梁琰鎧

摘 要 本文結(jié)合實(shí)際需要，系統(tǒng)論述了漸進(jìn)圖像壓縮編碼技術(shù)的原理與實(shí)現(xiàn)方法，介紹了該編碼技術(shù)在窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。測(cè)試表明：漸進(jìn)圖像壓縮編碼技術(shù)為窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)視頻編解碼器提供了一種行之有效的圖像編碼和傳輸方案，為編碼端和解碼端提供了較強(qiáng)的交互支持能力。

關(guān)鍵詞 漸進(jìn)圖像編碼 感興趣區(qū)域 窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN919.81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息互聯(lián)技術(shù)取得了日新月異的進(jìn)步，可視對(duì)講、視頻會(huì)議等多種應(yīng)用層出不窮，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利。一方面，隨著高分辨率圖像編碼技術(shù)的發(fā)展，視頻信息的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)倍的增長(zhǎng)，遠(yuǎn)程視頻信息傳輸需要的帶寬越來(lái)越大；另一方面，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)帶寬的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)沒有滿足當(dāng)前信息傳輸對(duì)帶寬的需求，因此，低帶寬高保真率的視頻壓縮編碼技術(shù)是構(gòu)建系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，漸進(jìn)圖像壓縮編碼技術(shù)就是一種適應(yīng)窄帶傳輸?shù)母弑Ｕ娴囊曨l壓縮編碼技術(shù)。

1幀圖像編碼器漸進(jìn)壓縮的原理

所謂漸進(jìn)壓縮，是指首先傳送圖像的輪廓數(shù)據(jù)，此時(shí)解碼端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)解碼顯示后得到的是一幅稍顯模糊的完整圖像，隨著編碼端所發(fā)送細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的逐漸到達(dá)，解碼端解碼后得到的圖像也越來(lái)越清晰，質(zhì)量越來(lái)越好。漸進(jìn)傳輸方式使得在僅接收到少量圖像數(shù)據(jù)時(shí)，解碼端就能及時(shí)得到整幅圖像的信息，而不需要等所有的圖像數(shù)據(jù)都到達(dá)，從而降低了對(duì)帶寬的要求。圖1表示了幀圖像漸進(jìn)壓縮編碼器框圖。

由圖1可以看出，圖像經(jīng)過小波變換和量化后，在一定程度上減小了空域和頻域上的冗余度，但是這些數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)意義上還存在一定的相關(guān)性，為此，可以利用Tier-1和Tier-2編碼來(lái)消除數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。通過小波變換使編碼流具有了分辨率可伸縮性，而編碼流的質(zhì)量可伸縮性，則需要通過Tier-1編碼和Tier-2編碼才能實(shí)現(xiàn)。

圖1：幀圖像漸進(jìn)壓縮編碼器框圖

1.1 Tier-1編碼壓縮

Tier-1編碼用于對(duì)子帶分解得到的編碼塊利用Taubman提出的EBCOT算法進(jìn)行嵌入式塊編碼，EBCOT算法與早期的嵌入式圖像壓縮算法關(guān)系非常緊密，這些算法包括Shapiro的EZW算法、Said和Pearllman的SPIHT算法、Taubman和Zakhor的LZC算法。與這些算法相似，EBCOT算法也是用小波變換進(jìn)行子帶采樣，然后對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行量化和編碼。與EZW和SPIHT算法不同的是，EBCOT算法沒有使用零樹結(jié)構(gòu)而是使用編碼塊進(jìn)行編碼，同時(shí)提出了PCRD-opt算法，基于這些思想使產(chǎn)生的碼流具有上面所提到的各種特性。

1.2 Tier-2編碼壓縮

Tier-2編碼則利用壓縮后率失真優(yōu)化算法（PCRD-opt）對(duì)碼塊的嵌入式位流進(jìn)行分層組織。在Tier-2編碼中，編碼通道數(shù)據(jù)被組織為包的形式。包是碼流組織的基本單位。它由兩部分組成：包頭和包體。包頭中用一個(gè)二進(jìn)制比特位來(lái)指出該包是否為空包，如果為空包，則表明該包中不包括任何編碼塊的編碼通道數(shù)據(jù)，此時(shí)不需要進(jìn)行任何處理。如果不為空，則指出了該包包含那些編碼塊的編碼通道數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等信息。包體包含了具體的通道數(shù)據(jù)。在最終輸出碼流中，包頭和包體可能在一起也可能分開。

實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)壓縮時(shí)，常用的是分辨率優(yōu)先和層次優(yōu)先兩種包排序方式。分辨率優(yōu)先的包排序方式可以提供碼流的分辨率可伸縮性。打包時(shí)，可以選擇按照分辨率—層次—分量—區(qū)塊或分辨率—區(qū)塊—分量—層次的包排序方法，將屬于同一分辨率的包排列在一起，然后按照分辨率由低到高的順序排列，對(duì)應(yīng)于最低分辨率的包放在碼流的最前端。傳送時(shí)，首先將較低分辨率的數(shù)據(jù)傳送到對(duì)方，解碼后得到最低分辨率的圖像，隨著數(shù)據(jù)的不斷到達(dá)，解碼所得圖像的分辨率也逐漸增大，直到整幅圖像完整地顯示為止。

2單幀圖像編碼器中感興趣區(qū)域編碼的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)原理和實(shí)現(xiàn)方法的不同，可以將感興趣區(qū)域編碼分為兩類：靜態(tài)感興趣區(qū)域編碼和動(dòng)態(tài)感興趣區(qū)域編碼。

2.1靜態(tài)感興趣區(qū)域編碼

靜態(tài)感興趣區(qū)域編碼是指在壓縮時(shí)編碼端可以指定一部分圖像區(qū)域作為ROI，其它區(qū)域則稱為背景區(qū)域。對(duì)ROI可以采用很低的壓縮率進(jìn)行壓縮來(lái)保證ROI的圖像質(zhì)量，甚至采用無(wú)損壓縮的方式，而對(duì)背景區(qū)域則采用較高的壓縮率進(jìn)行壓縮，這樣在保證具有較高壓縮率的同時(shí)也較好地保持了指定的重要區(qū)域的質(zhì)量。利用SROI技術(shù)，可以有效地將有損壓縮和無(wú)損壓縮方法統(tǒng)一起來(lái)，使得單個(gè)編碼流中同時(shí)存在兩種不同的壓縮方式。

常用的實(shí)現(xiàn)SROI的方法是利用MaxShift實(shí)現(xiàn)。該方法的基本思想是：通過反向小波變換為選擇的ROI區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)ROI模板，用來(lái)標(biāo)識(shí)對(duì)ROI區(qū)域質(zhì)量增長(zhǎng)有貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)谋壤蜃覵，對(duì)位于ROI模板區(qū)域之外的背景量化小波系數(shù)進(jìn)行比例縮小，即背景系數(shù)的幅值除以2S，使所得到的數(shù)值小于ROI模板中最小的量化系數(shù)幅值。這樣處理后，位于ROI模板內(nèi)的量化系數(shù)所處的位平面高于背景系數(shù)所處的位平面，因此，在后面進(jìn)行位平面算術(shù)編碼的時(shí)候，先對(duì)ROI區(qū)域中的量化系數(shù)編碼，然后再對(duì)背景系數(shù)編碼。因?yàn)镽OI區(qū)域的位平面高于背景區(qū)域，從而使得ROI區(qū)域的壓縮碼流位于整個(gè)碼流的前端，當(dāng)碼流被截?cái)鄷r(shí)，ROI區(qū)域中的數(shù)據(jù)在一定程度上受到保護(hù)，保證了ROI的重構(gòu)質(zhì)量。

2.2動(dòng)態(tài)感興趣區(qū)域編碼

動(dòng)態(tài)感興趣區(qū)域編碼是指在發(fā)送方以漸進(jìn)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送圖像數(shù)據(jù)時(shí)，接收方在解碼得到圖像輪廓數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以隨意選擇感興趣區(qū)域；此時(shí)，接收方負(fù)責(zé)將所選擇區(qū)域的位置和形狀信息通知發(fā)送方，發(fā)送方接收到這些數(shù)據(jù)后，利用編碼流的隨機(jī)存取和處理特性，首先定位對(duì)接收方所選擇區(qū)域的質(zhì)量增長(zhǎng)有貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)重新組織后以漸進(jìn)方式發(fā)送到對(duì)方，接收方對(duì)接收到的數(shù)據(jù)解碼顯示來(lái)不斷提高ROI質(zhì)量。靜態(tài)感興趣區(qū)域編碼和動(dòng)態(tài)感興趣區(qū)域編碼的結(jié)合，使發(fā)送方和接受方可以根據(jù)各自的感受來(lái)選擇ROI，便于雙方的實(shí)時(shí)協(xié)同交互。

目前，人們已經(jīng)提出了多種DROI實(shí)現(xiàn)方法。其中比較符合測(cè)量船應(yīng)用實(shí)際有Taubman提出了一種基于動(dòng)態(tài)層插入方法的改進(jìn)的動(dòng)態(tài)感興趣區(qū)域編碼實(shí)現(xiàn)方法。因此，我們這里主要研究該方法的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

編碼端接收到解碼端發(fā)送的ROI位置、大小信息后，首先通過反向小波變換和區(qū)塊的位置信息來(lái)定位對(duì)所選擇ROI質(zhì)量增長(zhǎng)有貢獻(xiàn)的區(qū)塊P。

在Tier-2編碼過程的PCRD-opt算法中，特定編碼塊在指定截?cái)帱c(diǎn)處的失真用公式表示為：

（1）

這里表示在第n個(gè)截?cái)帱c(diǎn)截?cái)嗑幋a塊對(duì)應(yīng)的編碼流時(shí)Bi對(duì)應(yīng)的失真，向量k=[k1，k2]表示樣本的位置坐標(biāo)，表示在編碼塊Bi的位置k處對(duì)應(yīng)的原始樣本值，表示這些樣本值在第n個(gè)截?cái)帱c(diǎn)對(duì)應(yīng)的量化表示，bi代表編碼塊Bi所在的子帶，表示子帶對(duì)bi應(yīng)的小波基函數(shù)的二維范數(shù)。

當(dāng)編碼端確定區(qū)塊集合P后，為了盡可能快地提高選定ROI的質(zhì)量，最自然的方法就是將P中區(qū)塊對(duì)應(yīng)的包以質(zhì)量層漸進(jìn)的方式發(fā)送到客戶端。為了使生成的質(zhì)量層能夠與標(biāo)準(zhǔn)編碼流相兼容，必須在質(zhì)量層中包含其他不屬于P的區(qū)塊對(duì)ROI質(zhì)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)，這里將它們對(duì)應(yīng)的包設(shè)置為空包，表明它們對(duì)ROI質(zhì)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)為零。很顯然，上面提到的包排序策略不是最優(yōu)的包排序策略。在給定發(fā)送字節(jié)的條件下，如果一個(gè)包排序策略能使數(shù)據(jù)序列在任意截?cái)帱c(diǎn)都保證ROI的失真最小，那么我們就認(rèn)為這個(gè)包排序策略是最優(yōu)的。

在漸進(jìn)壓縮編碼中，與一個(gè)基礎(chǔ)的合成函數(shù)相關(guān)聯(lián)。由于生成的原始編碼流雖然對(duì)整幅圖像而言具有最優(yōu)率失真特性，但對(duì)于原始圖像的一塊區(qū)域來(lái)說，卻并不是如此。因此，我們必須對(duì)公式（1）的失真表示乘上一個(gè)窗口放縮因子ri，其如下所示：

（2）

這里的稱為能量收集因子，除了圖像邊界之外，均等于，即有== ，它獨(dú)立于子帶的樣本位置k。令R表示屬于ROI的圖像位置的集合；Li表示受編碼塊Bi中的子帶樣本值影響的所有圖像位置的集合。則有

（3）

上式可解釋為同時(shí)包含在ROI和編碼塊Bi影響區(qū)域中的像素與編碼塊Bi影響區(qū)域中的像素的比值。除了在編碼塊極小的情況之外，上述近似是合理的。當(dāng)在所支持的區(qū)域保持恒定時(shí)，上式精確成立。

理想條件下，我們可以用代替來(lái)重新生成編碼流。但這里我們考慮的主要是在只壓縮一次圖像的情況下，根據(jù)用戶選擇的ROI，將已有的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，以達(dá)到提高ROI質(zhì)量的目的。為此，我們主要關(guān)注的是對(duì)現(xiàn)有編碼流中的包進(jìn)行重排序。假設(shè)每個(gè)區(qū)塊中只包含每個(gè)構(gòu)成子帶的一個(gè)編碼塊，這意味著對(duì)于任意給定的區(qū)塊Cc∈P其所包含的編碼塊有相同的窗口放縮因子rc。令pc，q表示區(qū)塊Cc中的第q個(gè)包，注意到Cc中的所有編碼塊對(duì)pc，q的貢獻(xiàn)都有率失真斜率位于Tq-1到Tq的范圍之內(nèi)，則放縮后的斜率位于rcTq-1到rcTq范圍之內(nèi)；因此，在斜率閾值充分接近的情況下，我們就可以以rcTq作為包排序的準(zhǔn)則，即如果rc1Tq1>rc2Tq2，那么rc1Tq1就應(yīng)該先于rc2Tq2進(jìn)行發(fā)送。這里Tq表示斜率長(zhǎng)度失真閾值，在壓縮時(shí)進(jìn)行選擇。

實(shí)際操作中，人們希望動(dòng)態(tài)生成的質(zhì)量層數(shù)最少。這樣不僅可以減少服務(wù)器和客戶端的計(jì)算復(fù)雜度和存儲(chǔ)要求；更重要的是，它可以減少在動(dòng)態(tài)生成質(zhì)量層時(shí)所附加的空包數(shù)目，從而減少了冗余數(shù)據(jù)。為此，我們引入了重定位質(zhì)量層 q的概念，其對(duì)應(yīng)的斜率閾值為。重定位后的質(zhì)量層 q由所有包Pc，q組成，其中Pc，q滿足條件。這里我們令

0 = 0 ， 1 = minrcT2 ，Cc∈P，

q = minrcTq+2 ，q>1∧（c，q）s.t pc，q∈Cq-1

這樣可以生成最小的質(zhì)量層數(shù)目。在發(fā)送時(shí)，服務(wù)器首先發(fā)送P中包含的區(qū)塊中屬于第一個(gè)重定位質(zhì)量層的 1所有包，然后發(fā)送P中包含的區(qū)塊中屬于第二個(gè)重定位質(zhì)量層 2的所有包，依次發(fā)送完畢。

3漸進(jìn)圖像壓縮編碼在窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)整體帶寬相對(duì)緊張，遠(yuǎn)程故障可視會(huì)診系統(tǒng)圖像壓縮編碼技術(shù)必須基于窄帶高保真圖像壓縮技術(shù)，漸進(jìn)圖像壓縮編碼技術(shù)就是其中較好的一種。采用漸進(jìn)圖像壓縮編碼技術(shù)在256kbps帶寬情況下的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中構(gòu)建的遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

在系統(tǒng)中對(duì)漸進(jìn)圖像壓縮編碼效果進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試使用原始圖分辨率為1100€？50，測(cè)試效果見圖4。

在圖中，（a）是編碼端待發(fā)送的原始圖像，（b）、（c）和（d）分別是解碼端接收到5k字節(jié)、10k字節(jié)和15k字節(jié)數(shù)據(jù)后的效果。從中可以看出，解碼端接收到5k字節(jié)后解碼顯示得到的圖像是最模糊的，隨著接收數(shù)據(jù)的逐漸增多，圖像也變的越來(lái)越清晰。當(dāng)客戶端接收到15k字節(jié)數(shù)據(jù)后，得到的圖像和原始圖像間的質(zhì)量差別就已經(jīng)不大。

4結(jié)語(yǔ)

漸進(jìn)圖像壓縮編碼技術(shù)為窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供了一種行之有效的圖像編碼和傳輸方案。它可以在低帶寬的條件下有效地工作，并為編碼端和解碼端雙方提供了較強(qiáng)的交互支持能力。

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