CN110392266A - 一种基于伪视频序列的光场视频编码方法和终端设备 - Google Patents

一种基于伪视频序列的光场视频编码方法和终端设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于伪视频序列的光场视频编码方法和终端设备，方法包括：由光场相机获取光场图像，选取所述光场图像中的中心视点子图像，其余所述子图像为邻域子图像；采用多视图编码方法对所述中心视点子图像进行编码；根据所述邻域子图像与已经编码的所述中心视点子图像得到残差；并采用多视图编码方法对所述残差进行编码。在结合MVC的基础上进一步利用了光场视频中子图像之间的冗余信息来进行编码，可进一步提升编码效率；进而减小光场视频在存储传输过程中的文件大小，有利于光场视频技术应用在未来AR、MR技术中的发展。

Description

一种基于伪视频序列的光场视频编码方法和终端设备
技术领域
本发明涉及广场编码技术领域，尤其涉及一种基于伪视频序列的光场视频编码方法和终端设备。
背景技术
在当前VR、AR等虚拟现实技术火热的大环境下，以及这些技术在电影行业、视频内容行业的广阔前景，吸引了大量研究者和公司企业投入到虚拟现实技术的研究中。现在这些技术仍处于早期，而在这些技术中一个关键的概念就是光场。
由1846年法拉第给出的光场的定义，光场指光在每一个方向通过每一个点的光量，5维全光学理论(The 5D plenoptic function)就是由这个定义发展而来。这个理论吸引了学术界和产业界的广泛关注，而根据这个理论研发出来的光场相机，例如Lytro，最大的特点就是在拍照时不需要对焦，拍照完成后可以在PC端手动选择焦点以得到最令人满意的照片。Lytro相机在主镜头和成像传感器之间插入了一个透镜阵列，光线通过主镜头和小透镜后被成像传感器记录，得益于透镜阵列，光线的方向信息也被记录。
一张光场图片记录的信息量大，其体积是普通照片的数倍，不利于存储和传输，因此需要高效的压缩方法对其编码，这个问题吸引来了众多研究学者进行研究。目前主要的研究方向有两个：1.对单张光场图片进行编码。2.对由多张光场图片生成的伪视频序列即光场视频进行编码。
当前针对光场视频编码的常用方法是MVC(Multi-view Video Coding)，即多视图编码，它可以充分利用光场中视图之间的相关性来提升编码效率，但是MVC编码方法中未充分利用子图像之间的相关性进行编码。
在当前AR、VR、MR开始崭露头角的大环境下，越来越多的研究者、公司企业(如facebook)投入大量资源进行研究与开发。而光场与AR、VR、MR等都具有非常紧密的联系，确立好光场编码的标准对未来虚拟现实技术的发展与普及具有不可估量的作用，而确立光场编码的标准则需要研究者们的大量工作，提出最有效的编码方法。
发明内容
本发明为了解决现有技术中编码效率不够高的问题，提供一种基于伪视频序列的光场视频编码方法和终端设备。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种基于伪视频序列的光场视频编码方法，包括如下步骤：S1：由光场相机获取光场图像，选取所述光场图像中的中心视点子图像，其余所述子图像为邻域子图像；S2：采用多视图编码方法对所述中心视点子图像进行编码；S3：根据所述邻域子图像与已经编码的所述中心视点子图像得到残差；并采用多视图编码方法对所述残差进行编码。
优选地，所述光场相机为Lytro第二代光场相机。
优选地，所述光场图像包括15*15的所述子图像，将所述子图像划分成5*5＝25个块。
优选地，在所述25个块中，4个块因去除无效子图像后处于所述块中的9个子图像的几何中心的子图像为无效子图像，在所述块的有效子图像中再次选取处于几何中心的子图像作为中心视点子图像，所述无效子图像为亮度低包含有效信息少的子图像；对于其余21个所述块，选取所述块中处于9个子图像几何中心的子图像作为中心视点子图像。
优选地，对所述中心视点子图像的空域采用MVC预测结构，即为每个所述中心视点子图像代表的视角应用MVC预测结构，一张所述光场图的中心视点子图像之间相互参考。
优选地，对至少一张所述光场图像的时域应用MVC预测结构，即为对至少一张所述光场图像中对应位置的所述中心视点子图像应用MVC预测结构，所述光场图像对应视角的所述中心视点子图像之间相互参考。
优选地，对所述残差的时域或空域应用MVC预测结构进行编码。
优选地，对编码后的所述基于伪视频序列的光场视频进行反向操作解码得到原始的所述基于伪视频序列的光场视频。
本发明还提供一种基于伪视频序列的光场视频编码终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一所述方法的步骤。
本发明再提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述方法的步骤。
本发明的有益效果为：提供一种基于伪视频序列的光场视频编码方法和终端设备，通过在一张光场图像得到的众多子图像中选取部分子图像为中心视点子图像，对其采用MVC方法进行编码；随后将中心视点子图像的领域子图像与已经编码的中心视点子图像相减得到残差，再次采用MVC方法对残差进行编码，对光场图像之间的相关性进行充分的分析并加以利用，可进一步提升编码效率；进而减小光场视频在存储传输过程中的文件大小，有利于光场视频技术应用在未来AR、MR技术中的发展。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于伪视频序列的光场视频编码方法示意图。
图2是本发明实施例中一张由原始光场图像得到的子图像的示意图。
图3是本发明实施例中编码方法中子图像划分的示意图。
图4是本发明实施例中一种基于伪视频序列的光场视频编码终端设备示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，本发明主要针对MVC编码方法中未充分利用子图像之间的相关性进行编码方法创新，对光场图像之间的相关性进行充分的分析并加以利用。提供一种基于伪视频序列的光场视频编码方法，具体包括如下步骤：
S1：由光场相机获取光场图像，选取所述光场图像中的中心视点子图像，其余所述子图像为邻域子图像；
S2：采用多视图编码方法对所述中心视点子图像进行编码；
S3：根据所述邻域子图像与已经编码的所述中心视点子图像得到残差；并采用多视图编码方法对所述残差进行编码。
在本发明的一种具体的实施例中，上述的光场图像都是由Lytro第二代光场相机拍摄，该光场相机拍摄的光场图像的子图像数量都为225，这是由其相机结构决定的。另外，该光场相机也是目前光场编码研究领域所采用的最多的。
如图2所示的由一张光场图像得到的子图像中，子图像数量为15*15＝225，由于在四个角上的子图像的亮度过低导致包含的有效信息极少，因此在编码过程中弃用四个角上以及四周最外围的部分子图像。
具体情况见图3，图3为图2子图像的示意图，图3中白色方格部分即为弃用的子图像。最终在实际编码中一张光场图只采用剩下的165个子图像。不同光场相机拍摄的光场图像的子图像数量可能不同，但都会存在部分子图像含有的有效信息极少的情况，实验中都要求去除这部分子图像，数量由其具体情况而定。
本申请提出的编码方法的核心原理是：在一张光场图像得到的众多子图像中，选取部分子图像为中心视点子图像，对其采用MVC方法进行编码。随后将中心视点子图像的领域子图像与已经编码的中心视点子图像相减得到残差，再次采用MVC方法对残差进行编码。编码对象是多张光场图的子图像组成的光场视频，在编码时有两种方式应用MVC预测结构：一是对时域；二是对空域。
另外，在解码过程中按照上述方法反向操作就能恢复出原始视频。
如图3所示，将15*15的子图像划分成5*5＝25个块(图3中粗黑色线条)，每个块包含9个子图像。在25个块中，4个块因去除无效子图像后处于该块中9个子图像的几何中心的子图像为无效子图像，因而在该块的有效子图像中再次选取处于几何中心的子图像作为中心视点子图像；对于其他21个普通块，选取该块中处于9个子图像几何中心的子图像作为中心视点子图像。一个“中心视点子图像”(图3中为黑色方格)和与之相邻的2或5或8个有效子图像(图3中灰色方格表示的子图像)。第一步先将中心视点子图像进行编码：n张光场图像包含n*25个中心视点子图像，对空域应用MVC预测结构即为对25个中心视点子图像代表的视角应用MVC预测结构，一张光场图的25个中心视点子图像之间相互参考，时域上为n帧；对时域应用MVC预测结构即为对n张光场图中对应位置的中心视点子图像应用MVC预测结构，n张光场图对应视角的中心视点子图像之间相互参考，此处时域上为25帧。第二步将已经编码的中心视点子图像的领域有效子图像与之相减得到残差，一张光场图得到140个残差，相应地也可以对时域或者空域应用MVC预测结构进行编码：一张光场图的140个视角间相互参考，时域上为n帧；或n张光场图对应视角间相互参考，时域上为140帧。
以编码30张原始光场图像且对空域应用MVC预测结构为例，具体的编码流程是：
1.每张原始光场图像得到25个中心视点子图像，30张原始光场图像得到30×25＝750个中心视点子图像，一个中心视点子图像位置对应一个视图，所以得到25个视图每个视图30帧的视频，即25个视频，每个包含30帧。使用HTM16.2-dev的HEVC-MV即多视图编码方法对其进行编码。
2.每个块中中心视点子图像的有效领域子图像减去已经编码的中心视点子图像得到残差子图像，一张原始光场子图像得到140个残差子图像，30张共得到30×140张，所以共得到140个视图每个视图30帧的视频，即140个残差视频，每个视频包含30帧，对其使用HTM16.2-dev的HEVC-MV进行编码。
3.在恢复原图像时将残差图像加回到中心视点子图像可得到完整图像。这种编码方法的好处在于，一方面，通过分块选取中心视点子图像，块中其余有效领域子图像减去中心视点子图像的方式充分利用了临近子图像之间的相关性，导致残差图像能量较小，利于编码；另一方面，采用目前编码效果较好的MVC的编码方法，充分利用视图之间的相关性，利于提升编码效果。
如表1所示，在同样的客观质量下，采用本发明的方法和现有技术中的MVC编码方法分别对6组实验材料进行了实验得到码率节省情况，其中6组实验材料分别为：赛车、鲜花、魔方、套娃、玩具和树。这6组实验材料的光场图像都为30帧，且都由Lytro第二代相机拍摄。表中的结果百分值为提出的方法相对于参考的方法实现的码率的改变，结果为“正”即码率增加，编码效果变坏，为“负”则码率减小，编码效果变好。由实验结果可知，本发明的方法大大提升了编码效果。
表1实验对比结果
如图4所示，本发明一实施例提供的基于伪视频序列的光场视频编码终端设备的示意图。该实施例的基于伪视频序列的光场视频编码终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如由光场相机获取光场图像，选取所述光场图像中的中心视点子图像，其余所述子图像为邻域子图像的程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个基于伪视频序列的光场视频编码方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S1-S3。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各单元的功能，例如：由光场相机获取光场图像，选取所述光场图像中的中心视点子图像，其余所述子图像为邻域子图像；采用多视图编码方法对所述中心视点子图像进行编码；根据所述邻域子图像与已经编码的所述中心视点子图像得到残差；并采用多视图编码方法对所述残差进行编码。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个单元，所述一个或者多个单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述基于伪视频序列的光场视频编码终端设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成:中心视点子图像和邻域子图像获取模块，中心视点子图像编码模块，残差编码模块。各模块具体功能如下：由光场相机获取光场图像，选取所述光场图像中的中心视点子图像，其余所述子图像为邻域子图像；采用多视图编码方法对所述中心视点子图像进行编码；根据所述邻域子图像与已经编码的所述中心视点子图像得到残差；并采用多视图编码方法对所述残差进行编码。
所述基于伪视频序列的光场视频编码终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述基于伪视频序列的光场视频编码终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是基于伪视频序列的光场视频编码终端设备的示例，并不构成对基于伪视频序列的光场视频编码终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述基于伪视频序列的光场视频编码终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述基于伪视频序列的光场视频编码终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个基于伪视频序列的光场视频编码终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述基于伪视频序列的光场视频编码终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
所述基于伪视频序列的光场视频编码终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：由光场相机获取光场图像，选取所述光场图像中的中心视点子图像，其余所述子图像为邻域子图像；
S2：采用多视图编码方法对所述中心视点子图像进行编码；
S3：根据所述邻域子图像与已经编码的所述中心视点子图像得到残差；并采用多视图编码方法对所述残差进行编码。
2.如权利要求1所述的基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，所述光场相机为Lytro第二代光场相机。
3.如权利要求2所述的基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，所述光场图像包括15*15的所述子图像，将所述子图像划分成5*5＝25个块。
4.如权利要求3所述的基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，在所述25个块中，4个块因去除无效子图像后处于所述块中的9个子图像的几何中心的子图像为无效子图像，在所述块的有效子图像中再次选取处于几何中心的子图像作为中心视点子图像，所述无效子图像为亮度低包含有效信息少的子图像；
对于其余21个所述块，选取所述块中处于9个子图像几何中心的子图像作为中心视点子图像。
5.如权利要求1所述的基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，对所述中心视点子图像的空域采用MVC预测结构，即为每个所述中心视点子图像代表的视角应用MVC预测结构，一张所述光场图的中心视点子图像之间相互参考。
6.如权利要求1所述的基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，对至少一张所述光场图像的时域应用MVC预测结构，即为对至少一张所述光场图像中对应位置的所述中心视点子图像应用MVC预测结构，所述光场图像对应视角的所述中心视点子图像之间相互参考。
7.如权利要求1所述的基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，对所述残差的时域或空域应用MVC预测结构进行编码。
8.如权利要求1所述的基于伪视频序列的光场视频编码方法，其特征在于，对编码后的所述基于伪视频序列的光场视频进行反向操作解码得到原始的所述基于伪视频序列的光场视频。
9.一种基于伪视频序列的光场视频编码终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一所述方法的步骤。
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