CN1914925B - 为了在移动网络上传输而进行的图像压缩 - Google Patents

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Abstract

一种方法和装置用于执行使移动电话能够降低由移动电话传输的图像的比特率的方法。此方法首先移除原始图像帧的一部分，从而在图像帧内创建死簇。然后死簇被数据填充以创建一个比特率低于原始图像帧的新图像帧。然后编码新图像帧，这样在传输期间它需要的带宽将少于原始图像帧。

Description

为了在移动网络上传输而进行的图像压缩
背景技术
现有的蜂窝和无线系统正在向更加支持多媒体业务的方向发展。特别是，大多数移动装置拥有嵌入式的照相机或者具有可以接上并使用照相机附件的能力。这使个人间的视频通信变得可能，包括视频剪辑和图像的交换，实时视频会议对话。但是，现有的蜂窝网络的状态并没有利用相对较高的数据率，这限制了它们相当大的品质、功能性或两者同时都被限制。即使在下一代的网络中，更高的带宽将保持为关键的资源，任何努力去有效利用带宽的技术都是有益的。
概述
本发明专注于具有普通的，也就是说完全静止的背景的某个主体的图像或视频剪辑的情形。这样的数据通常在作为多媒体消息(MMS)被发送前或在实时视频电话对话期间被编码(例如对于图像编码为jpeg，对于视频剪辑或视频电话比特流则编码为H.263或mpeg-4)。本发明示例了如何使用一种独特且具有新颖性的已有算法的结合来降低最终产生的图像数据的比特流的比特率。
为了实现这个目的，移动电话包括一个处理器，一个处理器可读存储介质和记录在处理器可读存储介质内的代码。记录在处理器可读存储介质内的代码包括移去一个原始图像帧的一部分，以在这个图像帧内创建死簇(dead cluster)的代码。然后死簇被用数据填充以创建一个比特率低于原始图像帧的新图像帧。然后编码新图像帧，这样在传输期间它需要的带宽将少于原始图像帧。用于填充死簇的数据可以是白色数据或黑色数据。
为了帮助所传输的图像的接收机重建图像，发送移动电话可选择性的包括一个用新图像帧对原始图像帧中被移除部分的表示。
本方法最适用于在图像帧中央处包括一个主对象的图像。因此，本发明包括一个用于在对原始图像帧执行比特率降低软件应用之前，去自动检测是否有一个对象在原始图像帧居中处的步骤或过程。如果有一个居中的对象，则移动电话将自动执行比特率降低软件应用。对图像帧中的数据使用轮廓检测技术以自动确定是否有一个对象在原始图像帧居中处。
附图简述
图1是一个典型的移动电话的前视图；
图2是一个有嵌入式照相机的典型的移动电话的后视图；
图3是一个表示本发明的构成和功能的框图；
具体描述
图1是一个典型的移动电话110的前视图。显示于此处的移动电话110有助于本发明的上下联系。图2是一个具有嵌入式照相机210的典型的移动电话110的后视图。照相机210可以拍摄静止图像，甚至还可能可以记录视频剪辑。然后图像和/或视频剪辑可以被传输给其它移动电话或电脑装置。
提供用户满意体验的主要的技术阻碍是传输和接收视频图像从而对于用户来说图像没有太多转移或时间消耗所必需的带宽。当蜂窝系统或无线网络进行数据交换时，其被带宽所束缚。因此，任何关于图像传输的改进都是极有价值的。一个使带宽最大化的常用方法是不过度牺牲图像质量的情况下尽可能的压缩图像或视频。但是，必须明智的进行数据压缩操作，不然会导致用户体验恶化至无法享受。
图3是图解本发明功能的框图。嵌入式照相机(或照相机附件)210产生图像(静止或视频)350，并且将图像转送至移动电话110内的比特率降低软件应用340。比特率降低软件应用被分成三个阶段。前两个阶段是对捕获的的图像进行编码和传输，第三个阶段是对所接收到的在前面阶段中被编码的图像数据进行呈现。通过能够访问和控制存储介质320和射频元件310的处理器330执行该软件应用。
阶段一350涉及在图像或捕获的视频流的帧被编码之前对其进行预处理，以移除不相关区域。这包括背景移除和使用适当的数据填充已移除的区域(死簇)。用合适的数据填充死簇有助于在接下来的编码阶段强化带宽效率。阶段二360包括使用传统的技术编码数据，这将证明在上一阶段填充死簇会更有效率。阶段三390用对移去区域的影响最小的方式呈现传输的数据。
当使用嵌入式照相机(或可连接的照相机附件)捕获一帧时，背景移除算法被应用于帧内的图像数据。背景移除算法是本领域著名的和可搜寻到的，例如，1999年在意大利乌迪内召开的第10届图像分析和处理国际会议上的“BackgroundRemoval in Image Indexing and Retrieval”。这将导致在此描述为CS列表的一族簇，这对应于图像的背景。对于到另一个移动电话的传输而言，图像的这一部分并不是特别相关的。
典型的，图像编码方案是基于块的。如果图像的编码是基于块的(例如jpeg或mpeg-4格式中的8×8块)，CL列表中的簇所包含的最大的8X8块集可被推导出，并且生成一个新的簇列表(CL列表-B)。这将保证位于背景区域边缘部分的部分块将不被考虑，因为其将被编码算法忽略。在这一阶段有一矩形簇列表，其形状与编码算法使用的块形状相吻合。注意，如果编码算法不是基于块的，则CL列表保持不变。
下一个步骤是用纯白色像素填充CL列表-B中所有的块(或原始CL列表中所有的簇)。这些全白色区域将与第二阶段中所显示的一样被最佳地编码。这个步骤定义为“死簇填充”。现在就有了一个新版本的图像帧，其中所有的背景数据都被纯白色数据取代了。
应该注意的是，在基于DCT编码算法的情况下，例如jpeg、mpeg-1、mpeg-2、mpeg-4和H.263，还需要进行全黑色填充。正如将会在下一个步骤中看到的，最重要的是生成的比特流使得可以进行最佳熵或算术编码，也就是，任何基于比特的无损编码减少连续的冗余比特。
当使用jpeg(给静止图像)或mpeg或H.263(给剪辑)执行编码时，离散余弦变换(DCT)编码将遇到所有作为空白块(即仅仅包含设为0的彩色分量)的CL列表-B中的背景块。这样该块没有发生改变。当串行化时，这个块将生成连续的零比特流，其将使用Lempel Ziv Welch(LZW)，Huffman，或算术编码方案被最佳的编码，作为压缩算法的最后处理步骤。相对于不仅包含非零彩色分量，而且或许还不连续(也就是包含很少的相连接的彩色均匀区域)的实际背景，这已达到了相当有效的比特流缩减了。
当考虑编码算法的未来的发展时，所有线性变换(例如傅立叶变换)将一个零向量转变为另一个零向量，当转换是非退化时，它们的核心被专门缩减为该零向量。这是通常的在离散形式中的情形，就像从快速傅立叶变换(FFT)推导出的DCT。这样可以使用本发明的技术并获得与使用任何一种线性数字块变换同样的带宽改进。
此算法同样可以应用于非基于块的非基于DCT的技术，如分形压缩(fractalcompression)。分形压缩将图像分割成由选定的基本形状(通常是三角形)所构成的网格状。那种情况下，阶段一将使用这些形状而不是块从原始CL列表中推导出CL列表-B。因为包含在背景中的所有基本形状都将与一个仿射的转换相一致，接下来的编码仍然生成最佳的结果，这样即在分形压缩中可达到高压缩率。
当使用mpeg-4编码的高级型或使用非矩形对象的类似技术时，一个基于块的案例的改进可以被添加。这种情况中，图像中补足簇非矩形对象(就是人们所说的实际轮廓)将被作为非矩形物体本身来编码，并且背景将从编码后的比特流中完全剥离(在这种情况下死簇填充不是必须的)。
当编码完成后，图像就可以进行传输了。除了在有非矩形对象(这不是必需的)的改进的mpeg-4情况下，簇列表CL-列表-B可以和已编码的数据一起传送，使接收到的数据能有更好的呈现，但是这对于该技术工作而言不是必需的。
这样数据已准备好被传输了。传输技术与现在描述的发明是不相关的，并且异步(如MMS)和同步(如视频电话会话)传输模式都将受益于比特长度/比特率的降低。尽管这技术看上去更适合视频电话或居中前景物体剪辑(如新闻、演讲和示例物品的广告等)，但如果传输的数据大小超过了现有MMS版本的上限，则静止图像的传输(例如通过MMS)也将受益于长度的降低。
当图像数据在传输的另一末端被接收到时，每一帧(或静止的图像的一单独帧)在被解码时，将只包括被移除了的设置为纯白的背景的相关数据(或在高级mpeg-4型情况下根本没有背景)。这样对应于每一图像的CL-列表-B可以被传送或不被传送。CL-列表-B相对较小，只描述总的矩形区域的列表，且其在传输带宽中引入非常低的开销。特别的，这种开销和移除背景达到的增益相比及其细微。
给移动用户呈现接收到的图像有很多的选项。其中一些被介绍于此。第一，也是最简单的，完全如接收到的那样呈现图像帧，例如使用一个纯白色背景，或者使用更加适合移动电话的纯色(或固体纹理)来代替背景。此背景还可以使用存储在接收端移动电话装置中的一组预定的背景来代替。用户具有可以从一个主题背景列表中选择的选项。另一个选项是将接收到的帧与当前移动电话背景进行阿尔发混合(Alpha-blend)，将纯白色背景看成是透明色的。或者把一个人为的噪声模式加入到背景中使其符合观察区域的噪声等级。例如，可视区域的信噪比(SNR)可被选择，应用一个人为的噪声模式(如模糊算法)以符合该特定的SNR。此外另一个选项是平滑或模糊帧前景的边缘以避免通过移除背景而在图像相关部分的边缘处引起的阻塞效应。另一个可能性是对前景应用一个轮廓检测。正在说话的人的轮廓外的区域可以或者被移除，或者被平滑/被模糊，或者与背景融合。可以使用一个中值滤波器来执行平滑。可以使用经典Canny算法或shen-castan算法来执行轮廓检测。可以在小碎片(patch)上应用一个噪声等级可容易地设置为一个预定值的零均值高斯噪声以达到模糊效果(SNR与高斯方差相关)，此处理对所有碎片重复进行。
在上述选项中，这些技术中的一个或多个可以相结合来给用户呈现更好的视觉体验。所有的选项都有不同的复杂程度并产生不同等级的感觉品质。相关的折衷是产品设计的一个问题。
如果一个主对象在帧的中间，与之相对的是相对静止的背景，本发明的效率可以得到增强。软件应用中的人/机接口(MMI)特征只有在这个设置中才会明确地要求用户激活有效率的压缩。此技术的改进包括在阶段一之前的阶段零(0)，其将描述一个用于自动检测用产情况选项的装置，这样在需要的时候自动激活算法。
也要注意的是本发明可以被用于为移动电话用户准备的通过无线网络传输的新闻广播。这种情况下，新闻广播的编辑可以在新闻主播(news anchor)专注于听众时明确的激活此特征，并在包括其它片段(footage)禁止该特征。这种情况下，阶段零不是必需的。
阶段零的目的是自动确定慢动作剪辑的情形，其中一个前景对象在捕捉图像的照相机的中央。这大体上符合视频电话会议的情形或新闻广播演讲的情形。其它具有相对静止背景和感兴趣的居中的对象(例如相对静止的汽车)的情况也可从此技术中受益。
为了检测在帧内是否有居中的对象，本发明使用一种轮廓检测算法。如果最大块的形状(即具有最高惯性矩(inertia moment)的一个)位于图像中央，并且靠近背景的形状有小的惯性矩，则图像帧内有居中的对象。轮廓检测可以使用像这样的技术完成，例如，Canny&Deriche算子或Shen&Castan算子技术。在本领域中公知的其它轮廓检测技术也可以被实施。
阶段零的改进能适应移动电话中更低的处理功率。上述检测算法只有在需要时才被间歇地激活，而不是每一帧都激活。当用户打开会话时，移动电话将在第一帧中激活检测。进入背景移除已完成(状态A)或未完成(状态B)的状态取决于第一次检测结果。
对于随后的帧将保持相同的状态，但是对于每一帧都计算其与上一帧的差别。如果差别低于一个在构建软件应用时由工程测试设置的确定的阈值时，那么这些帧被认为处理一个指示相似状态的相似运动等级。这样初始状态A或B被保持。
当这个阈值是上述的一个确定值，并指明了运动中的一个间隙，则用户可能已切换到另一种记录模式(如记录风景)。则检测算法再次运行以确定切换至其它状态是否是必须的。这导致根据情形激活或不激活背景移除模式。
通过对阶段零的这个改进，检测算法只有在一个运动等级间隙被察觉的时候才被激活。注意其它的在图像之间检测运动等级的技术也可以被使用。在此描述的技术(帧差别阈值)只是为了证明可行性。本发明并不被这种单独的技术所限制。
以上描述已假定，要被压缩、编码和传输的图像是从嵌入在或附加在移动电话上的照相机获得的。虽然这可能是最普通的情况，但是本发明不受限于对与移动电话相关联的照相机捕获的图像进行操作。移动电话中的从其它源创建的或取得的图像和/或视频剪辑可以容易地利用本发明的技术。例如，许多移动电话都具有通过例如蓝牙或红外连接的射频连接与个人计算机直接交换数据的功能。这些机制允许移动电话用户与其它计算设备交换文本、视频、图像和/或音频而不需要使用蜂窝网络。
移动电话用户使用上述某个机制从他的个人计算机发送一个图像到他的移动电话，然后在一条MMS消息中包括此图像并发送给另一部移动电话，这也是很普通的。在这种情况下，图像的MMS传输可以容易地调用本发明的技术以降低MMS传输的带宽要求。
本发明的计算机程序元素可以包含在硬件和/或软件(包括固件，常驻软件，微代码等)中。本发明可以表现为计算机程序产品的形式，这可以包含在一个具有计算机可用或计算机可读程序指令的计算机可用或计算机可读存储介质中，介质上存储的“代码”或“计算机程序”被包含在该介质中以便由指令执行系统使用或结合该指令执行系统进行使用。在本文件的前后文中，计算机可用或计算机可读介质可以是任何可以为用户容纳、储存、通信、传播或传送程序的介质，这些程序由指令执行系统、设备或装置使用或与它们相结合地使用。计算机可用或计算机可读介质可以是电子的、磁性的、光学的、电磁性的、红外线的或半导体系统、设备、装置或例如因特网之类的传播介质，但其并不限于以上类型。注意计算机可用或计算机可读介质还可以是其上印刷了程序的纸张或其它合适的介质，这些程序可以被电子地捕获，例如通过对纸张或其它介质的光学扫描，然后用合适的方法进行解译、解释或其它的处理。这里所描述的计算机程序产品和任何软件和硬件在实施例中构成了完成本发明功能的各种装置。
本发明详细的实施例已在这里公开了。本领域熟练的技术人员应清楚的知晓在其它环境下本发明还可以有其它应用。事实上，许多实施例和实现都是可能的。以下的权利要求决不是用于限制本发明的保护范围到以上描叙的详细实施例。另外，任何关于“用于……的装置”的叙述是为了引出某元素或权利要求的一个装置加功能表述，反之，任何没有明确的使用叙述“用于……的装置”的元素则不应理解为装置加功能元素，即使权利要求另外包括单词“装置”。

Claims (6)

1.一种使移动电话能够降低由移动电话传输的图像的比特率的方法，所述的方法包括：
移除原始图像帧(360)中与该图像的背景部分相对应的一部分，从而在图像帧内创建死簇；
用白色或黑色数据(360)填充该图像帧被移除部分的死簇，以创建一个比原始图像帧有更低比特率的新图像帧；
编码新图像帧(370)，从而在传输期间需要比原始图像帧少的带宽；以及
从移动电话传输(390)编码后的新图像帧，其中在新图像帧传输期间通过该新图像帧包括原始图像帧的被移除部分的一个表示，以便接收机利用它来通过将其整合回已接收的图像帧(390)中以改善已接收的图像帧的呈现。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在对原始图像帧执行比特率降低软件应用(340)之前，自动确定在原始图像帧中是否有一居中的主对象；以及
如果原始图像被确定包含有一主对象在图像帧中央，则执行比特率降低软件应用(340)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，自动确定在原始图像帧中是否有一居中的主对象是通过使用应用于图像帧中的数据的轮廓检测技术来实现的。
4.一种使移动电话能够降低由移动电话传输的图像的比特率的设备，所述的设备包括：
用于移除原始图像帧(360)中与该图像的背景部分相对应的一部分，从而在该图像帧内创建死簇的装置；
用于用白色或黑色数据(360)填充图像帧中被移除部分的死簇，以创建一个比原始图像帧有更低比特率的新图像帧的装置；
用于编码新图像帧(370)，从而在传输期间需要比原始图像帧少的带宽的装置；和
用于从移动电话传输(390)编码后的新图像帧的装置，其中所述设备进一步包括用于在新图像帧传输期间通过该新图像帧来包括原始图像帧的被移除部分的一个表示的装置，以便接收机利用该表示来改善已接收的图像帧(390)的呈现。
5.如权利要求4所述的设备，进一步包括：
用于在对原始图像帧执行比特率降低软件应用(340)之前，自动确定在原始图像帧中是否有一居中的主对象的装置；和
用于如果原始图像被确定包含有一主对象在图像帧中央，则执行比特率降低软件应用(340)的装置。
6.如权利要5所述的设备，其中，自动确定在原始图像帧中是否有一居中的主对象是通过使用应用于图像帧中的数据的轮廓检测技术来实现的。
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