CN101969564A - 一种用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法，属于视频编码领域。首先基于彩色视频对深度视频进行上采样，使具有类似颜色的像素点具有更相似的深度值，从而保证更加精准的物体边缘深度值。然后对上述重构出来的深度视频进行局部平滑，进而减少合成三维效果中的噪点。本发明的优点是利用了深度视频和彩色视频之间的关系，让恢复的深度视频具有更清晰的物体边缘和更好的局部平滑特性，从而能够得到更好的三维立体视觉效果。并且由于该上采样方法对多种下采样方法均有效，使用这种方法，可以很好的提高压缩速度快且目标码率很小的深度视频的质量。

Description

一种用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法
技术领域
本发明涉及一种用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法，属于视频编码领域。
背景技术
三维立体电视是新一代的交互式媒体服务，给用户带来全新的观看体验：用户可以自由地选择观看的视点并且随时在不同视点间进行切换；可以在不佩戴眼镜的情况下获得三维的场景体验和感受。同传统二维电视相比，在视觉效果和用户交互性上的巨大优势，使得三维立体电视成为研究的热点，迅速发展和普及，将成为继数字电视后广播网络和宽带网络上新一代交互式媒体的重要应用。
目前一种通用的三维立体电视传输技术为“视频+深度”技术：传输一路表达纹理的彩色视频，并且传输一路与其对应的深度视频来表达彩色视频中每个像素点的纵向深度信息。其中彩色视频为传统的彩色视频；深度视频是与彩色视频“像素-像素”对应的，且每个像素的值在0～255范围内的灰度视频。
和传统视频压缩编码相比，“视频+深度”技术需要多传输一路深度视频，因此相对传统视频压缩编码，三维立体视频需要对深度视频的高效率压缩。深度视频的作用是给出每个像素点的深度信息，因此深度视频具有会对三维视觉效果造成影响的两个要求：1)深度图中的物体要求有清晰地边缘，来保证物体边缘的深度信息正确；2)一个物体内部，局部具有相同的深度值，否则在合成立体效果的时候，会产生一些噪点。在深度视频压缩的过程中，应该尽量保证上述两点，这样才能保证良好的三维效果。此外，深度视频相对传统视频，纹理信息少，因此可以压缩至比较小的码率。
目前，很多编码方案使用传统的视频压缩方法对深度视频进行压缩，然而这些方法不能很好的保证深度视频的两个特殊的质量要求。目前较多研究的压缩方式是通过降低深度视频分辨率的方式对其进行压缩：首先对其进行下采样降低分辨率，之后进行编码压缩，然后再解码之后对其进行上采样恢复原分辨率。由于深度视频的纹理信息较少，因此只要有较好的上采样方法，深度图的质量不会受到很大的影响。这个过程的关键实在上采样的过程中，大部分研究使用传统的上采样方法，但是由于其忽略了深度视频和彩色视频的对应关系，从而恢复边缘的时候不能得到准确的边缘值，且一定程度上破坏了深度图局部一致的特性。有部分研究探究了使用彩色视频指导深度视频上采样的方法，然而，这些方法基于一些特定的下采样方法，且没有进一步考虑保证深度图的局部一致性。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法，以应对多种下采样方法产生的低分辨率深度视频，既可应对效果好却复杂度高的SVC下采样，也可处理简单但是却粗糙的下采样方法，而且提高重构的深度视频质量。
本发明提出的用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法，包括以下步骤：
(1)将大小等于原始深度图的待重构深度图分割成为多个上采样单元，上采样单元的像素等于α×α，α为下采样率，α取值范围为：2～6；
(2)对上述上采样单元中的像素点划分为已知像素点和未知像素点，使上采样单元中左上角的像素点为已知像素点，其余像素点为未知像素点；
(3)对上述已知像素点使用与下采样方法相对应的上采样方法计算，得到该已知像素点的深度值；对未知像素点的深度值的计算方法为：由该未知像素点所在的上采样单元的已知像素点的深度值与相邻的右方、下方和右下方的上采样单元的已知像素点的深度值由下式加权平均得到：
Figure BSA00000331345700021
其中，已知像素点[i]表示第i个像素点，i是范围为1～4，而已知像素点[1]为该未知像素点所在上采样单元的已知像素点，而已知像素点[2]、已知像素点[3]和已知像素点[4]分别为该未知像素点的右方、下方和右下方的上采样单元的已知像素点。而权重[i]为已知像素点[i]对应的权重。
权重为归一化后的相似度，定义如下：
Figure BSA00000331345700022
Figure BSA00000331345700023
颜色差[i]＝|已知像素点[i]的颜色值-未知像素点(x，y)的颜色值|
距离[i]＝|未知像素点的行位置-已知像素点[i]的行位置|
       +|未知像素点的列位置-已知像素点[i]的列位置|
(4)根据上述各上采样单元中各像素点的深度值，得到一个初始重构深度图；
(5)对上述初始重构深度图进行局部平滑处理，得到重构深度图，平滑处理公式如下：
其中，dl是像素点(x，y)和像素点(x-1，y)的深度值之差的绝对值，dr是像素点(x，y)和像素点(x+1，y)的深度值之差的绝对值，β为平滑阈值，β的范围分为：2～6。
本发明提出的用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法本发明，其优点是：
1、已有的三维立体视频编解码方案中，深度视频的编解码和彩色视频的编解码时分开进行的，所以在低码率的情况下得到视频效果比较差。而本发明方法将深度视频的编解码和彩色视频的编解码相结合，利用深度视频和彩色视频的固有联系，使得在低码率下得到很好的视频传输效果。
2、已有的三维立体视频编解码方案中，得到深度视频不能保证物体内部的深度是均匀，会产生视觉上的噪点。使用本发明所提出的针对深度视频的平滑方法，可以使深度视频更加平滑，减少噪声点。
3、在本发明所方法中，编码时只需要低分辨率的深度视频，无需原始的深度视频。所以在深度视频的合成时，只需要合成一个低分辨率的深度视频，可以提高深度视频的合成速度，提高系统的实时性。
附图说明
图1是使用本发明方法的深度视频编解码的流程框图。
图2是本发明上采样方法中的上采样单元的结构示意图。
具体实施方法
本发明提出的用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法，包括以下步骤：
(1)将大小等于原始深度图的待重构深度图分割成为多个上采样单元，上采样单元的像素等于α×α，α为下采样率，α取值范围为：2～6；
(2)对上述上采样单元中的像素点划分为已知像素点和未知像素点，使上采样单元中左上角的像素点为已知像素点，即图2中格子标示出的像素点，其余像素点为未知像素点，即图2中斜线标示出的像素点；
(3)对上述已知像素点使用与下采样方法相对应的上采样方法计算，得到该已知像素点的深度值；对未知像素点的深度值的计算方法为：由该未知像素点所在的上采样单元的已知像素点的深度值与相邻的右方、下方和右下方的上采样单元的已知像素点的深度值由下式加权平均得到：
其中，已知像素点[i]表示第i个像素点，i是范围为1～4，而已知像素点[1]为该未知像素点所在上采样单元的已知像素点，而已知像素点[2]、已知像素点[3]和已知像素点[4]分别为该未知像素点的右方、下方和右下方的上采样单元的已知像素点。而权重[i]为已知像素点[i]对应的权重。
位于最右侧或者最下侧的上采样单元中的未知像素点不具有4个已知像素点进行计算，如图2中标注的右下角的上采样单元，因此有些未知像素点，就只使用与之相邻的1个或者2个已知像素点对他们的深度进行计算。
权重为归一化后的相似度，定义如下：
Figure BSA00000331345700042
Figure BSA00000331345700043
颜色差[i]＝|已知像素点[i]的颜色值-未知像素点(x，y)的颜色值|
距离[i]＝|未知像素点的行位置-已知像素点[i]的行位置|
       +|未知像素点的列位置-已知像素点[i]的列位置|
与需计算的未知像素点的颜色和位置相近的已知像素点具有较大的权重，这样就保证了属于同一个物体的像素点具有相近的深度值，从而保证了上采样后得到的边缘像素点的深度值更加的准确。
(4)根据上述各上采样单元中各像素点的深度值，得到一个初始重构深度图；
(5)对于初始重构深度图，本发明提出一个局部平滑处理。为了得到更好的视觉效果，深度图除了需要在物体的边界处有一个清晰地边界外，在物体内局部各个像素的深度值尽可能相同。如果一个位于物体内部的像素点的深度值，与这个像素点左侧和右侧像素的深度值不一致，最后产生三维视频就可能存在噪点。而利用彩色视频指导的上采样方法得到的深度图仅仅只能保证物体内部有相似的深度值。为了保证物体内部的像素点有着相同的深度值，使用如下公式进行平滑：
Figure BSA00000331345700051
其中，dl是像素点(x，y)和像素点(x-1，y)的深度值之差的绝对值，dr是像素点(x，y)和像素点(x+1，y)的深度值之差的绝对值，β为平滑阈值，β的范围分为：2～6。
以下结合图1和图2，介绍本发明的一个实施例：
本发明的目的是提出一种基于彩色视频的深度视频上采样方法，解决已有的三维立体视频编解码中生成视频码率高、编码速度慢、解码后视频噪点多的等问题。使用该编码方法，三维立体视频可以快速压缩，并且在有限的带宽下依然获得很好的视觉效果，解决在低带宽下三维视频难以传输的问题。
本发明提出的基于彩色视频的用于深度视频压缩的上采样方法可以应对多种下采样方法产生的低分辨率深度视频，例如SVC等。值得一提的是，本发明的上采样方法，对下面这种最简单的下采样方法也同样具有良好的效果。原始的下采样方法：对于输入深度视频的每一帧，仅仅保留那些在行数和列数是DR倍数的像素点，其中DR是下采样比率。例如当下采样比率取3时，得到的低分辨率深度图的大小是原始深度图大小的1/9。
然后对低分辨率的深度视频使用常用的H.246/AVC编解码器进行编解码。最后使用本发明的上采样方法，恢复深度视频的分辨率。
(1)将大小等于原始深度图的待重构深度图分割成为多个上采样单元，上采样单元的像素等于3×3；
(2)在每一个上采样单元中包含两种像素点：已知像素点，即图2中格子标示出的像素点；未知像素点，即图2中斜线标示出的像素点。已知像素点位于每一个上采样单元的左上角，且每一个上采样单元只有一个已知像素点；
(3)已知像素点的计算方法和编码时采用的下采样方法有关，使用原始的下采样方法的情况下，位于第3i行第3j列的上采样单元所包含的已知像素点的深度值，等于低分辨率视频中位于第i行第j列的像素点的深度值；一个未知像素点的深度值，由该未知像素点所在的上采样单元的已知像素点的深度值与相邻的右方、下方和右下方的已知像素点的深度值由下式加权平均得到，有些未知像素点，只使用与之相邻的1个或者2个已知像素点对他们的深度进行计算，利用已知像素点对于未知像素点的深度进行计算的公式为：
Figure BSA00000331345700061
其中，权重为归一化后的相似度，定义如下：
Figure BSA00000331345700062
Figure BSA00000331345700063
颜色差[i]＝|已知像素点[i]的颜色值-未知像素点(x，y)的颜色值|
距离[i]＝|未知像素点的行位置-已知像素点[i]的行位置|
       +|未知像素点的列位置-已知像素点[i]的列位置|
和待计算的未知像素点颜色和位置相近的已知像素点具有较大的权重，这样就保证了属于同一个物体的像素点具有相近的深度值，从而保证了上采样后得到的边缘像素点的深度值更加的准确。
(4)根据上述各上采样单元中各像素点的深度值，得到一个初始重构深度图；
(5)对于初始重构深度图，本发明提出一个局部平滑处理。为了得到更好的视觉效果，深度图除了需要在物体的边界处有一个清晰地边界外，在物体内局部各个像素的深度值尽可能相同。如果一个位于物体内部的像素点的深度值，与这个像素点左侧和右侧像素的深度值不一致，最后产生三维视频就可能存在噪点。而利用彩色视频指导的上采样方法得到的深度图仅仅只能保证物体内部有相似的深度值。为了保证物体内部的像素点有着相同的深度值，使用如下公式进行平滑：
Figure BSA00000331345700064
其中，dl是像素点(x，y)和像素点(x-1，y)的深度值之差的绝对值，dr是像素点(x，y)和像素点(x+1，y)的深度值之差的绝对值，具体实施中，选择阈值＝3。

Claims (1)

1.一种用于三维立体电视的深度视频压缩的上采样方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将大小等于原始深度图的待重构深度图分割成为多个上采样单元，上采样单元的像素等于α×α，α为下采样率，α取值范围为：2～6；
(2)对上述上采样单元中的像素点划分为已知像素点和未知像素点，使上采样单元中左上角的像素点为已知像素点，其余像素点为未知像素点；
(3)对上述已知像素点使用与下采样方法相对应的上采样方法计算，得到该已知像素点的深度值；对未知像素点的深度值的计算方法为：由该未知像素点所在的上采样单元的已知像素点的深度值与相邻的右方、下方和右下方的上采样单元的已知像素点的深度值由下式加权平均得到：
Figure FSA00000331345600011
其中，已知像素点[i]表示第i个像素点，i是范围为1～4，已知像素点[1]为该未知像素点所在上采样单元的已知像素点，已知像素点[2]、已知像素点[3]和已知像素点[4]分别为该未知像素点的右方、下方和右下方的上采样单元的已知像素点，权重[i]为已知像素点[i]对应的权重；
权重为归一化后的相似度，定义如下：
Figure FSA00000331345600012
Figure FSA00000331345600013
颜色差[i]＝|已知像素点[i]的颜色值-未知像素点(x，y)的颜色值|
距离[i]＝|未知像素点的行位置-已知像素点[i]的行位置|
       +|未知像素点的列位置-已知像素点[i]的列位置|
(4)根据上述各上采样单元中各像素点的深度值，得到一个初始重构深度图；
(5)对上述初始重构深度图进行局部平滑处理，得到重构深度图，平滑处理公式如下：
其中，dl是像素点(x，y)和像素点(x-1，y)的深度值之差的绝对值，dr是像素点(x，y)和像素点(x+1，y)的深度值之差的绝对值，β为平滑阈值，β的范围分为：2～6。
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