CN102158699A - 一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统 - Google Patents

Abstract

本发明实现了一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，该系统的视频增强模块在彩色、层次感及清晰度等方面优化视频保证了高清电视显示质量。本系统包括模拟视频信号输入接口和嵌入式DSP压缩编码系统，其中DSP压缩编码系统包括视频分析系统、视频增强系统和视频压缩编码系统。视频分析系统包括场景检测模块，和色彩检测模块；视频增强系统包括亮度增强模块、色彩增强模块及参数自适应模块；视频压缩编码系统包括动态码率调整模块、视频压缩模块。本发明通过DSP芯片编程实现一个嵌入式的视频压缩编码系统，通过对压缩算法的改进实现了高清电视节目的流畅播放，为今后提供了更多更好的应用建立了良好的基础，符合了智能家居发展的方向。

Description

一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统

技术领域

本发明涉及图像高清显示领域，尤其涉及一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统。

背景技术

高清电视(HDTV)问世于20世纪90年代，其主要特点是高分辨率、环绕立体声和影院效果的享受。由于上述这些优点，高清电视已经在部分发达国家普及。随着中国人民生活水平的提高，国民对电视或者DVD等音像产品的要求也越来越高，高清电视凭借其优势近几年也在中国掀起热潮。作为电视技术发展的热点，高清电视的技术实现得到各方面的关注。

与民众的高清电视的热情相比，国内现阶段的高清电视技术在实现上的表现差强人意，其主要存在几个缺点：其一，国内关于高清电视的标准不统一，信号数据即使在进行了数字电视转换以后，电视台发射的仍旧是标清的信号，而家中的机顶盒，也仅能满足标清信号的接收；其二，“高清”不高清，现在的高清数字信号分辨率足够，但是由于对数字信号进行放大处理，其局部清晰度及色彩因此有所失真，影响观看效果；其三，高清数字电视节目容量非常大，因此对视频的压缩算法的要求非常高，否则会导致播放不流畅问题。

针对上述的问题，一般有两种解决思路：一种从硬件方面着手，通过加强机顶盒的数据处理能力及容量，此种方法成本需求很大；另一种则是通过嵌入一个模块对原始数据进行相关处理，加强高清显示质量。

发明内容

有鉴于此，本发明基于色彩增强技术和视频压缩编码技术，实现了一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，在彩色、层次感及清晰度等方面优化视频保证了高清电视显示质量，实现了对机顶盒的嵌入改进，更好的满足了用户对高清数字电视机顶盒娱乐，实现了家庭电器智能化。本发明是这样实现的：

一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，包括：

模拟视频信号输入接口，用于实现模拟视频信号输入及转换到数字视频信号。

嵌入式DSP压缩编码系统，用于实现视频分析，图像增强及视频压缩功能。

上述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，所述DSP芯片包括视频分析系统、视频增强系统和视频压缩编码系统；

所述视频分析系统，包括以下模块：

场景检测模块，负责视频场景的检测和分析；

色彩检测模块，负责视频色彩的检测和分析；

所述的视频增强系统，包括以下模块：

亮度增强模块，负责视频的亮度增强；

色彩增强模块，负责视频的色彩增强，使视频达到高清要求；

参数自适应模块，负责视频的调整参数的自适应变化；

所述的视频压缩编码系统，包括以下模块：

动态码率调整模块，负责动态调整视频编码的码率；

视频压缩模块，用于压缩经过色彩增强的模块，通过算法改进更好实现视频压缩；

所述的场景检测模块，其主要特征在于：首先对数字视频图像进行16x16的均匀分块(宏块)，以一个16x16的视频像素块作为计算单元，对每个16x16的视频像素块的Y分量计算平均值，表示为mean_16[i][j]，其中i表示宏块的行索引，j表示宏的列索引。当mean_16[i][j]小于127时，该宏块认为是正常亮度场景宏块，当正常亮度场景宏块个数大于或等于当前视频帧所有宏块的7/8时，当前视频帧图像认为是正常亮度场景图像，图像标记为N图像，否则，是偏暗亮度场景图像，图像标记为D图像。

所述的色彩检测模块，其主要特征在于：视频序列开始时，取视频序列的第一帧作为模型起点，建立UV色差坐标模型M(U，V)，此后，根据所述场景检测模块的计算结果，对在时间轴方向的数字视频序列进行不均匀抽样以动态更新模型。当最邻近3帧内N图像的出现次数大于或等于2次时，取该3帧图像作为计算目标，3帧图像两两作像素点UV色差差分，并更新M(U，V)为M0(U0，V0)，而模型M0(U0，V0)中记录的U分量和V分量差分值的平均值，记住MEAN(UV)，作为当前图像帧的色彩差分。

亮度增强模块，场景检测模块计算出的结果，对预设的Gamma参数进行校准后。当场景检测模块检测结果是N图像时，Gamma参数设置为0.9，检测结果是D图像时，Gamma参数设置为1.1。然后使用Gamma校正算法对当前图像帧的Y分量进行处理。

所述的色彩增强模块，由色彩检测模块计算出的结果，对预设的Gamma参数进行校准后，建立颜色转换空间表，然后作以下三个步骤的处理：首先，使用Gamma非线性较正分别较正当前图像帧的Y分量、U分量和V分量；其次，使用Gamma较正对当前图像帧的Y、U、V三个分量进行调整，其中采用分段调整方法，当分量Y的亮度值大于权值175时，使用Gamma校正进行高值对比度拉伸，当分量Y的亮度值大于权值85而小于175时，使用Gamma校正进行中值对比度拉伸，当分量Y的亮度值小于85时，使用Gamma校正进行低值对比度拉伸；最后，根据颜色转换空间表，通过查表得出当前色调及饱和度的集中处，综合计算U和V分量的权重，使用权重对当前图像帧的相应位置的U和V分量进行补偿。

所述的动态码率调整模块：对目标视频序列的U、V分量的色调和饱和度进行多模型建立历史记录模型，并建立一个回归曲线，然后对当前图像帧的Y分量进行梯度级的纹理复杂度分析，对U、V分量跟历史记录模型进行对比，如果当前图像帧的与模型的差异不在回归曲线范围内，则认为当前图像帧的色调和饱和度相对比较复杂，纹理复杂度乘以权重1.5，否则纹理复杂度不作处理。

所述的视频压缩编码模块：

1)针对于嵌入式DSP实现，最高支持720P 25FPS的实时视频压缩编码。

2)符合H.264/AVC视频压缩编码标准基线级别，仅采用I帧和P帧编码，并采用按帧的量化参数模式，设置初始量化参数baseQP为26，根据权利要求10所述的动态码率调整模块算出的纹理复杂度，baseQP除以纹理复杂度即为实际编码中一组图像的GOP初始参数。

3)采用预分析的编码模式确定方法，当前图像是编码I帧图像时，使用4x4块划分的方法对当前图像帧作帧内预测。当前图像是编码P帧图像时，对当前图像帧使用16x16的分块方式进行计算，计算出每一块的Y分量的像素平均值及整帧图像帧的像素平均值mean，如果当前块的Y分量像素平均值与mean的绝对差小于阈值6，当前块则被认为是平滑块，使用16x16的编码方式进行编码，否则，当前块使用4x4的编码方式进行编码。

4)采用多slice group(片组)的编码方法，把编码工作分到多个DSP核当中。从上到下，上半部分图像编码为slice0，下半部分编码成slice1，slice0和slice1互相独立，一帧图像输出两个slice。

本发明的有益效果如下：

1、本发明实现了一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，该系统的视频增强模块在彩色、层次感及清晰度等方面优化视频保证了高清电视显示质量。

2、本发明通过DSP芯片编程实现一个嵌入式的视频压缩编码系统，通过对压缩算法的改进实现了高清电视节目的流畅播放。

3.本发明实现的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，为今后提供了更多更好的应用建立了良好的基础，符合了智能家居发展的方向。

附图说明

图1是本发明所述系统的整体模块框架图；

图2是本发明所述系统各个模块之间的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是本发明所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统的整体模块框图，本系统包括模拟视频信号输入接口和嵌入式DSP压缩编码系统，其中DSP压缩编码系统包括视频分析系统、视频增强系统和视频压缩编码系统；

所述视频分析系统，包括以下模块：

场景检测模块，负责视频场景的检测和分析；

色彩检测模块，负责视频色彩的检测和分析；

所述的视频增强系统，包括以下模块：

亮度增强模块，负责视频的亮度增强；

色彩增强模块，负责视频的色彩增强，使视频达到高清要求；

参数自适应模块，负责视频的调整参数的自适应变化；

所述的视频压缩编码系统，包括以下模块：

动态码率调整模块，负责动态调整视频编码的码率；

视频压缩模块，用于压缩经过色彩增强的模块，通过算法改进更好实现视频压缩；

所述的场景检测模块，其主要特征在于：首先对数字视频图像进行16x16的均匀分块(宏块)，以一个16x16的视频像素块作为计算单元，对每个16x16的视频像素块的Y分量计算平均值，表示为mean_16[i][j]，其中i表示宏块的行索引，j表示宏的列索引。当mean_16[i][j]小于127时，该宏块认为是正常亮度场景宏块，当正常亮度场景宏块个数大于或等于当前视频帧所有宏块的7/8时，当前视频帧图像认为是正常亮度场景图像，图像标记为N图像，否则，是偏暗亮度场景图像，图像标记为D图像。

所述的色彩检测模块，其主要特征在于：视频序列开始时，取视频序列的第一帧作为模型起点，建立UV色差坐标模型M(U，V)，此后，根据根据权利要求3所述的场景检测模块的计算结果，对在时间轴方向的数字视频序列进行不均匀抽样以动态更新模型。当最邻近3帧内N图像的出现次数大于或等于2次时，取该3帧图像作为计算目标，3帧图像两两作像素点UV色差差分，并更新M(U，V)为M0(U0，V0)，而模型M0(U0，V0)中记录的U分量和V分量差分值的平均值，记住MEAN(UV)，作为当前图像帧的色彩差分。

所述的亮度增强模块，其主要特征在于：由权利要求3中的场景检测模块计算出的结果，对预设的Gamma参数进行校准后。当场景检测模块检测结果是N图像时，Gamma参数设置为0.9，检测结果是D图像时，Gamma参数设置为1.1。然后使用Gamma校正算法对当前图像帧的Y分量进行处理。

所述的色彩增强模块，其主要特征在于：由权利要求3中的色彩检测模块计算出的结果，对预设的Gamma参数进行校准后，建立颜色转换空间表，然后作以下三个步骤的处理：首先，使用Gamma非线性较正分别较正当前图像帧的Y分量、U分量和V分量；其次，使用Gamma较正对当前图像帧的Y、U、V三个分量进行调整，其中采用分段调整方法，当分量Y的亮度值大于权值175时，使用Gamma校正进行高值对比度拉伸，当分量Y的亮度值大于权值85而小于175时，使用Gamma校正进行中值对比度拉伸，当分量Y的亮度值小于85时，使用Gamma校正进行低值对比度拉伸；最后，根据颜色转换空间表，通过查表得出当前色调及饱和度的集中处，综合计算U和V分量的权重，使用权重对当前图像帧的相应位置的U和V分量进行补偿。

所述的动态码率调整模块，其主要特征在于：对目标视频序列的U、V分量的色调和饱和度进行多模型建立历史记录模型，并建立一个回归曲线，然后对当前图像帧的Y分量进行梯度级的纹理复杂度分析，对U、V分量跟历史记录模型进行对比，如果当前图像帧的与模型的差异不在回归曲线范围内，则认为当前图像帧的色调和饱和度相对比较复杂，纹理复杂度乘以权重1.5，否则纹理复杂度不作处理。

所述的视频压缩编码模块，其主要特征在于：

1)针对于嵌入式DSP实现，最高支持720P 25FPS的实时视频压缩编码。

2)符合H.264/AVC视频压缩编码标准基线级别，仅采用I帧和P帧编码，并采用按帧的量化参数模式，设置初始量化参数baseQP为26，根据权利要求10所述的动态码率调整模块算出的纹理复杂度，baseQP除以纹理复杂度即为实际编码中一组图像的GOP初始参数。

3)采用预分析的编码模式确定方法，当前图像是编码I帧图像时，使用4x4块划分的方法对当前图像帧作帧内预测。当前图像是编码P帧图像时，对当前图像帧使用16x16的分块方式进行计算，计算出每一块的Y分量的像素平均值及整帧图像帧的像素平均值mean，如果当前块的Y分量像素平均值与mean的绝对差小于阈值6，当前块则被认为是平滑块，使用16x16的编码方式进行编码，否则，当前块使用4x4的编码方式进行编码。

4)采用多slice group(片组)的编码方法，把编码工作分到多个DSP核当中。从上到下，上半部分图像编码为slice0，下半部分编码成slice1，slice0和slice1互相独立，一帧图像输出两个slice。

需要说明的是，图2是本发明所述系统各个模块之间工作的流程图。上述装置和系统内的各模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明上述装置实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，包括：

模拟视频信号输入接口，用于实现模拟视频信号输入及转换到数字视频信号；

嵌入式DSP压缩编码系统，用于视频分析、图像增强及视频压缩；所述嵌入式DSP压缩编码系统包括视频分析系统、视频增强系统和视频压缩编码系统。

2.根据权利要求1所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述视频分析系统包括：

场景检测模块，用于视频场景的检测和分析；

色彩检测模块，用于视频色彩的检测和分析。

3.根据权利要求1所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述图像增强系统包括：

亮度增强模块，用于视频的亮度增强；

色彩增强模块，用于视频的色彩增强，使视频达到高清要求；

参数自适应模块，用于视频的调整参数的自适应变化。

4.根据权利要求1所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述视频压缩编码系统包括：

动态码率调整模块，用于动态调整视频编码的码率；

视频压缩编码模块，用于压缩经过色彩增强的模块，通过算法改进更好实现视频压缩。

5.根据权利要求2所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述场景检测模块进一步包括：

首先对数字视频图像进行16x16的均匀分块为宏块，以一个16x16的视频像素块作为计算单元，对每个16x16的视频像素块的Y分量计算平均值，表示为mean_16[i][j]，其中i表示宏块的行索引，j表示宏的列索引；当mean_16[i][j]小于127时，该宏块认为是正常亮度场景宏块，当正常亮度场景宏块个数大于或等于当前视频帧所有宏块的7/8时，当前视频帧图像认为是正常亮度场景图像，图像标记为N图像，否则，是偏暗亮度场景图像，图像标记为D图像。

6.根据权利要求2所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述色彩检测模块进一步包括：

视频序列开始时，取视频序列的第一帧作为模型起点，建立UV色差坐标模型M(U，V)，此后，根据所述场景检测模块的计算结果，对在时间轴方向的数字视频序列进行不均匀抽样以动态更新模型；当最邻近3帧内N图像的出现次数大于或等于2次时，取该3帧图像作为计算目标，3帧图像两两作像素点UV色差差分，并更新M(U，V)为M0(U0，V0)，而模型M0(U0，V0)中记录的U分量和V分量差分值的平均值，记住MEAN(UV)，作为当前图像帧的色彩差分。

7.根据权利要求3所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述亮度增强模块进一步包括：

根据所述场景检测模块计算出的结果，对预设的Gamma参数进行校准；当场景检测模块检测结果是N图像时，Gamma参数设置为0.9，检测结果是D图像时，Gamma参数设置为1.1；然后使用Gamma校正算法对当前图像帧的Y分量进行处理。

8.根据权利要求3所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述色彩增强模块进一步包括：

由所述色彩检测模块计算出的结果，对预设的Gamma参数进行校准后，建立颜色转换空间表，然后作以下三个步骤的处理：

首先，使用Gamma非线性较正分别较正当前图像帧的Y分量、U分量和V分量；

其次，使用Gamma较正对当前图像帧的Y、U、V三个分量进行调整，其中采用分段调整方法，当分量Y的亮度值大于权值175时，使用Gamma校正进行高值对比度拉伸，当分量Y的亮度值大于权值85而小于175时，使用Gamma校正进行中值对比度拉伸，当分量Y的亮度值小于85时，使用Gamma校正进行低值对比度拉伸；

最后，根据颜色转换空间表，通过查表得出当前色调及饱和度的集中处，综合计算U和V分量的权重，使用权重对当前图像帧的相应位置的U和V分量进行补偿。

9.根据权利要求4所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述动态码率调整模块进一步包括：

对目标视频序列的U、V分量的色调和饱和度进行多模型建立历史记录模型，并建立一个回归曲线，然后对当前图像帧的Y分量进行梯度级的纹理复杂度分析，对U、V分量跟历史记录模型进行对比，如果当前图像帧的与模型的差异不在回归曲线范围内，则认为当前图像帧的色调和饱和度相对比较复杂，纹理复杂度乘以权重1.5，否则纹理复杂度不作处理。

10.根据权利要求4所述的带有图像增强功能的嵌入式视频压缩编码系统，其特征在于，所述视频压缩编码模块进一步包括：

1)针对于嵌入式DSP实现，最高支持720P 25FPS的实时视频压缩编码；

2)符合H.264/AVC视频压缩编码标准基线级别，仅采用I帧和P帧编码，并采用按帧的量化参数模式，设置初始量化参数baseQP为26，根据权利要求10所述的动态码率调整模块算出的纹理复杂度，baseQP除以纹理复杂度即为实际编码中一组图像的GOP初始参数；

3)采用预分析的编码模式确定方法，当前图像是编码I帧图像时，使用4x4块划分的方法对当前图像帧作帧内预测。当前图像是编码P帧图像时，对当前图像帧使用16x16的分块方式进行计算，计算出每一块的Y分量的像素平均值及整帧图像帧的像素平均值mean，如果当前块的Y分量像素平均值与mean的绝对差小于阈值6，当前块则被认为是平滑块，使用16x16的编码方式进行编码，否则，当前块使用4x4的编码方式进行编码；

4)采用多slice group(片组)的编码方法，把编码工作分到多个DSP核当中。从上到下，上半部分图像编码为slice0，下半部分编码成slice1，slice0和slice1互相独立，一帧图像输出两个slice。

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