CN103974079A - 基于全相位双正交变换的mpeg-4简单档次编码方法和装置 - Google Patents
基于全相位双正交变换的mpeg-4简单档次编码方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法和装置，其解决了现有MPEG-4视频压缩方法在重建视频块边界处存在明显的块效应、量化表复杂且需要较大存储空间、改变压缩率时需要大量计算的技术问题，其包括Ｉ帧编码和Ｐ帧编码，Ｉ帧编码是用全相位双正交变换代替现有的二维离散余弦变换，对所有变换系数采用均一量化。本发明广泛用于视频压缩技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种视频压缩编码方法，尤其是涉及一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法和装置。
背景技术
视频压缩技术是视频处理的基础，随着网络流媒体、无线视频等新的应用的出现，人们不断对视频压缩编码技术提出新的更高的要求。MPEG-4是运动图像的压缩编码标准(见文献ISO/IEC JTC1/SC29/WG11,N2502a,Generic coding of audio-visual objects:visual14496-2)。MPEG-4简单档次将视频序列的各帧分为I帧和P帧，I帧的压缩算法主要步骤为：将图像分为8×8方块进行二维离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)、根据量化表量化、对直流系数(DC)和交流系数(AC)的预测、交流系数(AC)的扫描游程编码、哈夫曼(Huffman)熵编码等。对P帧压缩算法主要步骤为：利用当前帧和参考帧基于16×16宏块进行运动估计和运动补偿得到运动矢量(MV)和残差帧、将残差帧分为8×8方块进行二维离散余弦变换、根据量化表量化、对直流系数(DC)和交流系数(AC)的预测、交流系数(AC)的Zig-zag扫描游程编码、对运动矢量(MV)和残差帧进行哈夫曼(Huffman)熵编码等。接收端解压缩是编码的逆过程，I帧经过逆量化、逆二维离散余弦变换，得到重建I帧，P帧经过逆量化、逆二维离散余弦变换后获得重建的残差帧然后与预测帧相加得到重建的P帧。8×8方块[x]的二维离散余弦变换为[X]＝[C][x][CT]，[C]为8×8离散余弦变换矩阵，[CT]为离散余弦变换矩阵的转置，因为离散余弦变换是正交变换，所以[CT]＝[C-1]，其中[C-1]为离散余弦变换矩阵的逆，因此逆变换为[x]＝[CT][X][C]。
离散余弦变换因为在能量压缩和系数去相关方面具有很好的特性，所以很多图像和视频压缩标准都采用它进行变换。然而，离散余弦变换对于视频压缩编码来说，主要存在以下缺点：缺点之一是在低码率时，重建的图像在块边界处有明显的块效应；缺点之二是量化表比较复杂，存储量化表需要占较大的存储空间，且改变码率时，需要较复杂的计算，不便于硬件实现。
发明内容
本发明就是为了解决现有MPEG-4视频压缩方法在重建视频块边界处存在明显的块效应、量化表复杂且需要较大存储空间、改变压缩率时需要大量计算的技术问题，提供了一种大大减少块效应、省去了量化表的存储空间、大大缩短了运算时间的基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法和装置。
本发明采用全相位双正交变换法对MPEG-4简单档次的改进方法是，MPEG-4简单档次编码包括Ｉ帧和Ｐ帧编码，Ｉ帧编码用全相位双正交变换代替二维离散余弦变换，对所有变换系数采用均一量化；Ｐ帧编码采用二维离散余弦变换，使用MPEG-4标准中规定的亮度量化表和色度量化表进行量化。
全相位双正交变换法包括全相位沃尔什双正交变换(All Phase WalshBiorthogonal Transform,APWBT)、全相位离散余弦双正交变换(All PhaseDiscrete Cosine Biorthogonal Transform,APDCBT)或全相位反离散余弦双正交变换(All Phase Inverse Discrete Cosine Biorthogonal Transform,APIDCBT)三种。
本发明使用了二维全相位双正交变换，正变换为[X]＝[V][x][VT]，逆变换为[x]＝[V-1][X][(V-1)T]，其中[V]是全相位双正交变换矩阵，[VT]为全相位双正交变换矩阵的转置，[V-1]为全相位双正交变换矩阵的逆，[(V-1)T]为全相位双正交变换矩阵的逆的转置。
本发明提供一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法，包括Ｉ帧编码和Ｐ帧编码，Ｉ帧编码的过程是首先将视频序列进行全相位双正交变换，再对变换系数进行均一量化，然后进行编码输出过程。
优选地，全相位双正交变换为全相位沃尔什双正交变换、全相位离散余弦双正交变换或全相位反离散余弦双正交变换。全相位双正交变换的正变换为[X]＝[V][x][VT]，逆变换为[x]＝[V-1][X][(V-1)T]，其中[V]是全相位双正交变换矩阵，[VT]为全相位双正交变换矩阵的转置，[V-1]为全相位双正交变换矩阵的逆，[(V-1)T]为全相位双正交变换矩阵的逆的转置。
优选地，I帧编码的具体过程是：
(1)将I帧分为8×8像素块，分别进行全相位双正交变换；
(2)根据码率确定量化间隔，对变换系数进行均一量化，对量化后的系数一方面继续进行下面步骤(3)至步骤(4)的编码过程，另一方面进行逆均一量化、逆全相位双正交变换得到当前帧的重建帧并存储在帧缓存区中作为下一帧的参考帧；
(3)对直流系数和交流系数的预测以及交流系数的扫描、游程编码，如果交流系数没有预测，则选择Zig-Zag扫描方式，如果直流系数进行了水平预测，则选择竖直交替扫描方式，如果直流系数进行了垂直预测，则选择水平交替扫描方式；
(4)哈夫曼熵编码；
(5)输出压缩视频I帧比特序列；
P帧编码的具体过程是：
(1)将P帧分成16×16宏块，根据当前帧及参考帧进行运动估计和运动补偿，得到运动矢量和残差帧；
(2)将残差帧分成8×8像素块，分别进行二维离散余弦变换；
(3)对变换系数根据亮度量化表和色度量化表进行量化，对量化后的系数一方面继续进行下面步骤(4)至(5)的编码过程，另一方面进行逆量化、逆二维离散余弦变换得到重建的残差帧然后与预测帧相加得到当前帧的重建帧并存储在帧缓存区中作为下一帧的参考帧；
(4)对直流系数和交流系数的预测以及对交流系数的Zig-Zag扫描、游程编码；
(5)对运动矢量和残差帧进行哈夫曼熵编码；
(6)输出压缩视频P帧比特序列。
本发明还提供一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次解码方法，包括Ｉ帧解码和Ｐ帧解码，I帧解码的过程包括对Ｉ帧进行逆均一量化和逆全相位双正交变换，得到重建I帧，将重建I帧作为参考帧进行存储并用于下一帧的解码。
优选地，I帧解码的具体过程是：
(1)接收输入的码流，分接得到纹理数据；
(2)进行哈夫曼熵解码；
(3)交流系数的游程解码、反扫描以及对直流系数和交流系数的反预测；
(4)逆均一量化；
(5)逆全相位双正交变换得到重建的I帧并作为参考帧存储在帧缓存区中用于下一帧的解码；
P帧解码的具体过程是：
(1)接收输入码流，分接后得到运动矢量和纹理数据；
(2)对运动矢量进行变长解码，并与预测运动矢量相加得到真正的运动矢量；
(3)对纹理数据进行哈夫曼熵解码；
(4)交流系数的游程解码、反Zig-Zag扫描以及对直流系数和交流系数的反预测；
(5)根据亮度量化表和色度量化表进行逆量化；
(6)进行逆二维离散余弦变换，得到残差帧；
(7)由运动矢量和参考帧得到预测帧，然后残差帧和预测帧相加得到当前帧的重建帧，并作为参考帧存储在帧缓存区中用于下一帧的解码。
本发明还提供一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码装置，包括Ｉ帧编码装置和Ｐ帧编码装置，Ｉ帧编码装置包括：
全相位双正交变换器，被配置为将I帧分为8×8像素块，分别进行全相位双正交变换；
均一量化器，被配置为对变换系数进行均一量化；
逆均一量化器，被配置为对经过所述均一量化器量化后的系数进行逆均一量化；
逆全相位双正交变换器，被配置为对逆均一量化器输出的系数进行逆全相位双正交变换，输出重建帧；
帧缓存单元，被配置为存储逆全相位双正交变换器输出的重建帧；
熵编码器；被配置为对经过均一量化器量化后的系数中的直流系数和交流系数的预测以及交流系数的扫描、游程编码，如果交流系数没有预测，则选择Zig-Zag扫描方式，如果直流系数进行了水平预测，则选择竖直交替扫描方式，如果直流系数进行了垂直预测，则选择水平交替扫描方式；
码率控制器，被配置为根据码率确定均一量化器的量化间隔；
P帧编码装置包括：
残差帧获取器，被配置为将P帧分成16×16宏块，根据当前帧及参考帧进行运动估计和运动补偿，得到运动矢量和残差帧；
二维离散余弦变换器，被配置为将残差帧分成8×8像素块，分别进行二维离散余弦变换；
量化器，被配置为对变换系数根据亮度量化表和色度量化表进行量化；
逆量化器，被配置为对经过所述量化器量化后的系数进行逆量化；
逆二维离散余弦变换器，被配置为对所述逆量化器输出的系数进行逆二维离散余弦变换。
本发明的有益效果是：
(1)全相位双正交变换具有列率性质，即列率随行号的增大而增大，与正交变换不同的是，其幅度随列率的增大而减少，具有对高频系数进行衰减的特性，即在变换过程中已对不同频率进行了加权。所以，在量化过程中，可以采用简单的均一量化来代替复杂的量化表。
(2)在I帧编码中使用全相位双正交变换代替离散余弦变换，对所有变换系数采用均一量化，视频编码的其他步骤跟MPEG-4相同。接收端解码时，对I帧进行逆均一量化、逆全相位双正交变换得到重建I帧，其他过程与MPEG-4基本相同。本发明提出的改进MPEG-4方法与标准MPEG-4方法相比最大的优点是，由于采用均一量化，不仅省去了量化表的存储空间，而且大大缩短了运算时间，且便于硬件实现，而且该算法重建的视频的块效应大大减少，能达到与离散余弦变换基本相同的压缩效果。
本发明还提供一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次解码装置，包括Ｉ帧解码装置和Ｐ帧解码装置，其特征在于，Ｉ帧解码装置包括：
逆均一量化器，被配置为对经过哈夫曼熵解码处理的纹理数据进行逆均一量化；
逆全相位双正交变换器，被配置为将逆均一量化器输出的系数进行逆全相位双正交变换，输出重建帧。
本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是编码装置的结构框图；
图2是解码装置的结构框图；
图3是实验结果图；
图4是硬件实现的结构框图。
附图符号说明：
1.APBT器；2.均一量化器；3.逆均一量化器；4.逆APBT器；5.DCT器；6.逆DCT器；7.Q器；8.IQ器；9.熵编码器；10.码率控制器；11.缓存区；12.帧缓存区；13.分接器；14.运动补偿器；15.运动估计器；16.运动解码器。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，APBT器1表示全相位双正交变换器，负责实施全相位双正交变换。均一量化器2，负载实施均一量化的过程。逆均一量化器3，负责实施逆均一量化的过程。逆APBT器4负责实施逆全相位双正交变换的过程。DCT器5表示二维离散余弦变换器，负责实施二维离散余弦变换的过程。逆DCT器6表示逆二维离散余弦变换器，负责实施逆二维离散余弦变换的过程。Q器7表示量化器，负责实施量化的过程。IQ器8表示逆量化器，负责实施逆量化的过程。熵编码器9，负责对直流系数(DC)和交流系数(AC)的预测以及对交流系数(AC)的扫描、游程编码，对运动矢量(MV)和残差帧进行哈夫曼(Huffman)熵编码。码率控制器10，负责根据码率确定量化间隔。缓存区11用于存储压缩帧。帧缓存区12用于存储重建帧。分接器13用于接收输入码流，并将其分接成运动矢量和纹理数据。运动补偿器14负责实施运动补偿的过程。运动估计器15负责实施运动估计的过程。运动解码器16，负责对运动矢量进行变长解码。
参考图1，I帧编码过程包括以下步骤：
步骤一、将I帧分为8×8像素块，分别进行全相位双正交变换。
步骤二、根据码率确定量化间隔，对变换系数进行均一量化，对量化后的系数一方面继续进行下面步骤三至四的编码过程，另一方面进行逆均一量化、逆全相位双正交变换得到当前帧的重建帧并存储在帧缓存区中作为下一帧的参考帧。
步骤三、对直流系数(DC)和交流系数(AC)的预测以及交流系数(AC)的扫描、游程编码。如果交流系数(AC)没有预测，则选择Zig-Zag扫描方式，否则，如果直流系数(DC)进行了水平预测，则竖直交替扫描方式被采用，如果直流系数(DC)进行了垂直预测，则水平交替扫描方式被采用。
步骤四、哈夫曼(Huffman)熵编码。
步骤五、输出压缩视频I帧比特序列。
P帧编码过程包括以下步骤：
步骤一、将P帧分成16×16宏块，根据当前帧及参考帧进行运动估计和运动补偿，得到运动矢量(MV)和残差帧。
步骤二、将残差帧分成8×8像素块，分别进行二维离散余弦变换(DCT)。
步骤三、对变换系数根据MPEG-4标准中规定的亮度量化表和色度量化表进行量化(Q)，对量化后的系数一方面继续进行下面步骤四至五的编码过程，另一方面进行逆量化(IQ)、逆二维离散余弦变换(逆DCT)得到重建的残差帧然后与预测帧相加得到当前帧的重建帧并存储在帧缓存区中作为下一帧的参考帧。
步骤四、对直流系数(DC)和交流系数(AC)的预测以及对交流系数(AC)的Zig-Zag扫描、游程编码。
步骤五、对运动矢量(MV)和残差帧进行哈夫曼(Huffman)熵编码。
步骤六、输出压缩视频P帧比特序列。
参考图2，I帧解码过程包括以下步骤：
步骤一、接收输入的码流，分接得到纹理数据。
步骤二、进行哈夫曼(Huffman)熵解码。
步骤三、交流系数(AC)的游程解码、反扫描以及对直流系数(DC)和交流系数(AC)的反预测。
步骤四、逆均一量化。
步骤五、逆全相位双正交变换得到重建的I帧并作为参考帧存储在帧缓存区中用于下一帧的解码。
P帧解码过程包括以下步骤：
步骤一、接收输入码流，分接后得到运动矢量和纹理数据。
步骤二、对运动矢量进行变长解码，并与预测运动矢量相加得到真正的运动矢量。
步骤三、对纹理数据进行哈夫曼(Huffman)熵解码。
步骤四、交流系数(AC)的游程解码、反Zig-Zag扫描以及对直流系数(DC)和交流系数(AC)的反预测。
步骤五、根据MPEG-4标准中规定的亮度量化表和色度量化表进行逆量化。
步骤六、进行逆二维离散余弦变换，得到残差帧。
步骤七、由运动矢量和参考帧得到预测帧，然后残差帧和预测帧相加得到当前帧的重建帧，并作为参考帧存储在帧缓存区中用于下一帧的解码。
需要特别注意的是，I帧的扫描方式与P帧不同。对于I帧，如果交流系数(AC)没有预测，则选择Zig-Zag扫描方式，否则，如果直流系数(DC)进行了水平预测，则竖直交替扫描方式被采用，如果直流系数(DC)进行了垂直预测，则水平交替扫描方式被采用。对于P帧，Zig-Zag扫描方式被采用。
本发明对MPEG-4简单档次的改进之处是，I帧编码用全相位双正交变换代替离散余弦变换，量化方式采用均一量化代替MPEG-4中规定的复杂的量化表，视频压缩编码的其他过程与现有MPEG-4基本相同。
如图3所示，在VC++6.0环境下对本实施例的方法进行计算机仿真实验的实验结果，不同变换和量化方案下对视频序列“football”进行测试得到的亮度分量Y的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)。对大小为352×288的football.yuv视频序列在帧率为25frames/s，码率为300kbps，I帧间隔为15的情况下得到的亮度分量Y的PSNR的实验结果。
如图4所示，硬件实现基于ARM平台，视频采集及传输应用程序控制USB摄像头采集视频，读取采集到的视频进行基于APBT的MPEG-4编码后，通过网络将编码的视频数据传输出去。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法，包括Ｉ帧编码和Ｐ帧编码，其特征在于：
所述Ｉ帧编码的过程是首先将视频序列进行全相位双正交变换，再对变换系数进行均一量化，然后进行编码输出过程。
2.根据权利要求1所述的基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法，其特征在于，所述全相位双正交变换为全相位沃尔什双正交变换、全相位离散余弦双正交变换或全相位反离散余弦双正交变换。
3.根据权利要求2所述的基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法，其特征在于，所述全相位双正交变换的正变换为[X]＝[V][x][VT]，逆变换为[x]＝[V-1][X][(V-1)T]，其中[V]是全相位双正交变换矩阵，[VT]为全相位双正交变换矩阵的转置，[V-1]为全相位双正交变换矩阵的逆，[(V-1)T]为全相位双正交变换矩阵的逆的转置。
4.根据权利要求3所述的基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法，其特征在于，所述基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码方法的具体过程是：
I帧编码的具体过程是：
(1)将I帧分为8×8像素块，分别进行全相位双正交变换；
(2)根据码率确定量化间隔，对变换系数进行均一量化，对量化后的系数一方面继续进行下面步骤(3)至步骤(4)的编码过程，另一方面进行逆均一量化、逆全相位双正交变换得到当前帧的重建帧并存储在帧缓存区中作为下一帧的参考帧；
(3)对直流系数和交流系数的预测以及交流系数的扫描、游程编码，如果交流系数没有预测，则选择Zig-Zag扫描方式，如果直流系数进行了水平预测，则选择竖直交替扫描方式，如果直流系数进行了垂直预测，则选择水平交替扫描方式；
(4)哈夫曼熵编码；
(5)输出压缩视频I帧比特序列；
P帧编码的具体过程是：
(1)将P帧分成16×16宏块，根据当前帧及参考帧进行运动估计和运动补偿，得到运动矢量和残差帧；
(2)将残差帧分成8×8像素块，分别进行二维离散余弦变换；
(3)对变换系数根据亮度量化表和色度量化表进行量化，对量化后的系数一方面继续进行下面步骤(4)至(5)的编码过程，另一方面进行逆量化、逆二维离散余弦变换得到重建的残差帧然后与预测帧相加得到当前帧的重建帧并存储在帧缓存区中作为下一帧的参考帧；
(4)对直流系数和交流系数的预测以及对交流系数的Zig-Zag扫描、游程编码；
(5)对运动矢量和残差帧进行哈夫曼熵编码；
(6)输出压缩视频P帧比特序列。
5.一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次解码方法，包括Ｉ帧解码和Ｐ帧解码，其特征在于：所述I帧解码的过程包括对Ｉ帧进行逆均一量化和逆全相位双正交变换，得到重建I帧，将重建I帧作为参考帧进行存储并用于下一帧的解码。
6.根据权利要求5所述的基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次解码方法，其特征在于：
I帧解码的具体过程是：
(1)接收输入的码流，分接得到纹理数据；
(2)进行哈夫曼熵解码；
(3)交流系数的游程解码、反扫描以及对直流系数和交流系数的反预测；
(4)逆均一量化；
(5)逆全相位双正交变换得到重建的I帧并作为参考帧存储在帧缓存区中用于下一帧的解码；
P帧解码的具体过程是：
(1)接收输入码流，分接后得到运动矢量和纹理数据；
(2)对运动矢量进行变长解码，并与预测运动矢量相加得到真正的运动矢量；
(3)对纹理数据进行哈夫曼熵解码；
(4)交流系数的游程解码、反Zig-Zag扫描以及对直流系数和交流系数的反预测；
(5)根据亮度量化表和色度量化表进行逆量化；
(6)进行逆二维离散余弦变换，得到残差帧；
(7)由运动矢量和参考帧得到预测帧，然后残差帧和预测帧相加得到当前帧的重建帧，并作为参考帧存储在帧缓存区中用于下一帧的解码。
7.一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次编码装置，包括Ｉ帧编码装置和Ｐ帧编码装置，其特征在于，所述Ｉ帧编码装置包括：
全相位双正交变换器，被配置为将I帧分为8×8像素块，分别进行全相位双正交变换；
均一量化器，被配置为对变换系数进行均一量化；
逆均一量化器，被配置为对经过所述均一量化器量化后的系数进行逆均一量化；
逆全相位双正交变换器，被配置为对所述逆均一量化器输出的系数进行逆全相位双正交变换，输出重建帧；
帧缓存单元，被配置为存储所述逆全相位双正交变换器输出的重建帧；
熵编码器；被配置为对经过所述均一量化器量化后的系数中的直流系数和交流系数的预测以及交流系数的扫描、游程编码，如果交流系数没有预测，则选择Zig-Zag扫描方式，如果直流系数进行了水平预测，则选择竖直交替扫描方式，如果直流系数进行了垂直预测，则选择水平交替扫描方式；
码率控制器，被配置为根据码率确定均一量化器的量化间隔；
所述P帧编码装置包括：
残差帧获取器，被配置为将P帧分成16×16宏块，根据当前帧及参考帧进行运动估计和运动补偿，得到运动矢量和残差帧；
二维离散余弦变换器，被配置为将残差帧分成8×8像素块，分别进行二维离散余弦变换；
量化器，被配置为对变换系数根据亮度量化表和色度量化表进行量化；
逆量化器，被配置为对经过所述量化器量化后的系数进行逆量化；
逆二维离散余弦变换器，被配置为对所述逆量化器输出的系数进行逆二维离散余弦变换。
8.一种基于全相位双正交变换的MPEG-4简单档次解码装置，包括Ｉ帧解码装置和Ｐ帧解码装置，其特征在于，所述Ｉ帧解码装置包括：
逆均一量化器，被配置为对经过哈夫曼熵解码处理的纹理数据进行逆均一量化；
逆全相位双正交变换器，被配置为将所述逆均一量化器输出的系数进行逆全相位双正交变换，输出重建帧。
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