维离散小波变换的方法，所述多个视频图像包括帧，所述帧包括行和列，所述方法包括通过如下步骤产生多个离散小波变换系数块：沿着多个视频图像的帧序列、列序列和行序列分别、连续地滤波；在应用每个滤波操作后，对应用滤波操作的结果进行重采样；和在产生离散小波变换系数块后，应用基于比特的条件编码来对离散小波变换系数进行嵌入零树编码。
根据本发明的另一个方面，提供了一种对多个经过变换的视频图像子块应用逆三维离散小波变换的方法，所述子块包括经过变换的帧，所述帧包括行和列，所述方法包括通过如下步骤对经过变换的视频图像的子块进行逆变换：(1)块的嵌入零树编码的离散小波变换系数应用基于比特的条件解码来获得离散小波变换系数矩阵；(2)行、列和帧对离散小波变换系数矩阵的各个子块进行上采样；(3)一个或多个经过上采样的各个子块对进行滤波和组合以产生对应于各个对中的每一个的经过上采样的子块；(4)任何所产生的经过上采样的子块对再次应用(3)，直到剩下一个经过上采样的子块；(5)将剩下的一个经过上采样的子块乘以8来产生下一个更高分辨率的块。
附图说明
说明书的结束部分具体地指出和明确地确定了主题。但是，所要求保护的主题，包括操作的结构和方法，以及其目的、特征和优点，通过在使用附图进行阅读时参考下面详细的叙述可以得到最好地理解，其中：
图1是示出具有子块的3D小波变换的一个级别的示意图；
图2是实施3D小波变换编码的方法的一个实施例的过程；
图3是实施3D小波变换解码的方法的一个实施例的过程；
图4是图示说明用于3D小波变换的块和子块之间的父子关系的示意图；以及
图5是图示说明应用3D小波变换编码的方法的一个实施例的有代表性结果的表格。
具体实施方式
在下面的详细叙述中，为了提供对所要求保护的主题全面的理解，阐述了许多特定的细节。但是，本领域的普通技术人员应该理解的是，所要求保护的主题可以在没有这些特定的细节情形下被实施。在其他例子中，为了不使所要求保护的主题变得模糊，没有对公知的方法、过程、元件以及电路进行详细地叙述。
多分辨率小波表示法可以提供用于解释(interpret)图像的简单的分级框架。在不同的分辨率下，图像的细节通常可以表征出画面的不同物理结构特征。例如，一种粗糙至精细的编码方法可以通过有助于有效压缩而对经过变换的图像的编码有所帮助。当对视频序列应用类似的方法时，可能涉及到产生3D变换。这样的表示法也可以指出序列的不同物理结构，可以产生指示随时间的边缘运动，而不是边缘信息的子块。执行3D小波变换的过程的一个实施例可以如下所示，尽管所要求保护的主题并不局限于该具体的方法或实施例的范围。例如，对多个视频图像应用三维离散小波变换(DWT)的方法的实施例可以包括下面所述的内容。多个视频图像可以包括帧，帧可以包括行和列。在这样的方法中，多个DWT系数块可以由如下的步骤产生：沿着多个视频图像的帧序列、列序列和行序列进行分别、连续地滤波；在应用了每个滤波操作后，对应用滤波操作的结果进行重采样(subsample)；并且在产生DWT系数块后，应用基于比特的条件编码来对DWT系数进行嵌入零树编码。在一些实施例中，应用滤波操作包括应用高通滤波器和低通滤波器中的一个。这将在下面结合图2进行更加详细的叙述。
所输入的视频序列，这里用V指代，可以被当作具有主要根据时间位置排列的不同帧的3D块。如图2所示，该具体实施例中的这一序列可以被输送给两条路径，即图2中用P1和P2指代的路径。在该实施例中使用滤波函数g(n)，沿一条路径(这里是P1)可以进行沿着时间轴的滤波。在该具体的实施例中，经过滤波的数据还可以被重采样，这里为2倍重采样。因此，在该实施例中，块的间隔帧可以被保留。来自经过约化的块的帧可以再次被输送给两条路径，即图2中所示的P3和P4。
沿着一条路径或子路径，例如这里的P3，可以再次使用滤波函数g(n)，沿着行进行滤波。在该具体的实施例中，经过滤波的数据还可以被重采样，这里为2倍重采样。这里，矩阵或帧的间隔列可以被保留。经过约化的矩阵可以再次被输送给两条路径，即图2中所示的P5和P6。
这里沿着方向P5，可以使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。经过滤波的数据可以进行2倍重采样。矩阵的间隔行可以被保留。这可以产生细节信号D1。
沿着另一个方向(这里是P6)，在该具体的实施例中，可以使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。对于该具体的实施例，经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。矩阵的间隔行可以被保留。这可以产生细节信号D2。
在另一个子路径(这里是P4)上，可以使用滤波函数h(n)沿着行进行滤波。经过滤波的数据可以进行2倍重采样。矩阵的间隔列可以被保留。经过约化的矩阵可以再次分裂为两条路径，即图2中的P7和P8。
在一个方向P7上，这里可以使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。这里，矩阵的间隔行可以被保留。这可以产生细节信号D3。
在另一个方向P8上，这里可以使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。这里，矩阵的间隔行可以被保留。这可以产生细节信号D4。
在另一条路径(这里是P2)上，在该实施例中，这里可以使用滤波函数h(n)沿着时间轴进行滤波。在该实施例中，经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。块的间隔帧可以被保留。来自经过约化的块的帧可以再次被输送给两条路径，即图2中的P9和P10。
在一条子路径P9上，在该实施例中，可以使用滤波函数g(n)沿着行进行滤波。经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。因此，矩阵或帧的间隔列可以被保留。经过约化的矩阵可以再次被输送给两条路径，即图2中的P11和P12。
在一个方向(这里是P11)上，这里可以使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。因此，矩阵的间隔行可以被保留。这可以产生细节信号D5。
在另一个方向上(这里是P12)，这里可以使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。因此，矩阵的间隔行可以被保留。这可以产生细节信号D6。
在另一条子路径P10上，这里可以使用h(n)沿着行进行滤波。经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。矩阵的间隔列可以被保留。经过约化的矩阵可以再次被分裂为两条路径，在该实施例中是P13和P14。
在一个方向上(这里是P13)，可以使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。经过滤波的数据可以再被重采样，这里是2次。间隔行可以被保留。这可以产生细节信号D7。
在另一个方向P14上，在该实施例中，可以使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。经过滤波的数据可以再次进行2倍重采样。因此，矩阵的间隔行可以被保留。这可以产生细节信号V’。
因此，可以提取七个细节子块，它们提供了例如是水平、垂直和对角边缘信息随时间的变化。在该实施例中，另一个或第八子块或成分(component)由于低通滤波，可以是通过例如该实施例中的h(n)在低分辨率下的被应用的视频序列。因此，例如应用压缩产生这些块可以产生3D编码，就如下面将更加详细描述的那样。
观察表明，例如通过应用这样的3D小波变换所产生的小波系数通常可能被发现为具有低能含量。例如，大部分小波变换后的系数值是零或小幅的值。标准方法通常使几个通道来对这些帧进行编码，并将当前阈值与低值系数进行比较。这可能导致较低的压缩比和编码效率。因此，通过应用解决低能含量系数的方案或技术，可以获得改进的结果。
前述3D小波变换的实施例的特征可以包括如下所述的内容。离散3D小波变换可以将图像分解为7个子带，1个低频子带(LLL)和7个高频子带(LLH，LHL，LHH，HLL，HLH，HHL，HHH)。LLL子带可以包括原始图像的特征，并且还可以进一步被分解为多级。例如，在图4所示的一个应用举例中，可以对四分之一公共媒介格式(QCIF)视频应用多达4级的分解(尺寸为144*176*X，这里X大小分别是16或32)。
在图4中，用数字标出了示例性的变换的级。系数的扫描模式可能影响到变换的嵌入性质。在该具体实施例中，该系数可以以这样的方式被扫描，即，如图4所示，在较粗糙的级系数被扫描之前，不对较更精细的级系数进行扫描。下面在图4中给出零树搜索(ZTR)的父子关系，就如在前面所述同时提交的专利申请系列号为___(代理人案卷号为042390.P11706)中所应用的方法。当然，这仅仅是一个例子，所要求保护的主题并不局限于该具体的ZTR或扫描方法的范围。此外，在该特定方法中，LLL带不是编码序列的一部分。例如，可以为它的传输应用无损编码方法。在该实施例中，编码的起始阈值可以取值为1。在接连的通道中，阈值可以通过大于1的乘数因子而增加，例如乘数因子可以取2。对于这样的实施例，这种通道的总的数目可以用[log2(max)]+1给出，其中，max指代要被编码的系数的量值中的最大值。就如在前面所提到的专利申请系列号为___(代理人案卷号为042390.P11706)中一样，可以应用基于比特的条件编码方案，尽管，同样地，所要求保护的主题并不局限于该方面的范围。但是在这样的方法中，取决于具体的条件是真或假对比特1或0进行编码，就如在前面所提到的专利申请中所描述的那样。
对于该实施例，可以对解码和重构(reconstruction)使用相反的过程。例如，解码器可以对由编码器所产生的比特流进行解码以重构系数矩阵。这样的解码方案在前面提到的专利申请系列号为___(代理人案卷号为042390.P11706)中进行了更加详细的描述，尽管，同样地，所要求保护的主题并不局限于该方案的范围。但是总体说来，用来对序列进行编码的方法和用来对序列进行解码的方法之间一般可能发生一定量的对应或关联。
下面所描述和图3所示的技术或方法可以被应用于再现或解码。例如，对于一个具体的实施例，一种对多个经过变换的视频图像子块应用逆三维离散小波变换(3D IDWT)的方法，其中，子块包括经过变换的帧，帧包括行和列，所述方法可以包括如下的内容。经过变换的视频图像子块可以如下被逆变换：按行、列和帧对各个子块进行上采样；对一个或多个经过上采样的各个子块对进行滤波和组合，来产生对应于各个对中的每一个的经过上采样的子块；对任何所产生的经过上采样的子块对再次运用前面的处理，直到剩下一个经过上采样的子块；将所剩下的这个经过上采样的子块乘以8来产生下一更高分辨率的块。在一些实施例中，对一个或多个经过上采样的各个子块对进行滤波和组合包括，对所述对的一个经过上采样的子块应用反向低通滤波器，并且对所述对的另一个经过上采样的子块应用高通滤波器。
如下，参考图3对该方法进行了图示说明，虽然所要求保护的主题并不局限于该具体方法的范围。可以对细节信号D1进行上采样。例如，一行零可以被插入到相邻行之间。接着可以对该子块使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。可以对细节信号D2进行上采样。例如，一行零可以被插入到相邻行之间。接着可以对该子块使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。从对D1和D2施加前面的处理得到的输出信号被相加，如图3所示。所得到的子块可以被上采样。例如，一列零可以被插入到相邻列之间。然后，该矩阵可以使用滤波函数g(n)沿着行进行滤波以产生临时信号I1。
可以对细节信号D3进行上采样。例如，一行零可以被插入到行之间。接着可以对该子块使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。可以对细节信号D4进行上采样。例如，一行零可以被插入到行之间。接着可以对该子块使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。从对D3和D4施加前面的处理得到的输出信号可以被相加。所得到的子块可以被上采样。例如，一列零可以被插入到列之间。然后，该矩阵可以使用滤波函数h(n)沿着行进行滤波。这里所得到的输出信号可以与临时信号I1相加。所得到的子块可以被上采样。例如，一帧零可以被插入到帧之间。然后，该矩阵可以使用滤波函数g(n)沿着帧进行滤波以产生临时信号I2。
可以对细节信号D5进行上采样。例如，一行零可以被插入到相邻行之间。接着可以对该子块使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。可以对细节信号D6进行上采样。例如，一行零可以被插入到相邻行之间。接着可以对该子块使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。从对D5和D6施加前面的处理得到的输出信号可以被相加，如图3所示。所得到的子块可以被上采样。例如，一列零可以被插入到相邻列之间。然后，该矩阵可以使用滤波函数g(n)沿着行进行滤波以产生临时信号I3。
可以对细节信号D7进行上采样。例如，一行零可以被插入到行之间。接着可以对该子块使用滤波函数g(n)沿着列进行滤波。可以对细节信号V’进行上采样。例如，一行零可以被插入到行之间。接着可以对该子块使用滤波函数h(n)沿着列进行滤波。所得到的输出信号可以被相加。所得到的子块可以被上采样。例如，一列零可以被插入到列之间。然后，该矩阵可以使用滤波函数h(n)沿着行进行滤波。所得到的输出信号可以与临时信号I3相加。所得到的子块可以被上采样。例如，一帧零可以被插入到帧之间。然后，该矩阵可以使用滤波函数h(n)沿着帧进行滤波。所得到的输出信号可以与临时信号I2相加。所得到的子块可以乘以8以得到下一级分辨率的子矩阵。
实际上，可以对再现应用逆变换过程。例如，在该具体的实施例中，可以应用基于比特的条件解码，就如在前面所提到的专利申请中所描述的那样。一旦该细节信号可以得到，就可以将细节信号与低分辨率图像进行组合以得到更高分辨率的经过再现的图像。
前面所描述的具体实施例已经应用到两个常见的视频序列：MissAmerica(中速运动)和Car序列(快速运动)。在图5的表格中列出了压缩性能。该表格也图示说明了，可以获得明显较大的压缩而没有明显的噪声增加。
尽管所要求保护的主题不局限于所描述和示出的具体实施例的范围，但是这些实施例提供了许多潜在的优点。已经示出了一种所应用的3D小波变换技术，其通过利用空间以及时间冗余来减少图像序列中的冗余。在该具体实施例中，没有使用计算上复杂的运动估计/补偿技术。类似地，因为没有应用基于DCT技术的运动估计/补偿，所以所再现的视频通常具有更少的视觉上的干扰或区块效应。对于大部分而言，前面所述的编码方案通过利用更少的比特而在计算上更快，并能有效地对3D小波变换的系数进行编码。因此，它提高了压缩性能。此外，前面所述的实施例可以被进一步修改来获得更大的压缩，例如，通过逐渐丢弃初始通道。此外，通过应用位平面(bit plane)处理，如在前面提到的同时提交的专利申请中所述的那样，对前面所述的技术作很小的改动，可以使用并行执行。类似地，位平面编码和解码方法使这样的视频编码器的实施例适合于顺序编码环境。
当然，应该理解地是，尽管已经刚刚描述了具体的实施例，所要求保护的主题并不局限于具体实施例或实施的范围中。例如，一个实施例可以是硬件方面的，例如被实现来在集成电路芯片上进行操作，而另一个实施例也可以是软件方面的。类似地，例如，实施例可以是固件方面的，或者是硬件、软件和固件的任意组合。类似地，尽管所要求保护的主题不局限于该方面的范围，但是一个实施例可以包括诸如存储介质的制品。这样的存储介质，例如可以是CD-ROM或磁盘，它可以在其上已经存储了指令，这些指令在被诸如计算机系统或平台、或者图像或视频系统执行时，可以产生根据被实施的要求保护的主题的一种方法的实施例，例如，如前面所述的视频或图像处理方法的实施例。例如，图像或视频处理平台或其他处理系统可以包括视频或图像处理单元、视频或图像输入/输出设备和/或存储器。
尽管这里已经对所要求保护的主题的特定特征进行了图示说明和描述，但是本领域的普通技术人员将想到许多改进、替代、变化和等同变换。因此，应该理解的是，所附的权利要求将覆盖所有这些落入所要求保护的主题的实质精神中的改进和变化。

Claims (8)

1.一种对多个视频图像应用三维离散小波变换的方法，所述多个视频图像包括帧，所述帧包括行和列，所述方法包括：
通过如下步骤产生多个离散小波变换系数块：
沿着多个视频图像的帧序列、列序列和行序列分别、连续地滤波；
在应用每个滤波操作后，对应用滤波操作的结果进行重采样；和
在产生离散小波变换系数块后，应用基于比特的条件编码来对离散小波变换系数进行嵌入零树编码。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述重采样包括在相应的滤波操作之后，丢弃间隔帧、间隔列和间隔行。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个离散小波变换系数块包括8块。
4.如权利要求1所述的方法，其中，对于每个滤波操作，所述应用滤波操作包括应用高通滤波器和低通滤波器中的一个。
5.一种对多个经过变换的视频图像子块应用逆三维离散小波变换的方法，所述子块包括经过变换的帧，所述帧包括行和列，所述方法包括：
通过如下步骤对经过变换的视频图像的子块进行逆变换：
(1)对块的嵌入零树编码的离散小波变换系数应用基于比特的条件解码来获得离散小波变换系数矩阵；
(2)按行、列和帧对离散小波变换系数矩阵的各个子块进行上采样；
(3)对一个或多个经过上采样的各个子块对进行滤波和组合以产生对应于各个对中的每一个的经过上采样的子块；
(4)对任何所产生的经过上采样的子块对再次应用(3)，直到剩下一个经过上采样的子块；
(5)将剩下的一个经过上采样的子块乘以8来产生下一个更高分辨率的块。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述离散小波变换系数矩阵的各个子块包括8个子块。
7.如权利要求5所述的方法，其中，对一个或多个经过上采样的各个子块对进行滤波和组合包括，对所述对的一个经过上采样的子块应用反向低通滤波器，并且对所述对的另一个经过上采样的子块应用高通滤波器。
8.如权利要求5所述的方法，其中，所述上采样包括插入间隔帧、间隔列和间隔行。
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