圖像-視頻壓縮技術(shù)中若干關(guān)鍵問(wèn)題的研究.pdf

1、隨著下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）、第三代移動(dòng)通信（3G）與涉及3G演進(jìn)的B3G（BeyondIMT-2000，超3G）和下一代寬帶無(wú)線（NGBW）等對(duì)視頻、多媒體業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的飛速發(fā)展，以及硬件處理平臺(tái)的增強(qiáng)和存儲(chǔ)器成本的降低，提高編碼效率和速度、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定性的圖像、視頻編碼技術(shù)的需求日益上升。近年來(lái)，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，手持移動(dòng)設(shè)備發(fā)展迅速，由于它的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間十分有限，對(duì)圖像、視頻的處理算法要求運(yùn)算量和存儲(chǔ)量更少。雖然圖像

2、、視頻壓縮編碼技術(shù)已有幾十年的研究歷史，取得了輝煌的成就，但這些成就并不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。圖像、視頻的編碼與傳輸技術(shù)是當(dāng)今信息科學(xué)與技術(shù)的前沿課題，受到了理論界和工程應(yīng)用的廣泛重視。 本文以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多精度多層次的圖像正交變換快速算法和并行處理的研究”和山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“圖像國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究”為依托，重點(diǎn)分析了各種圖像、視頻壓縮編碼技術(shù)和目前流行的圖像/視頻壓縮編碼及傳輸?shù)膰?guó)際標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用系

3、統(tǒng)中存在的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題，并對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的、較為全面的研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)： （1）研究二維離散余弦變換（DCT/IDCT）快速計(jì)算模型 提出了適于圖像壓縮的二維離散余弦正變換（DCT）的快速算法。在圖像壓縮中，目前最常用的正交變換是DCT。根據(jù)二維8×8 DCT基本圖像的特性，利用基本圖像的對(duì)稱性減少DCT計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)了較獨(dú)立地快速計(jì)算每一 DCT量化系數(shù)。該算法適于做Pruning2D

4、DCT算法。 提出了自適應(yīng)的Pruning二維8×8 DCT量化系數(shù)的快速算法。該算法在上述算法的研究成果和一種判斷非零DCT量化系數(shù)的新模型的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)地選擇計(jì)算非零DCT量化系數(shù)，余下的DCT系數(shù)可當(dāng)作零值不再計(jì)算。實(shí)驗(yàn)以多幅標(biāo)準(zhǔn)圖像為例，結(jié)果表明：使用該算法，每8×8圖像子塊中，平均僅有0.156個(gè)非零變換系數(shù)被漏算，而且這些漏算的DCT系數(shù)的值一般都是±1，這樣，與完整計(jì)算DCT和量化的算法相比，二者的恢復(fù)圖像質(zhì)量在

5、主觀上察覺(jué)不到差別，在客觀質(zhì)量上相差非常小，而運(yùn)算量得到大幅度的減少。 提出了適于圖像壓縮的二維離散余弦逆變換（IDCT）的快速算法。該算法通過(guò)三個(gè)技術(shù)降低二維8×8 IDCT的運(yùn)算量：（1）利用基本圖像的對(duì)稱性；（2）把反量化過(guò)程和IDCT融為一步；（3）利用實(shí)際圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)：絕大多數(shù)量化后的變換系數(shù)為零值且非零系數(shù)中又有許多的值為±1。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種技術(shù)的融合大大減少計(jì)算量。以多幅標(biāo)準(zhǔn)圖像為樣本數(shù)據(jù)，對(duì)新方法

6、和當(dāng)前最有影響的Feig算法做了比較，結(jié)果表明：本文算法的乘法次數(shù)降了約60％，加法次數(shù)降了約15％。 （2）研究無(wú)乘法的二維離散余弦變換（DCT/IDCT）快速計(jì)算模型 這項(xiàng)研究是針對(duì)目前很多實(shí)際應(yīng)用都強(qiáng)調(diào)避免乘法運(yùn)算的要求，以及存儲(chǔ)器芯片愈來(lái)愈便宜，體積愈來(lái)愈小的特點(diǎn)。 基于基本圖像概念，提出了一種直接快速計(jì)算二維8×8 DCT量化系數(shù)的查表算法。算法消除乘法運(yùn)算的同時(shí)，也減少了加法運(yùn)算量。通過(guò)設(shè)計(jì)查找表結(jié)構(gòu)和

7、組織數(shù)據(jù)，使得每次查表得到的不是一個(gè)數(shù)據(jù)而是一組數(shù)據(jù)，減少了查表次數(shù)；通過(guò)研究基本圖像的對(duì)稱性及DCT過(guò)程中數(shù)據(jù)范圍，減小了查找表（LUT）長(zhǎng)度。在圖像變換編碼時(shí)，利用本文算法可只計(jì)算需要被編碼和傳輸?shù)牡皖l變換系數(shù)，以大大減少運(yùn)算量。 提出一種基于查表法的二維8×8離散余弦逆變換（2D8×8 IDCT）的快速算法，其查找表LUT（Look-Up Table）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是基于二維8×8 DCT的基本圖像。利用兩種技術(shù)減小查找表長(zhǎng)度

8、：①利用基本圖像的對(duì)稱特性；⑦通過(guò)對(duì)離散余弦正變換（DCT）和量化過(guò)程的分析，推導(dǎo)出每個(gè)量化后DCT系數(shù)的取值范圍。若量化矩陣具有對(duì)稱性q（u，v）=q（v，u），LUT的長(zhǎng)度還可減少近半。新算法利用查表法消除IDCT中乘法運(yùn)算，并利用圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和基本圖像的對(duì)稱特性大大減少加法次數(shù)，提高了計(jì)算速度。 （3）研究圖像壓縮過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)性，建立快速計(jì)算模型 提出了RGB與YUV之間彩色空間轉(zhuǎn)換運(yùn)算的快速算法。該

9、算法是將彩色空間轉(zhuǎn)換和圖像壓縮/解壓縮中的量化/逆量化過(guò)程兩環(huán)節(jié)結(jié)合考慮使乘法運(yùn)算得到大幅度地減少。此算法并不改變圖像壓縮過(guò)程中各環(huán)節(jié)的處理結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)影響采用其他已有的優(yōu)化技術(shù)，有效提高編解碼速度。 提出了一種圖像壓縮中RGB與YCbCr轉(zhuǎn)換計(jì)算的快速算法。該算法是將圖像壓縮中的彩色空間轉(zhuǎn)換、量化和離散余弦變換（DCT）三個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)合考慮來(lái)減少運(yùn)算量，而且在降低了彩色轉(zhuǎn)換運(yùn)算量的同時(shí)，并不影響其他兩環(huán)節(jié)的運(yùn)算量。在各種圖像子采

10、樣情況下，新算法在壓縮或解壓縮過(guò)程中，運(yùn)算速度都得到了有效地提高。 （4）研究國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC中二維4x4整數(shù)變換的快速計(jì)算模型 提出一種H.264/AVC中二維4x4逆整數(shù)變換的快速算法，該算法為縮短H.264/AVC視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的解壓計(jì)算的時(shí)間提供了新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)以多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)視頻為例，結(jié)果表明：新算法計(jì)算一塊二維4x4逆整數(shù)變換，平均只需要2.66069次加法運(yùn)算和0.34835次平移操作，比目前已存在的有影響的