具有抗誤碼能力的水下視頻圖像高效編碼方法研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,海洋的探測(cè)與開(kāi)發(fā)日益成為科學(xué)研究的重點(diǎn)。海洋探測(cè)與開(kāi)發(fā)主要包括海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、深?？碧?、水下施工等作業(yè)。在深海觀測(cè)作業(yè)中,目前最常用的方法是基于水下機(jī)器人(ROVs/AUVs)的視頻圖像觀測(cè),因?yàn)閳D像信息是水下機(jī)器人深海近距離觀測(cè)作業(yè)的主要信息之一。但是,如何將水下機(jī)器人獲取的海量視頻信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿婀ぷ髡臼菍?shí)現(xiàn)深海觀測(cè)作業(yè)的障礙之一。水下機(jī)器人通過(guò)水聲信道傳輸水下視頻圖像信息時(shí),必須對(duì)視頻圖像信息進(jìn)行壓縮處理

2、,使其適應(yīng)水聲信道中窄帶寬、高誤碼率的傳輸特性。因此,本文根據(jù)水下視頻圖像與水聲信道傳輸?shù)奶攸c(diǎn),對(duì)水下視頻圖像的抗誤碼高效壓縮編碼進(jìn)行了研究,主要完成的研究工作包括以下兩個(gè)部分:
　　 (1)水下靜態(tài)圖像的抗誤碼高效壓縮編碼算法。為抵抗水聲信道的傳輸差錯(cuò),提出了一種具有較高抗誤碼能力的水下圖像高效編碼算法。該算法首先根據(jù)水下圖像的特點(diǎn),對(duì)圖像進(jìn)行小波變換預(yù)處理以去除其中的視覺(jué)冗余。然后,對(duì)低頻系數(shù)采用定長(zhǎng)量化編碼;對(duì)重要高頻系數(shù)

3、采用數(shù)值和位置獨(dú)立編碼的方案,其中對(duì)重要高頻系數(shù)的數(shù)值提出了變精度定長(zhǎng)量化編碼方法,而對(duì)重要高頻系數(shù)的位置采用基于位置差降的可逆變長(zhǎng)編碼算法。此外,為抵抗水聲信道的傳輸差錯(cuò),提出了合理的分割、交織策略和變長(zhǎng)編碼塊相對(duì)定長(zhǎng)信道包的存放策略。最后,對(duì)低頻和高頻系數(shù),分別提出了相應(yīng)的差錯(cuò)檢測(cè)和掩蓋算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該算法能夠抵抗低于20％的丟包差錯(cuò),低于2％的隨機(jī)比特差錯(cuò)和低于2.5％的突發(fā)差錯(cuò)。同時(shí),圖像編碼的壓縮比可以高于70:1,具有

4、較高的壓縮效率。
　　 (2)具有抗誤碼能力的水下視頻高效壓縮編碼算法。該算法主要由幀內(nèi)編碼模塊和幀間編碼模塊組成。在幀間模塊中,利用靜態(tài)圖像抗誤碼高效壓縮方法對(duì)各視頻序列組中首個(gè)I幀進(jìn)行編碼處理,增強(qiáng)I幀的抗誤碼能力,為后面的幀重建提供較為理想的參考幀。而在幀間模塊中,對(duì)幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程獲得的運(yùn)動(dòng)估計(jì)與殘差信息進(jìn)行合理的分組交織編碼,以有效阻止錯(cuò)誤的擴(kuò)散。對(duì)其中的殘差信息進(jìn)行基于位置差降的可逆編碼方法進(jìn)行壓縮,并根據(jù)

5、其重要性程度進(jìn)行不同處理,有效增強(qiáng)其抵抗誤碼的能力。解碼時(shí),提出了有效的錯(cuò)誤檢測(cè)與錯(cuò)誤掩蓋處理算法,以增強(qiáng)碼流的抗誤碼性能。此外,對(duì)于場(chǎng)景切換、攝像機(jī)快速運(yùn)動(dòng)等異常情況,提出了檢測(cè)與處理方法,以保證編碼算法適應(yīng)各種復(fù)雜的視頻編碼環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法能夠抵抗低于20％的丟包差錯(cuò),低于1.2％的隨機(jī)比特差錯(cuò)和低于1.8％的突發(fā)差錯(cuò)。同時(shí),視頻編碼的壓縮比可以高于120:1。
　　 本文研究是水下機(jī)器人視頻圖像觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一