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        基于動(dòng)態(tài)跳幀和運(yùn)動(dòng)矢量修正的視頻轉(zhuǎn)換編碼方法研究

        2018-08-08 06:29:02孫雪紅
        電子設(shè)計(jì)工程 2018年14期
        關(guān)鍵詞:矢量編碼閾值

        孫雪紅

        (陜西中醫(yī)藥大學(xué)陜西咸陽(yáng) 712046)

        隨著時(shí)代的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)以及各種新型的通信技術(shù)、終端類型不斷的涌現(xiàn)出來(lái)。隨之而來(lái)便是大量具備不同性能客戶機(jī)的出現(xiàn),包括手機(jī)和平板電腦等[1]。例如,在體育領(lǐng)域,隨著4G移動(dòng)通訊技術(shù)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展,手機(jī)應(yīng)用逐漸發(fā)展到現(xiàn)在更容易被用戶所吸取和接受的視頻形式。一些網(wǎng)絡(luò)體育頻道還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的手機(jī)客戶端,越來(lái)越多的人們開始選擇利用手機(jī)對(duì)各種體育相關(guān)的比賽視頻進(jìn)行觀看。受到人們實(shí)際需求的影響,為了更好的對(duì)各種資源進(jìn)行共享,相關(guān)的客戶機(jī)需要能夠通過(guò)無(wú)線的方式與Internet進(jìn)行連接,但是,從帶寬角度進(jìn)行分析,Internet與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間存在十分明顯的差異。在相應(yīng)的傳輸碼率方面,也存在較大的區(qū)別。

        1 基于降低時(shí)間分辨率模型的運(yùn)動(dòng)估值分析

        針對(duì)Internet與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間在傳輸碼率方面存在較大區(qū)別這一情況,為了實(shí)現(xiàn)順利的連接和資源共享,還需要在Internet和客戶機(jī)之間設(shè)置一定的代理轉(zhuǎn)換器[2]。

        圖1 在不同的客戶機(jī)和Intemet服務(wù)器之間的代理服務(wù)器

        進(jìn)行視頻編碼轉(zhuǎn)化的時(shí)候,借助一定的代理轉(zhuǎn)換器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同編碼的有效轉(zhuǎn)換。通常情況下,利用一定的轉(zhuǎn)換編碼器,可以結(jié)合人們的視覺需求,對(duì)一定的視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。視頻編碼轉(zhuǎn)換流程如圖2所示,由圖2可以了解到,在進(jìn)行視頻編碼轉(zhuǎn)化的時(shí)候,首先需要借助一定的前端編碼器,對(duì)一定的源視頻流進(jìn)行處理。之后,利用一定的視頻編碼轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)化,進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)換后的視頻流予以輸出,最終被一定的接收端解碼器所接收。因此,從本質(zhì)角度進(jìn)行分析,轉(zhuǎn)換編碼指的是一種將已被編碼的信號(hào)向另一種編碼信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程[3]。

        圖2 視頻編碼轉(zhuǎn)換流程示意圖

        由于終端接收設(shè)備具有多樣性,實(shí)時(shí)處理能力及顯示器的分辨率受到一定的限制,當(dāng)終端接收高分辨率的視頻時(shí),就需要降低視頻的分辨率,以適應(yīng)終端的要求[4]。此外,有時(shí)僅僅增大量化步長(zhǎng)無(wú)法滿足降低比特率的需要,通過(guò)降低視頻的分辨率,能夠達(dá)到降低比特率的目的。

        圖3 降低視頻分辨率的轉(zhuǎn)換編碼流程示意圖

        視頻圖像存在很強(qiáng)的相關(guān)性,且視頻數(shù)據(jù)中存在著數(shù)量巨大的冗余信息。是以會(huì)議電視標(biāo)準(zhǔn)圖像序列為例,在某連續(xù)三幀圖像中,在相鄰幀間差值的平均值,高于一定域值的像素?cái)?shù)在整幅圖像像素總數(shù)中占據(jù)了很大的比例(見表1)[5]。因此,需要對(duì)視頻進(jìn)行一定的壓縮處理。

        表1 幀間差值高于一定閾值的像素?cái)?shù)目在圖像像素總數(shù)所占比例統(tǒng)計(jì)

        但是,不同的視頻在壓縮方面所參照的標(biāo)準(zhǔn)不同,對(duì)于一些視頻,在進(jìn)行壓縮的時(shí)候所使用的標(biāo)準(zhǔn)比特流相對(duì)較低。這對(duì)這些視頻,在進(jìn)行轉(zhuǎn)換編碼的過(guò)程中,往往需要進(jìn)行一定的跳幀,進(jìn)而對(duì)所產(chǎn)生的碼流予以有效的控制,將其控制在不超過(guò)信道帶寬的范圍之內(nèi)[6]。但是,在具體的跳幀過(guò)程中,大多數(shù)情況下,為獲得理想的跳幀效果,需要對(duì)視頻幀予以完全的解壓縮處理。這一情況下,便需要對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量予以重新的運(yùn)動(dòng)估值。但是,在重新估值之后,會(huì)直接影響到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換編碼工作的開展。以降低時(shí)間分辨率模型為例,具體的操作過(guò)程中,需要集合不同相鄰幀之間的具體運(yùn)動(dòng)矢量情況來(lái)對(duì)當(dāng)前幀以及先前非跳幀之間的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行相應(yīng)的估算[7]。具體的估算過(guò)程中,如果按照重新對(duì)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量實(shí)施匹配搜索的方式來(lái)予以實(shí)現(xiàn),則會(huì)導(dǎo)致極大的計(jì)算量,嚴(yán)重影響到操作效率和操作進(jìn)度。針對(duì)上述問(wèn)題,還需要對(duì)原碼流中的各種有用信息予以全面的分析和有效利用,以切實(shí)提高碼率轉(zhuǎn)換的效率,并最大程度降低實(shí)際計(jì)算量[8]。具體進(jìn)行降低時(shí)間分辨率轉(zhuǎn)換編碼的時(shí)候,可能需要結(jié)合實(shí)際情況和操作需求,排除當(dāng)前幀中宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量所指向的參考幀。相應(yīng)的參考幀便無(wú)法被直接利用,為解決這一問(wèn)題,便需要借助一定的方法對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量予以合成[9]。當(dāng)前,在具體的合成過(guò)程中可選擇結(jié)合實(shí)際情況使用不同的方法,目前應(yīng)用較多的主要為3種方法,即前向向量法和前向主向量選擇法(FDVS)以及雙線性內(nèi)插法。

        在實(shí)際的視頻轉(zhuǎn)換過(guò)程中,針對(duì)一個(gè)實(shí)際的圖像序列,在一定的情況不需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償操作。這一過(guò)程中,可選擇應(yīng)用前向向量法[10]。例如,如果經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),相應(yīng)的相鄰視頻幀中有50%~70%以上的宏塊在編碼時(shí),存在較大運(yùn)動(dòng)的可能性較大,則可以不進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。在這一情況下,便可以對(duì)前一幀中相同宏塊的輸入運(yùn)動(dòng)矢量予以直接選用,繼而合成新的運(yùn)動(dòng)矢量。

        2 降低時(shí)間分辨率模型下的動(dòng)態(tài)跳幀與動(dòng)態(tài)修正運(yùn)動(dòng)矢量

        跳幀數(shù)與解碼序列的平滑程度之間存在著十分密切的聯(lián)系,通過(guò)合理的對(duì)跳幀數(shù)進(jìn)行控制,可以獲得較為平滑的解碼序列。為達(dá)到這一效果,可選擇按照一種動(dòng)態(tài)的跳幀機(jī)制來(lái)對(duì)跳幀數(shù)進(jìn)行合理的控制。在實(shí)際生活中,不同的視頻在幀與幀之間的運(yùn)動(dòng)情況方面存在極大的差異[11]。但是,這些幀與幀之間在相互間運(yùn)動(dòng)矢量方面是確定和已知的。為此,在進(jìn)行分析的時(shí)候,可以結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置一個(gè)明確的閾值。在不同的閾值情況下,相應(yīng)的視頻序列中丟幀的情況也各不相同。以該閾值為參照依據(jù),對(duì)視頻中不同的幀進(jìn)行分析,進(jìn)而對(duì)最大累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行計(jì)算。以動(dòng)態(tài)跳幀機(jī)制相關(guān)原理進(jìn)行分析,對(duì)于相鄰的兩個(gè)編碼幀而言,相互之間的跳幀數(shù)目處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)。在對(duì)需要重建的幀進(jìn)行分析,并注意以跳幀數(shù)為參考依據(jù),進(jìn)而對(duì)需要重建的幀進(jìn)行分析,并對(duì)其運(yùn)動(dòng)矢量修正的搜索范圍進(jìn)行明確[12]。

        算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程一共分為兩個(gè)步驟:

        1)第一步:確定第一個(gè)編碼幀,將其設(shè)定為非跳視頻幀。之后,對(duì)該非跳幀下一幀,即第二幀到該幀的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行計(jì)算,并將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。如果計(jì)算和比較結(jié)果顯示,累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量高于閾值,則對(duì)第二幀進(jìn)行編碼操作。之后,再次進(jìn)行非跳幀選擇,以第二幀作為非跳幀繼續(xù)進(jìn)行下一幀的計(jì)算操作[13]。重復(fù)上述操作,將計(jì)算結(jié)果與閾值進(jìn)行和判定。

        2)第二步:如果經(jīng)過(guò)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)所得出的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量高于閾值,則需要將第二幀排除在外。之后,選擇以第三幀為計(jì)算對(duì)象,對(duì)其到第一編碼幀的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量實(shí)施計(jì)算。分析相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果,如果得出的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量依然低于閾值,則需要對(duì)上述操作予以再次重復(fù),按照上述相同的步驟對(duì)第四幀進(jìn)行計(jì)算。之后,再次對(duì)得出的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量與閾值進(jìn)行比較,直至所得到的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量高于閾值為止[14]。在得到高于閾值的運(yùn)動(dòng)矢量之后按照第一步步驟進(jìn)行操作。此時(shí),分別在X方向、y方向?qū)塾?jì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行計(jì)算,并得出相應(yīng)的最大值。之后,以相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),最終獲得運(yùn)動(dòng)矢量的具體動(dòng)態(tài)修正范圍。

        整個(gè)過(guò)程在下列代碼中有所表示:

        3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

        為驗(yàn)證本文的觀點(diǎn),進(jìn)行一定的仿真實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)中,選擇對(duì)QC1F格式的Miss序列實(shí)施仿真。Miss序列權(quán)值與跳幀數(shù)的關(guān)系如圖4所示。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn),Miss序列中權(quán)值與跳幀數(shù)之間存在一定的關(guān)系,W的取值范圍為0~l。而且,在該值大于0.l的時(shí)候,丟幀數(shù)不再隨著閥值的增大而增大。在本次實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)在Miss序列中,一共包含了100幀圖像。以動(dòng)態(tài)跳幀機(jī)制為依據(jù),設(shè)定丟失的幀數(shù)一共為50幀。以前向向量法合成運(yùn)動(dòng)矢量為基礎(chǔ),對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量分修正搜索范圍予以動(dòng)態(tài)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)每編碼一幀丟棄兩幀,則100幀圖像中丟失的總數(shù)量一共為50幀。通過(guò)動(dòng)態(tài)修正可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)處理之后,每幀均平均提高了1.331 0 dB,順利實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跳幀。對(duì)重構(gòu)之后的不同幀圖像進(jìn)行分析,比較其在圖像質(zhì)量方面的情況。經(jīng)比較可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)跳幀處理之后,第4幀與第4幀原始圖像之間存在一定的區(qū)別,但整體差異較小,圖像未出現(xiàn)明顯的失真情況[15]。但是,在經(jīng)過(guò)重構(gòu)之后,被重構(gòu)的第34幀與第34幀的原始圖像進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)基本不存在差異,保持了較為一致的圖像視覺效果(見圖5)。結(jié)合上述結(jié)果也可以了解到,視頻轉(zhuǎn)化編碼的過(guò)程中,在實(shí)施動(dòng)態(tài)跳幀操作的時(shí)候,在注意整體操作效率的同時(shí),也注意合理的控制圖像質(zhì)量,以保證視頻的視覺效果[16]。為達(dá)到這一目的,還需要在操作過(guò)程中結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)相應(yīng)的閾值予以合理的設(shè)定。

        圖4 Miss序列權(quán)值與跳幀數(shù)的關(guān)系分析示意圖

        圖5 第0幀到第4幀動(dòng)態(tài)跳幀與運(yùn)動(dòng)矢量修正情況

        4 結(jié)束語(yǔ)

        總之,日常生活中結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行視頻轉(zhuǎn)換編碼的過(guò)程中,可以針對(duì)不同幀與幀之間累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量的具體大小,按照一定的動(dòng)態(tài)跳幀機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體的動(dòng)態(tài)跳幀轉(zhuǎn)換編碼過(guò)程中,為更好的調(diào)整修正運(yùn)動(dòng)矢量的范圍,還可以進(jìn)行一定的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)矢量修正。經(jīng)仿真研究也可以證實(shí),能夠有效提高圖像的信噪比,獲得了理想的轉(zhuǎn)換編碼效果。

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