JPEG2000圖像編碼的若干關(guān)鍵性技術(shù)研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的發(fā)展，3G移動(dòng)通信技術(shù)漸漸推廣，數(shù)字電視、高清家庭影院日益普及，數(shù)字電影逐漸取代傳統(tǒng)的膠片電影，數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等電子產(chǎn)品的性能迅速提高，圖像和視頻等視覺信息在人們的生產(chǎn)、生活中占有越來(lái)越重要的地位，人們對(duì)視覺信息的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，相應(yīng)地也對(duì)圖像/視頻編碼技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。JPEG2000/motion-JPEG2000編碼標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)當(dāng)前對(duì)圖像/視頻編碼技術(shù)的要求，逐漸成為流行標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)JPEG2000/

2、motion-JPEG2000應(yīng)用中相關(guān)的系列關(guān)鍵性技術(shù)做了研究，主要內(nèi)容如下。 ⑴對(duì)JPEG2000ROI編碼技術(shù)做了研究。JPEG2000中定義了兩種ROI編碼方法：MaxShift方法和GeneralScalingBased(GSB)方法。在低碼率應(yīng)用環(huán)境下，MaxShift方法有可能把所有背景信息全部丟棄，但是有些應(yīng)用中需要一定的背景信息；GSB方法雖然在一定程度上彌補(bǔ)了MaxShift方法的不足，但是需要形狀編碼。由于

3、形狀編碼的復(fù)雜性，JPEG2000只規(guī)定了矩形和橢圓兩種形狀，而這兩種形狀不能精確地描述任意形狀的ROI，導(dǎo)致編碼效率降低。因此，高效地編碼任意形狀的ROI和在低碼率環(huán)境下保持一定背景信息成為JPEG2000ROI編碼的研究重點(diǎn)。由于在總碼率受限的情況下提高背景質(zhì)量和提高ROI質(zhì)量相矛盾，有學(xué)者提出了折衷的解決方法：控制ROI和背景的相對(duì)質(zhì)量?，F(xiàn)有的控制相對(duì)質(zhì)量的方法是通過(guò)控制ROI和背景的相對(duì)碼率實(shí)現(xiàn)的，這類實(shí)現(xiàn)方法主要有以下三個(gè)缺點(diǎn)

4、：①相對(duì)碼率計(jì)算復(fù)雜，②只有完全解碼后才能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的相對(duì)質(zhì)量，③以不受限制碼率解碼時(shí)，圖像背景區(qū)質(zhì)量低。高效編碼任意形狀ROI的方法之一是對(duì)位平面重排，使得解碼器能夠根據(jù)位平而位置區(qū)分ROI和背景比特，或者不需要區(qū)分ROI和背景就能解碼，從而不需要編碼端提供ROI形狀信息。針對(duì)控制相對(duì)碼率方法的第一個(gè)缺點(diǎn)，本文提出了通過(guò)控制參與解碼的ROI和背景位平面數(shù)量相對(duì)值來(lái)控制其相對(duì)質(zhì)量的思路。然后基于控制兩類位平面相對(duì)數(shù)量和位平面重排的思想，本

5、文提出了兩種ROI編碼方法，一種是適用于常見較小深度值圖像的位平面段移動(dòng)(BPSShift)方法，一種是適用于較大深度圖像的位平面組移動(dòng)(BPGShift)方法。編碼時(shí)BPSShift方法首先對(duì)ROI和背景位平面進(jìn)行分段；然后以位平面段為單位，從權(quán)重較大的部分開始對(duì)ROI和背景位平面進(jìn)行移動(dòng)重排，使得ROI位平面段和背景位平面段間隔排列。由于兩類位平面段的數(shù)量可能不相同，當(dāng)數(shù)目少的一類位平面段排列完后，另一類位平面段的剩余部分全部排列到

6、低權(quán)重的位平面位置。當(dāng)圖像以中低碼率解碼時(shí)，隨著碼率的提高，參與解碼的ROI和背景位平面數(shù)量以大致恒定的比例增加，這個(gè)數(shù)量比約等于兩類位平面段大小之比。相應(yīng)地，解碼圖像保持大致恒定的相對(duì)質(zhì)量。因此兩類位平面段大小之比可以作為兩部分圖像相對(duì)質(zhì)量的近似度量。由于BPSShift方法可以不丟棄任何位平面，所以當(dāng)解碼碼率不受限制時(shí)，解碼圖像的ROI區(qū)和背景區(qū)能夠都有很高的質(zhì)量。由于ROI位平面段和背景位平面段處于不同的位平面位置，解碼器能夠根據(jù)

7、其位置的不同對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分，所以BPSShift方法能夠解碼任意形狀的ROI而不需要編碼端提供任何形狀信息。當(dāng)使用BPSShift方法對(duì)較大深度圖像編碼時(shí)有可能使用大位平而段，大位平面段可能導(dǎo)致解碼圖像的相對(duì)質(zhì)量變動(dòng)較大，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題本文提出了BPGShift方法加以解決。BPGShift方法在BPSShift方法的基礎(chǔ)上把位平面段進(jìn)一步劃分成子段，并增加了細(xì)化位平面排列的子段排列運(yùn)算，使得在大位平面段情況下解碼圖像的相對(duì)質(zhì)量更加穩(wěn)定。

8、BPSShift方法和BPGShift方法的主要運(yùn)算都是移動(dòng)位平面，因此實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小。此外這兩種方法的附加數(shù)據(jù)量小，都支持多ROI圖像的編碼。 ⑵對(duì)motion-JPEG2000錯(cuò)誤隱藏技術(shù)做了研究。由于沿高頻方向相鄰小波系數(shù)之間相關(guān)性極弱，沿低頻方向的相關(guān)性隨系數(shù)間的距離增大衰減很快，所以使用空間鄰近系數(shù)信息的錯(cuò)誤隱藏方法對(duì)高頻子帶大尺寸誤碼塊的錯(cuò)誤隱藏效果并不理想。由于離散小波變換的移變性，所以不能直接使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

9、從相鄰幀的信息中恢復(fù)高頻子帶誤碼塊。為了解決移變性問(wèn)題，本文引入了cycle-spinning算法，利用cycle-spinning把移變系數(shù)轉(zhuǎn)變成移不變的系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了基于cycle-spinning的錯(cuò)誤隱藏方法。該方法首先利用cycle-spinning算法把參考幀中具有移變性的高頻子帶系數(shù)轉(zhuǎn)變成移不變系數(shù)，然后使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償從移不變的相鄰幀系數(shù)中得到誤碼塊應(yīng)有的信息，恢復(fù)誤碼塊，達(dá)到隱藏錯(cuò)誤的目的?；赾ycle-s

10、pinning的錯(cuò)誤隱藏方法可以用于各個(gè)高頻子帶大尺寸編碼塊的錯(cuò)誤隱藏，包括通常錯(cuò)誤隱藏方法不適用的HH子帶。 ⑶以JPEG2000熵編碼框架為基礎(chǔ)，對(duì)超完備小波圖像編碼進(jìn)行了研究。常用小波(包括JPEG2000中定義的小波)的局限性，使得冗余字典圖像稀疏編碼方法成為研究熱點(diǎn)之一，然而如何選擇最小的子字典成為冗余字典稀疏編碼方法中一個(gè)待解決的問(wèn)題。由于超完備小波集可以看作冗余字典，小波分解系數(shù)是圖像在小波上的投影，所以對(duì)超完備小

11、波分解系數(shù)的選擇就是對(duì)子字典的選擇。本文把聚類、模式識(shí)別領(lǐng)域的meanshift方法引入到超完備log-Gabor小波分解系數(shù)的選擇算法中，對(duì)Fischer等人的超完備小波系數(shù)選擇方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于meanshift的超完備log-Gabor小波分解系數(shù)選擇方法，取得了比Fischer等人的方法更快的選擇速度。然后在本文提出的系數(shù)選擇方法基礎(chǔ)上，借用JPEG2000中的熵編碼方法構(gòu)建了稀疏編碼方案。實(shí)驗(yàn)證明在產(chǎn)生相近PSNR解碼圖