CN101924937A - MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法 - Google Patents

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刘建宏
吴晓东
李继豪
胡伟
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SHANGHAI RADIO AND TELEVISION
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Abstract

一种MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法，该方法在满足ISO/IEC13818标准所规定的MpegII基本流结构内数据进行搭载、卸载的方法，以及与该搭载算法相关的搭载、卸载策略，该方法是：解析标准MpegII基本流(ES)：从MpegII基本流(ES)中解析出包含亮度信息的8x8基本数据块；亮度小块交流系数分析：从上一步骤获得的亮度信息的小块中解码出代表着一块像素区的DCT交流系数进行搭载方法分析，确定搭载的优化方法；在上述亮度小块中的交流系数中选择合适的系数，按照优化搭载方法规定的三个要素的约定，用目标信息替换选中的交流DCT系数的末尾的信息。

Description

MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法
技术领域
本发明主要涉及一种低图像损失条件下MpegII基本流的DCT交流非零系数信息搭载优化技术。该类技术属于视频图像处理类型，可以为广电行业的标准视频信号的充分利用提供基础支持。
背景技术
在视频流中采用替换法搭载重要信息的做法很早就有研究论文提出。但是这种算法没能进入实用领域，尤其是广播电视领域，因为广播电视应用有很高的品质规范，要求视频图像在经过搭载的处理之后没有图像品质上的损失，目前还没有实际应用这种技术。
发明内容
本发明提出一种MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法，信息搭载后，视频图像品质必须满足广播级应用的要求。本发明的方法是：通过控制替换程度、替换位置和替换范围三个要素，确保图像质量不低于广播级标准要求，该方法步骤包括：
(1)解析标准MpegII基本流(ES)：从MpegII基本流(ES)中解析出包含亮度信息的8x8基本数据块；
(2)亮度小块交流系数分析：从上一步骤获得的亮度信息的小块中解码出代表着一块像素区的DCT交流系数进行搭载方法分析，确定搭载的优化方法；
(3)选择搭载的方法：在上述亮度小块中的交流系数中选择合适的系数，按照优化搭载方法规定的三个要素的约定，用目标信息替换选中的交流DCT系数的末尾的信息。
所述的三个要素的约定，是搭载权重(W)、搭载位置(P)和搭载范围(R)三个系数；该三个系数在一定范围内进行微调，通过测试获得图像质量参数(Q)与W、P和R的关系曲线，和搭载数据流量(S)与W、P和R的关系曲线，根据三个系数确定后进行搭载所获得的结果进行比较分析，最终确定优化的三个系数；搭载方法所提供的结果能够满足视频图像品质的标准，同时满足足够的搭载信息量。
针对参数W，必须采用轻微搭载，即将搭载损伤，其统计平均数值降低到原数据的5％以下；
针对参数P，统计发现能够提供轻微搭载的系数一股从倒数的第三个非零交流系数之后出现，因此参数P的取值以4比较合适；
针对参数R，因为取两个相邻参数进行搭载会是的视频图像损伤相对集中，从而突出图像损伤，故此选择3作为范围，允许在一定范围内进行搭载尝试；该范围如果太大，则会影响频率比较低的视频图像，加重了视频图像损伤；同时进行搭载的系数，每个8x8亮度小块中不允许超过2个。
所述的解析MpegII基本流(ES)，是用于卫星线路传输的MpegII基本流，纯视频码流在3Mbps略高，其视频格式是包括I帧、B帧和P帧的图片组(GOP)；由于B帧和P帧信息冗余度非常小，其可搭载信息量和搭载图像损失，都不能满足本方法的目标。因此按照常规选择I帧为信息搭载的主要对象。I帧图像分解为宏块结构，每个宏块的结构，根据视频格式设定，包括4个8x8的亮度信息块和2个到8个色度信息块。由于亮度信息块包含信息量大，因此搭载信息的主要对象为亮度信息块。在标清视频规格下，单个I帧的像素数量为720x576，它将包括总数为6480个8x8亮度信息数据块。分解的方法见图1-从MpegII视频流中分解8x8亮度信息块。
所述的亮度小块中的串行数据，是哈夫曼编码的结果，根据MpegII标准规定的哈夫曼编码码表能解码出本块8x8像素范围内的直流和交流系数串，其中的交流系数串是DCT编码的结果，代表了空间和频域的混合的像素分量；从频域角度分析，排在最后的交流DCT系数是高频系数，代表了图像的细节；从空间位置角度看，由于游程编码消除了大量的零，排在后面的交流DCT系数所代表的空间位置比较随机。因此，选择靠后的交流系数，绝对值比较大的系数，可以获得比较多的数据搭载位，同时对于图像影响较小，这是选择交流系数的基本方法。
本发明的有益功效是：
1、控制中心联播子系统可以完成统一的电视节目播单的提取、编码和搭载，随同中心统一播出的电视节目信号一起送达卫星发射器并发射到卫星；
2、各远地联播子系统可以从卫星接收机获得电视信号，并从中卸载、解码和生成本地的电视节目播出单；
3、控制中心联播子系统可以跟踪获得控制直播节目播出的操控动作，并编码为控制指令，经由搭载模块搭载到视频流中，经卫星电视信号送达各远地联播子系统；各远地联播子系统根据接收到的控制信息进行同步的直播播出控制；
附图说明
附图1是从MpegII视频流中分解8x8亮度信息块示意图。
附图2是搭载方法中的替换示意图。
附图3集中控制式联播平台系统方框图。
附图4本发明在R＝3条件下搭载量和信噪比值与搭载位置的关系曲线。
附图5本发明在W＝3搭载权重条件下搭载范围、搭载量与搭载位置的关系曲线。
具体实施方式
请参阅本发明在集中控制式联播方框图3中“搭载”、“卸载”所示，整个联播系统的基本原理是：本地视频服务器准备好中心将要播出的电视节目，经过MpegII编码器，形成TS封装形式的MpegII编码视频流，该流信号经过视频分配器分路，其中一路直接送达卫星信号调制器，另一路则送达搭载器进行视频搭载，完成搭载后仍然是TS封装的MpegII视频流，送达卫星信号调制器。卫星信号调制器根据搭载服务器确认搭载视频流是否有效的信息，决定播出哪一路视频信号。
经过卫星传输，各不同地区都可以接收到该卫星视频信号，各自经过卫星信号接收和解调器，获得TS封装的MpegII视频流信号。该视频流信号经过视频分配器分为两路，其中一路直接送给本地的播出控制服务器，作为本地播出信号之一候用；另一路则送达本地卸载器，通过卸载获得其中的随路控制信息、播单信息等重要信息，并传送给本地的播出控制服务器，根据控制信息中的时间窗口信息合成本地播单。同时本地视频服务器将本地视频流准备好，根据播单中的时间窗口信息准确插入本地播出电视节目中。
关于三个要素的约定，即搭载权重(W)、搭载位置(P)和搭载范围(R)三个系数；该三个系数在一定范围内进行微调，通过测试获得图像质量参数(Q)与W、P和R的关系曲线，和搭载数据流量(S)与W、P和R的关系曲线，根据三个系数确定后进行搭载所获得的结果进行比较分析，最终确定优化的三个系数。
请参阅附图4所示，在搭载范围(R参数)相同情况下搭载量和图像信噪比与搭载位置的关系曲线，
搭载位置(P)代表着搭载选取的图像频域位置。本方法采用逆向位置，即从最后一个非零交流系数开始计数，用P＝1表示，它代表这是本块图像的频率最高的分量。从图-1可以看出，随着搭载系数位置由高频向中低频移动，单位信息搭载量呈逐渐上升的趋势，在P＝4形成拐点；与之对应的搭载后图像峰值信噪比值呈逐渐下降的趋势，在P＝4时也形成拐点。在理论上，单位信息搭载量越多，搭载后图像峰值信噪比值越小。低频系数对信息搭载更敏感，应更多选择在高频系数上进行搭载。
请参阅附图5所示，在搭载权重W相同情况下的搭载量统计分析：W＝3(中度搭载)从图中可以看出，在W＝3时，随着搭载系数位置由高频向中低频移动，单位信息搭载量呈先上升再逆转下降的趋势，不同搭载范围R的逆转拐点不同(如图-2中红色虚折线所示)。R＝1时，在P＝5处出现逆转拐点；R＝2时，在P＝5处出现逆转拐点；R＝3时，在P＝4处出现逆转拐点；R＝4时，在P＝4处出现逆转拐点；R＝5时，在P＝3处出现逆转拐点；R＝6时，在P＝3处出现逆转拐点。这种趋势是由不同位置搭载系数的单独搭载能力不同造成的，从R＝1时的搭载量曲线可以看出P＝6的搭载量已比P＝5的搭载量有所减少，进而P＞6以后各个搭载系数的单独搭载量也继续减少。而R＝(2，3，4，5，6)时的搭载量是R＝1时各位置系数单独搭载能力的叠加，故出现如图趋势。
根据以上分析可以验证，低频系数的搭载能力相对较小，中频系数的搭载能力相对最大，高频系数的搭载能力相对较大。
本方法提供了一种在满足ISO/IEC13818标准所规定的MpegII基本流结构内数据进行搭载、卸载算法，以及与该搭载算法相关的搭载、卸载策略，该算法和策略主要针对MpegII基本流I帧数据中的DCT交流非零系数进行操作。
对满足ISO/IEC13818标准所规定的MpegII基本流中的DCT交流非零系数进行信息搭载，所谓搭载，就是信息替换，即将原信息替换为需要搭载的信息，如附图2所示，将信息流中的末尾信息“01”，替换为“10”操作称为搭载。本方法必须保障经过搭载的视频满足广播级视频的规范，因此对搭载操作进行约束，这种约束称为搭载策略。搭载策略就是将搭载操作的方法规定为搭载深度、搭载位置和搭载范围三个系数进行参数化设计和最优化调试。
系统参数指标：
1、被搭载视频的图像损失
被搭载图像与原图像的PSNR值不劣于60dB
2、被搭载的MpegII视频流的码流范围
在3Mbps和100Mbps之间
3、搭载信息的实际速率
为提高利用效率，该速率被设计为可变速率，没有特殊视频画面的一股情况下，平均的速率最低为300bps；
4、搭载比例
搭载比例反应搭载信息与被搭载视频流在数量上的关系。本设计的搭载比例不差于0.02％。
系统的工作流程；数据传输通道软件在搭载器工作站/服务器平台上进行软件启动，即可使用。
控制功能：数据传输通道软件模块没有特别的控制需要，一旦启用则处于工作待命状态。

Claims (4)

1.一种MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法，通过控制替换程度、替换位置和替换范围三个要素，确保图像质量不低于广播级标准要求，该方法步骤包括：
(1)解析标准MpegII基本流(ES)：从MpegII基本流(ES)中解析出包含亮度信息的8x8基本数据块；
(2)亮度小块交流系数分析：从上一步骤获得的亮度信息的小块中解码出代表着一块像素区的DCT交流系数进行搭载方法分析，确定搭载的优化方法；
(3)选择搭载的方法：在上述亮度小块中的交流系数中选择合适的系数，按照优化搭载方法规定的三个要素的约定，用目标信息替换选中的交流DCT系数的末尾的信息。
2.按权利要求1所述的MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法，其特征在于，所述的三个要素的约定，是搭载权重(W)、搭载位置(P)和搭载范围(R)三个系数；该三个系数在一定范围内进行微调，通过测试获得图像质量参数(Q)与W、P和R的关系曲线，和搭载数据流量(S)与W、P和R的关系曲线，根据三个系数确定后进行搭载所获得的结果进行比较分析，最终确定优化的三个系数。
3.按权利要求1所述的MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法，其特征在于，所述的解析MpegII基本流(ES)，是用于卫星线路传输的MpegII基本流，纯视频码流在3Mbps略高，其视频格式是包括I帧、B帧和P帧的图片组(GOP)。
4.按权利要求1所述的MpegII基本流的DCT交流非零系数信息优化搭载方法，其特征在于，所述的亮度小块中的串行数据，是哈夫曼编码的结果，根据MpegII标准规定的哈夫曼编码码表能解码出本块8x8像素范围内的直流和交流系数串，其中的交流系数串是DCT编码的结果，代表了空间和频域的混合的像素分量。
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