CN104378653B - 一种视频块划分方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种视频块划分方法及装置，其中，所述方法包括将视频分辨率为H*V的原始视频中连续的F帧作为一个GOP画面组，对所述每个GOP单独进行3D DCT三维离散余弦变换，得到F帧二维DCT系数矩阵；所述F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减。利用DCT系数的幅值分布规律，综合考虑前后帧不同的幅值分布特性来划分视频块，提高视频接收质量。
Description
技术领域
本发明涉无线高清视频传输领域，尤其涉及一种视频块划分方法及装置。
背景技术
近年来无线视频组播传输受到人们广泛关注。传统的点对点传输方案要求发送端了解接收端的信道条件，选择相应的编码调制方案达到最好的接收效果。但在组播场景下，这种方案很容易产生“滑坡”现象，即信噪比小于某一门限后，接收质量急剧下降。
2009年，美国学者S.Jakubczak和D.Katabi提出一种名为SoftCast的传输方案。与传统方案不同的是，SoftCast采取无损压缩有损传输。在发送端，首先，对原始信号进行3DDCT(离散余弦变换)，消除视频帧的时间冗余和空间冗余；然后，将变换后的系数划分为大小相等的视频块(chunk)，并以块为单位对每个视频块内的系数进行加权，实现功率分配和不均等差错保护；第三步，进行哈达玛变换，保证每个传输包的能量和重要性相等；最后，对变换后的系数做近似模拟调制的稠密QAM星座映射。上述步骤均为线性变换，保证了信道中实际传输的信号和原始视频像素值呈线性关系，因此视频的接收质量只取决于当前用户自身的信道条件，避免了“滑坡”现象。不过，DCT变换后的系数在从直流分量向低频和高频分量过渡时幅值会急剧降低，分布不均匀。SoftCast采用的均等视频块划分方案没有考虑这一规律，为获得理想的功率分配和差错保护效果就需要把每个视频块划分得足够小，因此会产生大量需要传输的元数据消耗信道资源(因为元数据数量与视频块的数目保持正比关系)。
为此，有一种二维自适应划分视频块的方法被提出，可以明显减少获得同样传输性能时所需要的视频块数量。但是该方法复杂度很高，需要针对每一帧视频数据反复迭代才能得到最佳划分方案。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种视频块划分方法及装置，实现提高视频接收质量。
本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：
一种视频块划分方法，包括：
将视频分辨率为H*V的原始视频中连续的F帧作为一个GOP画面组，对所述每个GOP单独进行3D DCT，得到F帧二维DCT系数矩阵；
所述F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减。
一种视频块划分装置，包括：
3D DCT变换单元，用于将视频分辨率为H*V的原始视频中连续的F帧作为一个GOP画面组，对所述每个GOP单独进行3D DCT，得到F帧二维DCT系数矩阵；
视频块划分单元，用于所述F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，利用DCT系数的幅值分布规律，综合考虑前后帧不同的幅值分布特性来划分视频块，提高视频接收质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例视频块划分方法的流程示意图。
图2为本发明实施例视频块划分装置的构成示意图。
图3为本发明实施例视频块划分方法的原理框图。
图4为本发明实施例视频块划分方法中视频块对角划分示意图。
图5为本发明实施例视频块划分方法与现有技术均等划分方法、自适应划分方法的性能对比图。
图6为本发明实施例视频块划分方法与现有技术均等划分方法的性能对比图。
具体实施方式
下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种视频块划分方法，包括：
11、将视频分辨率为H*V的原始视频中连续的F帧作为一个GOP(Group ofPictures，画面组)，对所述每个GOP单独进行3D DCT(3Dimension Discrete CosineTransform，三维离散余弦变换)，得到F帧二维DCT系数矩阵；
12、所述F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，根据DCT系数的幅值不均匀分布规律，对二维DCT系数矩阵做不均等的对角划分，并将其扩展到3D DCT场景下，改善视频接收质量，且复杂度低。
本发明实施例视频块划分方法的执行主体可以为视频发送端。
本领域技术人员可以理解，假设原始视频分辨率为H*V，每帧视频用一个H*V的二维矩阵表示，其中每个元素代表一个像素值。定义连续的F帧为一个GOP(Group ofPictures)，并对每个GOP单独进行3D DCT。对每个GOP单独进行3D DCT变换之后得到频域上的一个H*V*F三维矩阵，其中每个元素对应3D DCT变换之后的一个频域系数。为便于说明，将这个频域上的三维矩阵表示成F帧二维DCT系数矩阵。
由视频特性可知，在每个二维DCT系数矩阵中，从低频变化到高频时系数幅值下降明显；同时整个二维DCT系数矩阵的平均能量也在逐帧递减。
本领域技术人员可以理解，F帧的个数不做严格限制，考虑到3DDCT变换的计算复杂，F取值区间为1-6。
具体的，F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减，可以包括：
在每帧二维DCT系数矩阵内，按对角线折半确定视频块边界；
根据视频块边界，得到“L”形视频块以及方形视频块(如，按对角线折半之后的右下半部分系数作为一个“L”形视频块，左上半部分系数作为一个方形视频块)；
在方形视频块内继续按对角线折半确定视频块边界；
直至将二维DCT系数矩阵划分为分配数目的视频块。
其中，根据预设的F帧二维DCT系数矩阵的视频块总数以及每帧二维DCT系数矩阵内视频块数目逐帧递减，确定为每帧二维DCT系数矩阵分配的视频块数目。
可见，每帧二维DCT系数矩阵内，最终得到的将是一个方形视频块和若干个“L”形视频块。
参见现有技术均等视频块划分方法，示例性的，每一帧图像的分辨率为256*256，图像为灰度图像，每个像素点的系数代表像素亮度。指定4帧为一个GOP，则一个GOP中的DCT系数组成一个256*256*4的三维矩阵，对于3D DCT变换后的3维系数矩阵，每帧图像被划分为8*8个视频块，每个视频块包含32*32个像素，将每个视频块转化为一列，即xi[k]，k＝1,2,3,…,32*32。
现有技术均等视频块划分方法没有考虑到系数幅值的不均匀分布特性。实际上，多数视频块系数的幅值较为接近，尤其是大量高频分量几乎都趋近于零，这些系数的重要性很低，可以合并为一个视频块。因此视频块的数量可以减少，相应地减少待传输的元数据，节约信道资源；或者在维持视频块数不变的前提下，提高视频传输质量。
本发明实施例视频块划分方法，将一个GOP对应的F帧二维DCT系数矩阵划分成较小的视频块，以便于后续处理。考虑到二维DCT系数矩阵的平均能量逐帧递减，分配给每帧的视频块数目也保持逐帧递减趋势，例如后一帧比前一帧的视频块数始终少一或少二。进一步地，在每一帧内，按对角线向上逐次进行对半划分，以产生所需数量的视频块。
以图4为例，考虑到一个GOP内帧间系数的分布规律是从第一帧向第四帧幅值逐步递减，所以对系数相对较大的第一帧划分应最为细致，之后可以逐帧减少每帧包含的视频块数目。若需要划分共14个视频块，可以分别分配5,4,3,2个视频块给四个视频帧，若需划分共16个视频块，可以分别分配6,5,3,2个或6,4,4,2个视频块，具体分配情况不做硬性规定，可以视情况自行分配。
仍以图4为例，按对角线向上逐次对半划分的方法(可以简称对角划分方法)：
假设每个视频帧的分辨率为W*W，在每帧DCT系数矩阵内，按对角线折半确定视频块边界,则每个视频帧内的划分边界依次为W/2,W/4,W/8…,每次根据划分边界将一个矩形视频块划分为两部分：右下部分系数作为一个“L”形视频块42，然后在左上部分矩阵41内继续按对角线进行折半，直至获得所需数目的视频块。
经过实验比较，在视频块总数相同的前提下，逐帧减少视频块数时获得的视频接收质量要好于每帧保持相同视频块数的情况。
可选的，本发明实施例视频块划分方法，还可以包括：
为每个视频块内的所有二维DCT系数分配一个加权系数gi：
其中，λi＝E[xi 2]为视频块i的能量，μi＝E[yi 2]为功率调节后视频块i的能量，λj＝E[xj 2]为视频块j的能量，P为发送信号功率上界，M为视频块总数，ωj为视频块j内的二维DCT系数占一个GOP内所有二维DCT系数的比例，。
也就是，不同视频块的系数取值相差很大，譬如最左上角的视频块能量远大于其他视频块，因此重要性也高于其他视频块，发生丢包将产生严重的后果。因此，采用系数加权去控制每个视频块的发送功率，以此实现错误保护的目的。
具体的，以视频块为单位对DCT系数进行功率加权，以实现差错保护。每个视频块内的所有DCT系数使用同一个加权系数(scaling factor)。
假设xi是代表第i个视频块的列向量，其中xi[k],k＝1,2,...,K代表视频块i中的每个DCT系数，假设第i个视频块的调节系数为gi，则yi[k]＝xi[k]*gi。
对于本发明实施例视频块划分方法，采取一种按对角线向上逐次对半划分方式，假定接收端使用LLSE(linear least square estimation，线性最小二乘估计)解码，接收信号的均方误差为：
其中，ωi为视频块i内的系数占所有系数的比例。定义λi＝E[xi 2]为视频块i的能量，μi＝E[yi 2]为功率调节后视频块i的能量，并假定P为发送信号功率上界。
为求解可使均方误差最小化的加权系数，可定义如下优化问题：
Minimize
Subject toandμi≥0
引入拉格朗日因子：分别令μi和γ的偏分为0，最终得到：
可选的，本发明实施例视频块划分方法，还可以包括：
每个视频块内加权后相邻的一对二维DCT系数映射到QAM(Quadrature AmplitudeModulation，正交振幅调制)符号的实部和虚部上作为复信号传输。
也就是，直接将加权后相邻的一对DCT系数映射成实际在信道上传输的一个复信号，比如将yi[k],yi[k+1]映射成yi[k]+jyi[k+1]。
假设DCT系数采用8比特量化，则可以将这种映射方式理解成稠密的64kQAM映射，使得传输的信号值和原始像素值之间保持线性关系。
进一步，通过信道传输信号，示例行的，基于OFDM物理层，将映射后的复信号分配到64个并行子载波上，然后通过高斯白噪声信道传输。
为了便于理解，对于接收端，采取LLSE解码方式，假设发送信号为yi[k]＝xi[k]*gi，接收信号为其中n[k]是随机噪声。
定义λi为第i个视频块的方差，σ2是噪声方差，则LLSE方式解码出的原始信号为：
其中，代表译码后的第i个视频块的第k个系数。
综上可见，本发明实施例视频块划分方法，利用DCT系数幅值的不均匀分布特征，将视频块不均等划分扩展到三维空间，并对每帧图像按对角线向上逐次对半划分。这种对半划分方式既符合视频的DCT系数分布规律，划分复杂度又很低。
本发明实施例视频块划分方法，相比现有技术均等划分方案视频接收质量有明显改善，复杂度接近。在同等信道条件下，本发明实施例视频块划分方法相比于现有技术均等划分方式可以将接收性能提高2dB左右。
本发明实施例视频块划分方法相比现有技术自适应划分方案则大大降低了复杂度。
如图2所示，对应上述实施例的视频块划分方法，本发明实施例提供一种视频块划分装置，包括：
3D DCT变换单元21，用于将视频分辨率为H*V的原始视频中连续的F帧作为一个GOP画面组，对所述每个GOP单独进行3D DCT，得到F帧二维DCT系数矩阵；
视频块划分单元22，用于所述F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，根据DCT系数的幅值不均匀分布规律，对二维DCT系数矩阵做不均等的对角划分，并将其扩展到3D DCT场景下，改善视频接收质量，且复杂度低。
本发明实施例视频块划分装置可以单独设置或者与视频发送端设置于一体。
本领域技术人员可以理解，假设原始视频分辨率为H*V，每帧视频用一个H*V的二维矩阵表示，其中每个元素代表一个像素值。定义连续的F帧为一个GOP(Group ofPictures)，并对每个GOP单独进行3D DCT。对每个GOP单独进行3D DCT变换之后得到频域上的一个H*V*F三维矩阵，其中每个元素对应3D DCT变换之后的一个频域系数。为便于说明，将这个频域上的三维矩阵表示成F帧二维DCT系数矩阵。
由视频特性可知，在每个二维DCT系数矩阵中，从低频变化到高频时系数幅值下降明显；同时整个二维DCT系数矩阵的平均能量也在逐帧递减。
视频块划分单元，具体可以用于：
在每帧二维DCT系数矩阵内，按对角线折半确定视频块边界；
根据视频块边界，得到“L”形视频块以及方形视频块(如，按对角线折半之后的右下半部分系数作为一个“L”形视频块，左上半部分系数作为一个方形视频块)；
在方形视频块内继续按对角线折半确定视频块边界；
直至将二维DCT系数矩阵划分为分配数目的视频块。
其中，根据预设的F帧二维DCT系数矩阵的视频块总数以及每帧二维DCT系数矩阵内视频块数目逐帧递减，确定为每帧二维DCT系数矩阵分配的视频块数目。
可见，每帧二维DCT系数矩阵内，最终得到的将是一个方形视频块和若干个“L”形视频块。
本发明实施例视频块划分装置，还可以包括：
功率加权单元，用于为每个视频块内的所有二维DCT系数分配一个加权系数gi：
其中，M为视频块总数，ωj为视频块j内的二维DCT系数占一个GOP内所有二维DCT系数的比例，λi＝E[xi 2]为视频块i的能量，μi＝E[yi 2]为功率调节后视频块i的能量，λj＝E[xj 2]为视频块j的能量，P为发送信号功率上界。
本发明实施例视频块划分装置，还可以包括：
稠密星座映射单元，用于每个视频块内加权后相邻的一对二维DCT系数映射到QAM正交振幅调制符号的实部和虚部上作为复信号传输。
本发明实施例视频块划分装置，利用DCT系数幅值的不均匀分布特征，将视频块不均等划分扩展到三维空间，并对每帧图像按对角线向上逐次对半划分。这种对半划分方式既符合视频的DCT系数分布规律，划分复杂度又很低。
本发明实施例视频块划分装置，相比现有技术均等划分方案视频接收质量有明显改善，复杂度接近。在同等信道条件下，本发明实施例视频块划分装置相比于现有技术均等划分方式可以将接收性能提高2dB左右。
本发明实施例视频块划分装置相比现有技术自适应划分方案则大大降低了复杂度。
如图3所示，本发明实施例视频块划分方法包括：
31、线性3D DCT变换：
每一帧图像的分辨率为256*256，图像为灰度图像，每个像素点的系数代表像素亮度。指定4帧为一个GOP，则一个GOP中的DCT系数组成一个256*256*4的三维矩阵，3D DCT将该矩阵变换到频域，左上角的值为直流分量，向右下角依次为低频分量，高频分量。
高频分量记录图像的细节信息，并且系数值比较小，如果需要做图像压缩可以根据信道条件丢弃部分高频分量。
32、视频块划分：
将一个GOP对应的F帧二维DCT系数矩阵划分成较小的视频块，以便于后续处理。考虑到二维DCT系数矩阵的平均能量逐帧递减，分配给每帧的视频块数目也保持逐帧递减趋势，例如后一帧比前一帧的视频块数始终少一或少二。进一步地，在每一帧内，按对角线向上逐次进行对半划分，以产生所需数量的视频块。
每个视频块的方差、均值和加权系数都需要作为元数据传输给接收端。
33、功率加权：
不同视频块的系数取值相差很大，譬如最左上角的视频块能量远大于其他视频块，因此重要性也高于其他视频块，发生丢包将产生严重的后果。
采用系数加权去控制每个视频块的发送功率，以此实现错误保护的目的。
34、稠密星座映射：
直接将加权后相邻的一对DCT系数映射成实际在信道上传输的一个复信号，比如将yi[k],yi[k+1]映射成yi[k]+jyi[k+1]。
假设DCT系数采用8比特量化，则可以将这种映射方式理解成稠密的64kQAM映射。该方式使得传输的信号值和原始像素值之间保持线性关系。
35、信道传输：
通过信道传输信号，基于OFDM物理层，将映射后的复信号分配到64个并行子载波上，然后通过高斯白噪声信道传输。
36、LLSE解码：
接收端采取LLSE解码方式，假设发送信号为yi[k]＝xi[k]*gi，接收信号为其中n[k]是随机噪声。定义λi为第i个视频块的方差，σ2是噪声方差，则LLSE方式解码出的原始信号为：
其中代表译码后的第i个视频块的第k个系数。
37、反向线性3D DCT变换：
对进行反向线性3D DCT变换。
如图4所示，在每帧DCT系数矩阵内，按对角线折半确定视频块边界。折半之后的右下半部分系数作为一个“L”形视频块，然后在左上半部分矩阵内继续按对角线进行折半，直至获得所需数目的视频块。
最终得到的将是一个方形视频块41和若干个“L”形视频块42。
考虑到一个GOP内帧间系数的分布规律是从第一帧向第四帧幅值逐步递减，所以对系数相对较大的第一帧划分应最为细致，之后可以逐帧减少每帧包含的视频块数目。
经过实验比较，如果保持总视频数不变，逐帧减少视频块数时获得的视频接收质量要好于每帧保持相同视频块数的情况。
如图5所示，为本发明实施例视频块划分方法的仿真结果对比图，采用PSNR(PeakSignal to Noise Ratio，峰值信噪比)评判接收视频质量。
图5中，表示现有技术均等划分方法；表示现有技术自适应划分方法；表示本发明实施例视频块划分方法。
在本仿真实例中，每个GOP划分的视频块总数为16。
从图5中可以看出，在划分的视频块总数相同时，本发明实施例视频块划分方法相比现有技术均等划分方法时的峰值信噪比大约提高2dB，本发明实施例视频块划分方法相比现有技术自适应划分方法性能稍差。
如图6所示，为接收视频实例，对比可以看出，本发明实施例视频块划分方法(右图)接收视频清晰度明显好于现有技术均等划分方法接收视频(左图)。
在实现复杂度上，本发明实施例对角划分方法与现有技术均等划分方法的复杂度接近，直接根据视频块总数M即可确定视频块划分边界，运算复杂度为Ο(M)；
现有技术自适应划分方法则需要计算比较每个视频块的平均能量，且反复迭代，运算复杂度为Ο(N)，其中N为图像中像素点的个数。这说明本发明实施例对角划分方法与现有技术自适应划分方法的复杂度差距明显，且随着图像分辨率和视频块数目增加，这种差距将进一步增大。
仿真时间也从侧面验证了上述分析的合理性，本发明实施例对角划分方法的仿真时间仅为0.0062秒，现有技术自适应划分方法需要1.5789秒，现有技术均等划分方法需要0.0151秒。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种视频块划分方法，其特征在于，包括：
将视频分辨率为H*V的原始视频中连续的F帧作为一个GOP画面组，对所述每个GOP单独进行3D DCT三维离散余弦变换，得到F帧二维DCT系数矩阵；
所述F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减，具体包括：
在每帧二维DCT系数矩阵内，按对角线折半确定视频块边界；
根据所述视频块边界，得到L形视频块以及方形视频块；
在所述方形视频块内继续按对角线折半确定视频块边界；
直至将所述二维DCT系数矩阵划分为分配数目的视频块；
其中，根据预设的F帧二维DCT系数矩阵的视频块总数以及每帧二维DCT系数矩阵内视频块数目逐帧递减，确定为每帧二维DCT系数矩阵分配的视频块数目。
2.如权利要求1所述的视频块划分方法，其特征在于，所述视频块划分方法，还包括：
为每个视频块内的所有二维DCT系数分配一个加权系数gi：
<mrow>
<msub>
<mi>g</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mfrac>
<msub>
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<mo>=</mo>
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<mi>i</mi>
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<msqrt>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
</mrow>
其中，M为视频块总数，ωj为视频块j内的二维DCT系数占一个GOP内所有二维DCT系数的比例，λi＝E[xi 2]为视频块i的能量，μi＝E[yi 2]为功率调节后视频块i的能量，λj＝E[xj 2]为视频块j的能量，P为发送信号功率上界。
3.如权利要求2所述的视频块划分方法，其特征在于，所述视频块划分方法，还包括：
每个视频块内加权后相邻的一对二维DCT系数映射到QAM正交振幅调制符号的实部和虚部上作为复信号传输。
4.一种视频块划分装置，其特征在于，包括：
3D DCT变换单元，用于将视频分辨率为H*V的原始视频中连续的F帧作为一个GOP画面组，对所述每个GOP单独进行3D DCT，得到F帧二维DCT系数矩阵；
视频块划分单元，用于所述F帧二维DCT系数矩阵在每帧内按对角线向上逐次对半划分为视频块，且视频块数目满足逐帧递减；
其中，所述视频块划分单元具体用于：
在每帧二维DCT系数矩阵内，按对角线折半确定视频块边界；
根据所述视频块边界，得到L形视频块以及方形视频块；
在所述方形视频块内继续按对角线折半确定视频块边界；
直至将所述二维DCT系数矩阵划分为分配数目的视频块；
其中，根据预设的F帧二维DCT系数矩阵的视频块总数以及每帧二维DCT系数矩阵内视频块数目逐帧递减，确定为每帧二维DCT系数矩阵分配的视频块数目。
5.如权利要求4所述的视频块划分装置，其特征在于，所述视频块划分装置，还包括：
功率加权单元，用于为每个视频块内的所有二维DCT系数分配一个加权系数gi：
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<msqrt>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
</mrow>
其中，M为视频块总数，ωj为视频块j内的二维DCT系数占一个GOP内所有二维DCT系数的比例，λi＝E[xi 2]为视频块i的能量，μi＝E[yi 2]为功率调节后视频块i的能量，λj＝E[xj 2]为视频块j的能量，P为发送信号功率上界。
6.如权利要求5所述的视频块划分装置，其特征在于，所述视频块划分装置，还包括：
稠密星座映射单元，用于每个视频块内加权后相邻的一对二维DCT系数映射到QAM正交振幅调制符号的实部和虚部上作为复信号传输。
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