多小波在圖像及視頻編碼中的研究.pdf

1、小波理論揭示了子帶濾波器的本質(zhì)結(jié)構(gòu)。結(jié)合中國音視頻編碼工作組及國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)《高效幀問預(yù)測與新型變長編碼及小波編碼框架》的工作，對用作變換的正交平衡濾波器、小波系數(shù)的量化和組織、圖像和視頻編碼等方面進(jìn)行研究。
　　 分析了標(biāo)量小波與多小波之間的關(guān)系。討論了尺度向量的性質(zhì)，從理論上保證構(gòu)造出多小波的有效性。
　　 多小波濾波器至少有2個低通，如果2個低通道有不同的頻譜特性，會引起通道的不平衡。研究分析表明

2、，在這種情況下，矩陣濾波的方法會造成低頻信號與高頻信號的混疊，在對信號進(jìn)行壓縮處理的場合下，重構(gòu)的信號會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，從而影響重構(gòu)信號的質(zhì)量。解決信號混疊問題，一種方法是預(yù)濾波技術(shù)，提出另外一種方法是，從構(gòu)造平衡的濾波器組出發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平衡多小波的構(gòu)造，這種濾波器不用預(yù)濾波，高、低通的頻譜性能較其它濾波器好。
　　 分析與研究了格子編碼量化(Trellis；Coded Quantization，TCQ)的狀態(tài)、狀態(tài)格子、Vit

3、erbi算法、集合劃分、碼字選擇進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，獨(dú)立同分布的均勻和高斯數(shù)據(jù)，當(dāng)狀態(tài)數(shù)逐漸增大時，可達(dá)到接近率失真理論允許的均方誤差，性能比Lloyd—Max量化器提高了約0.2—2dB。率失真的分析表明，加權(quán)方差較大或較小的頻帶，其所分配的碼率應(yīng)多于或少于期望碼率，所有頻帶的碼率加權(quán)平均為期望碼率。對標(biāo)量及TCO量化，選擇各個子帶的碼率，等效于選擇量化器的碼字或步長的選擇問題。提出了一種基于多小波變換和多層閾值的TCQ編碼方法，利用四叉

4、樹分類算法進(jìn)行重要系數(shù)劃分，采用了8狀態(tài)格子，新的子集劃分方法，實(shí)驗(yàn)表明，相對于單一閾值的TCQ量化，提高了約0.03～0．14dB對多小波變換分析結(jié)果是：對普通的多小波變換，由于它有低頻信號被分解到高頻子帶內(nèi)，而高頻信號則被分解到低頻子帶內(nèi)，高低頻信號混疊；而預(yù)濾波及平衡的多小波則能正確的分解信號。對多小波系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，對光滑性較好的Lenna圖像，無論是對高頻子帶還是次高頻子帶，雙正交9/7小波具有最好的分布，但如果紋理較多的

5、復(fù)雜圖像如Barbara，對系數(shù)的幅值小于8，則多小波變換比雙正交9/7小波高出1．45％。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，多小波比標(biāo)量小波更適合處理復(fù)雜圖像的編碼。經(jīng)多小波變換后，圖像的絕大多數(shù)能量集中到低頻子帶里。等級樹分隔(Spatial panitioning of images intohierarchical trees，SPIHT)等零樹量化器由于通過利用子帶問小波系數(shù)的空間相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)良好的編碼性能。但是，二重小波分解得

6、到的子帶結(jié)構(gòu)并不完全保持這種子帶之間的相關(guān)性。分析表明，在同一頻率方向不同尺度的2×2個小塊中存在很大的相似性。為了利用這種相似性，更好地對二重小波系數(shù)采用SPIHT算法編碼，研究了不同類型的多小波濾波器是如何重新組織每個2×2小塊的數(shù)據(jù)的，以滿足SPIHT算法所需滿足的條件，有利于提高編碼效率。
　　 在視頻編碼方面，MPEG-2、MPEG-1以及H．264等標(biāo)準(zhǔn)的變換都是DCT變換。盡管出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如：多參考幀運(yùn)動估算

7、、多運(yùn)動預(yù)測塊尺寸、4×4的DCT(Discretecosine transform)變換、環(huán)濾波等，但變換還是基于塊的局部的變換。正是這種局部性，在低碼率編碼時，容易造成了重構(gòu)圖像的不連續(xù)性即塊效應(yīng)。由于小波變換是全局的變換，它在去塊效應(yīng)等方面有良好性能。提出的基于多小波變換的視頻編碼方法，結(jié)合H．264的先進(jìn)技術(shù)，對預(yù)測圖像的殘差作多小波變換。對多個視頻序列的測試結(jié)果表明，H．264的編碼效果普遍好于MWDT(Multiwavele

8、t discrete transform)框架的編碼效率，H．264的穩(wěn)定性比MWDT框架好，每幀波動小。對于運(yùn)動劇烈的場景，多參考幀技術(shù)效果不是十分的明顯，而對于相對緩慢的幀，采用多參考幀技術(shù)信噪比有較明顯的提高。
　　 環(huán)濾波的重構(gòu)圖像具有更好的主觀質(zhì)量，但環(huán)濾波對重構(gòu)圖像的信噪比影響非常小。
　　 總之，探討了多小波變換編碼中的平衡濾波器構(gòu)造，多小波圖像編碼時圖像的多小波變換、系數(shù)的組織、量化方法、碼率控制，視頻編