CN107483850A - 一种低延迟的高清数字图像传输方法 - Google Patents

一种低延迟的高清数字图像传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低延迟的高清数字图像传输方法。一种低延迟的高清数字图像传输方法，发送端对待传输的图像，采用RGB三原色不断从上到下，从左到右的方式进行分块扫描，并对分块扫描获得的分块数据进行压缩编码后形成封包向接收端传输，接收端收到封包后，对封包数据进行解码，并将分块数据还原到原来的位置获得高清数字图像。本发明的有益效果是：极大地减小了收发两端图像的相对延迟，其值仅为一个区块的扫描输入和输出时间加上区块编解码用时以及传输链路耗时。

Description

一种低延迟的高清数字图像传输方法
技术领域
本发明涉及一种低延迟的高清数字图像传输方法，主要包含一种自定义的图像划分及码率限制方法，用于解决图像传输时收发两端相对延时不够低的问题。
背景技术
随着时代的发展，诸如无人机，机器人等需要实时操控的场景应用越来越多，在这些场景下，通常都有图像实时回传，并用于观察作为远程操控的依据，在这个时候就要求回传图像清晰且传输延迟低，以便于准确快速地操控。
模拟图传虽然传输延迟低，但抗干扰能力差和图像清晰度不足，使得其应用非常受限；而抗干扰能力强，图像质量好的数字图传就是图像回传的较好选择，但现在最主流的方案是视频DSP数字信号处理器编解码(如H.264)加数(如无线局域网)传，这种方法限于编解码算法(如H.264)的特点，如帧间压缩和运动估计等，主流产品的延迟一般都在100毫秒以上，甚至是秒级，这样在实时性要求高的场合，会带来极大的负面影响；还有另一种则是无压缩的传输方案，如WIHD(无线高清)等，虽然能解决延迟问题，但受限于无压缩带来的高传输数据速率，使得其传输距离等受到了很大限制。
发明内容
本发明的目的是：针对背景技术中已有的图传方案的不足，结合现有编解码技术和传输方式的特点，提出一种能大幅降低数字图像传输延迟，同时能进行一定比率压缩的方法，平衡解决数字图传延迟高和无损传输数据率过高的矛盾。
本发明所采用的技术方案是：一种低延迟的高清数字图像传输方法，发送端对待传输的图像，采用RGB三原色不断从上到下，从左到右的方式进行分块扫描，并对分块扫描获得的分块数据进行压缩编码后形成封包向接收端传输，接收端收到封包后，对封包数据进行解码，并将分块数据还原到原来的位置获得高清数字图像；分块扫描过程中，每行扫描M*N个像素点，每扫描N行便横向划分为一个区块，这个区块又可以再分为M个N*N方块，M和N都为正整数；
显然，以这种方式进行编解码(压缩编码和解码)联合传输，收发两端输入与输出的图像的相对延迟，仅为一个区块的扫描输入和输出时间加上区块编解码等处理用时以及传输链路传输封包数据耗时，因为我们已知输入输出图像的时序格式是固定的，还有发端的图像块处理过程要在下一个块获得前完成，所以总相对延迟最大为原图像输入N行耗时的4倍加上封包在链路传输耗时，相对于一整帧图像来说，这是一个很低的值。
对分块扫描获得的分块数据进行压缩编码后形成封包的过程包括以下步骤：
步骤一、把分块扫描获得的每个N*N方块进行颜色空间转换，从RGB三原色色彩空间转成YUV亮度色度色彩空间，获得YUV数据方阵X,
R,G,B和Y,U,V为对应像素点的值；
步骤二、对YUV数据方阵X别进行二维DCT变换，即二维离散余弦变换，使用矩阵乘法的方式，得到频率系数矩阵Y,
Y＝C*X*CT，C为离散余弦变换的系数矩阵，CT为C的转置；
A＝cos(PI/4)，B＝cos(PI/8)，C＝sin(PI/8)，D＝cos(PI/16)，E＝cos(3*PI/16)，F＝sin(3*PI/16)，G＝sin(PI/16)；
步骤三、分别对频率系数矩阵进行量化，即除以量化矩阵，量化矩阵使用缺省的亮度或色度量化矩阵，得到标准排列方式矩阵；
步骤四、对量化后得到的矩阵进行ZigZag扫描排序，即Z字形状排序，矩阵左上角为低频，右下角为高频，序号从低频到高频曲折依次递增；
步骤五、为每个方块建立3个空缓冲区，即建立M*3个空缓冲区，分别用于YUV对应的处理后数据；
步骤六、分别对YUV对应的三个排序后矩阵的直流DC系数，即第一个矩阵的直流DC系数，ZigZag序号为0，进行差分脉冲调制编码，取区块的第一个N*N方块的DC系数作为参考值，并转换为(S，V)格式表示，S为长度，V为DC差值，第一个系数时为参考值，然后对S做哈夫曼编码，V做VLI编码，哈夫曼编码表和VLI编码均采用缺省值表，并分别把数据放入对应的空缓冲区，DC差值为当前DC系数值减前一个DC系数值；
步骤七、分别对YUV对应的三个排序后矩阵的交流AC系数在整个区块范围内，即ZigZag编号1到63，按照AC系数值的大小，从大到小选取AC系数值，每选一次，则把该AC值转换为(L，S)(V)的格式表示，L为0的行程，S为该AC系数值长度，V为AC值，并对(L，S)做哈夫曼编码，对V做VLI编码，所用的哈夫曼编码表和VLI编码均采用缺省值表，并把数据放入对应的缓冲区，然后统计所有M个缓冲区的数据的总大小，若分别达到设定值，则打包发送进行链路传输，否则重复以上操作，按YUV的顺序依次进行，如果在下一分块数据到来前未完成，则直接结束处理进行封包发送；
对封包数据进行解码的过程按照如下步骤进行：
步骤八、接收到封包后，按照对应的哈夫曼编码和VLI编码码表进行解码，并分别进行反ZigZag扫描，恢复为量化后的标准排列方式矩阵；
步骤九、对标准排列方式矩阵乘以量化矩阵恢复为频率系数矩阵，并进行二维IDCT，即二维离散余弦反变换变换，恢复为YUV数据方阵X；
步骤十：把YUV方块颜色空间变换回RGB颜色空间，并按照接口时序扫描输出图像数据，完成一个区块后，重复进行以上步骤八到步骤十。
本发明的有益效果是：极大地减小了收发两端图像的相对延迟，其值仅为一个区块的扫描输入和输出时间加上区块编解码用时以及传输链路耗时，且图像进行了压缩，传输码率可控，本发明得到了传输相对延时低且能进行一定比例压缩的方案，且实现的复杂度较低。。
附图说明
图1为本发明的图像数据封包传输方式示意图；
图2为本发明的图像编解码及码率控制方法示意图；
图3为本发明的缺省亮度Y和色度UV量化矩阵(8*8)；
图4为本发明的ZigZag扫描排序序号；
图5为本发明的缺省亮度DC值哈夫曼编码表；
图6为本发明的缺省色度DC值哈夫曼编码表；
图7为本发明的缺省VLI编码表；
图8为本发明的缺省亮度AC值哈夫曼编码表(第一页)；
图9为本发明的缺省色度AC值哈夫曼编码表(第二页)；
图10为本发明的缺省色度AC值哈夫曼编码表(第三页)；
图11为本发明的缺省色度AC值哈夫曼编码表(第四页)；
图12为本发明的压缩数据包的封包格式。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
首先说的是本发明的总体架构，即图像数据传输封包方式，如图1所示，源RGB图像不断以从上到下，从左到右的方式分块扫描输入，设每行有M*N个像素点，每输入N行便横向划分为一个区块，这个区块又可以再分为M个N*N方块，并对分块扫描获得的分块数据进行压缩编码后形成封包向接收端传输，接收端收到封包马上对封包数据进行解码，并扫描输出该区块的图像到其原来的位置。显然，以这种方式进行编解码联合传输，收发两端输入与输出的图像的相对延迟，仅为一个区块的扫描输入和输出时间加上区块编解码等处理用时以及传输链路传输封包数据耗时，因为我们已知输入输出图像的时序格式是固定的，还有发端的图像块处理过程要在下一个块获得前完成，所以总相对延迟最大为原图像输入N行耗时的4倍加上封包在链路传输耗时，相对于一整帧图像来说，这是一个很低的值。
要注意的是，源RGB输入是附合某种时序要求，比如VESA(视频电子标准协会)标准里的一种。分割区块时要标序号，序号从1到输入格式高除以N，N为正整数，在这里我们默认设N为8。
然后是本发明的图像编解码及封包大小控制方法，如图2所示，其步骤为：
对分块扫描获得的分块数据进行压缩编码后形成封包的过程包括以下步骤：
步骤一：把按第一个方面中方法划分得的每个N*N(8*8)方块进行颜色空间转换，从RGB色彩空间转到YUV(YCrCb)色彩空间，公式如下：
式中矩阵元素R，G，B和Y，U，V为对应像素点的值
步骤二：对所得的YUV方块数据X进行DCT变换，使用矩阵乘法的方式，得到频率系数矩阵Y，公式如下：
Y＝C*X*CT
(此表达式为二维离散余弦变换公式的矩阵形式，C为离散余弦变换的系数矩阵，X为待变换的空间数据阵列，Y为变换得到的频率系数据阵，CT为C的转置)
A＝cos(PI/4)，B＝cos(PI/8)，C＝sin(PI/8)，D＝cos(PI/16)，
E＝cos(3*PI/16)，F＝sin(3*PI/16)，G＝sin(PI/16)
A-G为离散余弦变换的系数矩阵中的几个常数在当阶数为8(N＝8)时的值
步骤三：分别对频率系数矩阵进行量化，即除以量化矩阵(矩阵每个元素除以量化矩阵中相同位置的元素)，这里量化矩阵使用缺省的亮度Y和色度UV量化矩阵(8*8)，见图3，获得标准排列方式矩阵；
步骤四：对标准排列方式矩阵进行ZigZag扫描排序，即Z字形状排序，即矩阵左上角为低频，右下角为高频分量，序号从低频到高频曲折依次递增，见图4；
步骤五：为每个方块建立3个空缓冲区，即建立M*3(M为正整数)个空缓冲区,每个缓冲区M大小根据设定码率确定；所述的步骤五中，如设亮度码率为Hbit/s(H为正数)，设根据数字图像的时序可以知一个区块扫描时间为Ts(T为正数),那么缓冲区大小就为H*Tbit，所设的3个码率和必需小于传输链路码率减去封包的其他特殊部份数据率；
步骤六：分别对YUV三个排序后矩阵的DC系数，即第一个(ZigZag序号为0)，进行差分脉冲调制编码，取区块的第一个N*N方块的DC系数值作为参考值,DC差值就是当前DC系数值减前一个DC系数值。并转换为(S,V)格式表示，S为长度，V为DC差值(第一个系数时为参考值)，然后对S做哈夫曼编码，V做VLI编码，哈夫曼编码表(亮度见图5，色度见图6)和VLI编码均采用缺省值表(见图7)，并分别把数据放入对应的空缓冲区；
步骤七：分别对YUV三个排序后矩阵的AC系数在整个区块范围内(ZigZag编号1到63)，按照AC系数值的大小，从大到小选取AC系数值，每选一次，则把该AC值转换为(L,S)(V),L为0的行程，S为该AC系数值长度，V为AC值，并对(L,S)做哈夫曼编码，对V做VLI编码，哈夫曼编码表(亮度对应见图8和图9，色度对应见图10和11)和VLI编码(见图7)，均采用缺省值表，并把数据放入对应的缓冲区，然后统计所有M个缓冲区的数据的总大小，若达到设定值，则打包发送进行链路传输，数据包格式如图12，包头标志和结束标志为特定字符，区块序号为步骤一获得的区块在源输入中的位置，否则重复以上步骤七的操作。
所述的步骤七中，若0的行程超过16，则用(15,0)来表示16个0，直到小于16个为止；当方块结束时，用(0,0)表示。
所述的步骤七中，M个缓冲区的总大小由用户设定，但是上限为步骤五提到的传输链路码率减去封包的其他特殊部份数据率。
对封包数据进行解码的过程按照如下步骤进行：
步骤八：接收端从链路检测到封包包头后，开始接收到封包，同时开始计时，直到检测到包尾结束，若检测不到包尾而计时超过一个区块的扫描时间，则直接结束，收到的包数据按照对应的哈夫曼编码和VLI编码码表进行解码(图5至图11)，并分别进行反ZigZag扫描，空缺的位置元素用0填充，恢复为原量化后的标准排列方式；
步骤九：对恢复为原量化后的标准排列方式的矩阵的每个元素乘以量化矩阵(见图3)对应位置的元素，得到的乘积按对应顺序排列则为频率系数矩阵；
对频率系数矩阵，分别进行二维IDCT(二维离散余弦反变换)变换，恢复为YUV方块数据；
X＝C-1*Y*(CT)-1
(此表达式为二维离散余弦反变换公式的矩阵形式，C-1为离散余弦反变换的系数矩阵，Y为待反变换的频率系数据阵，X为变换得到的空间数据阵列，(CT)-1为CT的转置，此处C与前面步骤二中C相等)
步骤十：把YUV方块颜色空间变换回RGB,并按照接口时序扫描输出图像数据，完成一个区块后，重复进行以上所有步骤，要注意的是，上述所有步骤一到七总耗时要小于数字接口输入一个区块的时间。
式中矩阵元素R,G,B和Y,U,V为对应像素点的值
所述的步骤十中，RGB扫描输出时序和前文所述输入接口时序一致，比如同VESA标准里的一种，如果在输出完一个区块，而在步骤八中没检测到新的包头导致没有新的RGB数据生成，那么新区块输出全为黑，即RGB都为0。

Claims (1)

1.一种低延迟的高清数字图像传输方法，其特征在于：发送端对待传输的图像，采用RGB三原色不断从上到下，从左到右的方式进行分块扫描，并对分块扫描获得的分块数据进行压缩编码后形成封包向接收端传输，接收端收到封包后，对封包数据进行解码，并将分块数据还原到原来的位置获得高清数字图像；分块扫描过程中，每行扫描M*N个像素点，每扫描N行便横向划分为一个区块，这个区块又可以再分为M个N*N方块，M和N都为正整数；
对分块扫描获得的分块数据进行压缩编码后形成封包的过程包括以下步骤：
步骤一、把分块扫描获得的每个N*N方块进行颜色空间转换，从RGB三原色色彩空间转成YUV亮度色度色彩空间，获得YUV数据方阵X,
R,G,B和Y,U,V为对应像素点的值；
步骤二、对YUV数据方阵X别进行二维DCT变换，即二维离散余弦变换，使用矩阵乘法的方式，得到频率系数矩阵Y,
Y＝C*X*CT，C为离散余弦变换的系数矩阵，CT为C的转置；
A＝cos(PI/4)，B＝cos(PI/8)，C＝sin(PI/8)，D＝cos(PI/16)，E＝cos(3*PI/16)，F＝sin(3*PI/16)，G＝sin(PI/16)；
步骤三、分别对频率系数矩阵进行量化，即除以量化矩阵，量化矩阵使用缺省的亮度或色度量化矩阵；
步骤四、对量化后得到的矩阵进行ZigZag扫描排序，即Z字形状排序，矩阵左上角为低频，右下角为高频，序号从低频到高频曲折依次递增；
步骤五、为每个方块建立3个空缓冲区，即建立M*3个空缓冲区，分别用于YUV对应的处理后数据；
步骤六、分别对YUV对应的三个排序后矩阵的直流DC系数，即第一个矩阵的直流DC系数，ZigZag序号为0，进行差分脉冲调制编码，取区块的第一个N*N方块的DC系数作为参考值，并转换为(S,V)格式表示，S为长度，V为DC差值，第一个系数时为参考值，然后对S做哈夫曼编码，V做VLI编码，哈夫曼编码表和VLI编码均采用缺省值表，并分别把数据放入对应的空缓冲区，DC差值为当前DC系数值减前一个DC系数值；
步骤七、分别对YUV对应的三个排序后矩阵的交流AC系数在整个区块范围内，即ZigZag编号1到63，按照AC系数值的大小，从大到小选取AC系数值，每选一次，则把该AC值转换为(L,S)(V)的格式表示，L为0的行程，S为该AC系数值长度，V为AC值，并对(L,S)做哈夫曼编码，对V做VLI编码，所用的哈夫曼编码表和VLI编码均采用缺省值表，并把数据放入对应的缓冲区，然后统计所有M个缓冲区的数据的总大小，若分别达到设定值，则打包发送进行链路传输，否则重复以上操作，按YUV的顺序依次进行，如果在下一分块数据到来前未完成，则直接结束处理进行封包发送；
对封包数据进行解码的过程按照如下步骤进行：
步骤八、接收到封包后，按照对应的哈夫曼编码和VLI编码码表进行解码，并分别进行反ZigZag扫描，恢复为量化后的标准排列方式矩阵；
步骤九、对标准排列方式矩阵乘以量化矩阵恢复为频率系数矩阵，并进行二维IDCT，即二维离散余弦反变换变换，恢复为YUV数据方阵X；
步骤十：把YUV方块颜色空间变换回RGB颜色空间,并按照接口时序扫描输出图像数据，完成一个区块后，重复进行以上步骤八到步骤十。
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