曹 強，周 存

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西景德鎮(zhèn) 333000)

1 引言

視頻一般是指通過電信號捕捉、記錄、處理、存儲、傳輸和再現(xiàn)的一系列靜態(tài)圖像。如果連續(xù)圖像每秒變化超過24幀，根據(jù)視覺保持原理，人眼無法分辨出單一的靜態(tài)圖像。數(shù)字圖像和視頻作為可視化和信息交互的重要媒介，在視頻通話、視頻會議、視頻廣播、高清電視、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議電視、視頻監(jiān)控和視頻點播等領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展。

為了解決圖像和視頻在帶寬有限的信道中傳輸?shù)膯栴}，減少這些圖像和視頻數(shù)據(jù)的存儲空間，提出了圖像和視頻壓縮編碼方法。數(shù)字視頻壓縮的根本是數(shù)字視頻中存在大量的冗余信息[1]。壓縮編碼分為無損壓縮和無損壓縮，無損壓縮為了保證解壓縮后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)一致，通常壓縮效率不太高，壓縮比一般只有50%左右。有損壓縮雖然可以大大降低壓縮速率，但會帶來不同程度的失真。在圖像失真最小的情況下，如何盡可能提高壓縮效率是視頻壓縮編碼優(yōu)化研究的重點。

幀間和幀內(nèi)的高相關(guān)性意味著視頻圖像中存在大量冗余信息。冗余信息可分為空域冗余信息、時間冗余信息和視覺冗余信息。視頻壓縮就是在保證視頻解碼質(zhì)量的前提下，最大限度地減少數(shù)據(jù)量，消除各種冗余信息[2]。傳統(tǒng)的視頻壓縮編碼方法包括變換壓縮編碼方法、量化壓縮編碼方法、熵編碼等，然而上述傳統(tǒng)的主要針對的是離線的視頻，將其應(yīng)用到嵌入式在線視頻的壓縮工作中會存在壓縮失真率和誤碼率高的問題，同時由于算法輸出的圖像尺寸較大，會占用大量的存儲空間和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑诰€視頻空間。針對傳統(tǒng)壓縮方法存在的一系列問題，提出了一種基于幀間信號的嵌入式在線視頻自適應(yīng)壓縮方法，優(yōu)化了壓縮性能和壓縮效率。

2 在線視頻幀間信號自適應(yīng)壓縮方法設(shè)計

嵌入式在線視頻是基于分組傳輸?shù)拈g歇異步傳輸。對于一個實時視頻源，它在傳輸過程中被分解成多個包。由于網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的，每個包可能選擇不同的路由，所以到達(dá)客戶端的時間也不同，甚至第一次發(fā)送的包也可能延遲[3]。為了達(dá)到這一目的，采用緩存系統(tǒng)來補償時延和抖動，保證正確的分組順序，使媒體數(shù)據(jù)能夠不間斷地連續(xù)輸出，不因網(wǎng)絡(luò)的暫時擁塞而中斷，從而實現(xiàn)在線視頻的實時壓縮。設(shè)計方法的自適應(yīng)壓縮過程如圖1所示。

圖1 嵌入式在線視頻幀間信號壓縮流程圖

2.1 設(shè)置嵌入式視頻信號壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)

H264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計目標(biāo)之一是實現(xiàn)高收縮性能。AVC的基本功能模塊包括預(yù)測編碼、變換、量化和編碼。為了提高數(shù)據(jù)壓縮率，H.264編解碼器對各功能模塊進(jìn)行了改進(jìn)和改進(jìn)。H264/AVC功能可分為兩個層次：視頻編碼層VCL和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL[4]。其中，視頻編碼層主要負(fù)責(zé)視頻內(nèi)容的高效編碼，而網(wǎng)絡(luò)提取層主要負(fù)責(zé)視頻的適當(dāng)映射或封裝。其中，相應(yīng)的信令和封裝屬于網(wǎng)絡(luò)抽取層。在視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)提取層之間定義了基于包的接口。H264/AVC的主要功能層是視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)提取層，分別負(fù)責(zé)高效編碼和網(wǎng)絡(luò)友好性。在H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，幀間預(yù)測主要利用視頻幀間的時間相關(guān)性，通過運動估計和運動補償來去除視頻圖像中的冗余信息，支持1/4像素和1/8像素的運動矢量。6抽頭濾波線的插值類似于1/8像素精度運動矢量和8抽頭濾波線的插值。在H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中，增加了大小塊的分割方法。根據(jù)待編碼視頻圖像的特點，選擇更合適的塊大小進(jìn)行自適應(yīng)編碼，大大提高了編碼精度和效率[5]。在H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中，增加了大小塊的分割方法。根據(jù)待編碼視頻圖像的特點，選擇更合適的塊大小進(jìn)行自適應(yīng)編碼，大大提高了編碼精度和效率。整數(shù)離散余弦變換的正變換過程如式(1)所示

(1)

同理可以得到整數(shù)離散余弦變換的反余弦變換。對于視頻圖像大面積緩慢變化的情況，可以采用直流系數(shù)的二次變換方法來消除小尺寸引起的灰度差[6]。視頻圖像中對亮度塊的哈達(dá)碼變換如下

(2)

式中，WD為初始視頻圖像中的亮度塊矩陣。另外視頻圖像中色度快的哈達(dá)碼變換可以表示為

YD=Hj×WD

(3)

式中，Hj表示視頻圖像標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化系數(shù)。根據(jù)視頻標(biāo)準(zhǔn)量化過程中圖像的動態(tài)范圍大小，確定量化參數(shù)，既能減少碼流，又能保持圖像的必要細(xì)節(jié)[7]。具體量化原理如下式所示

(4)

式中，F(xiàn)Q為y的量化值，y為輸入樣本點編碼，QP為量化步長，round()表示的是取整函數(shù)。定量步驟Qstep定義了52個不同大小的值，這些值以12.5%的增量變化，由QP索引。如果QP的最大值為51，則為最粗量化；如果最小值為0，則為最精細(xì)量化[8]。每增加6個QPS，量化步長的Qstep將加倍。在實踐中，可以根據(jù)需要選擇寬范圍的量化步長。顏色編碼和亮度編碼一般采用相同的量化步長[9]。在現(xiàn)有的H.264標(biāo)準(zhǔn)中，色度的最大QP值通常被限制在亮度的最大QP值的80%，以避免在高量化步長的情況下進(jìn)行人工顏色量化。綜上所述可以得出嵌入式視頻的距離量化算法為

(5)

式中，Yij代表轉(zhuǎn)換系數(shù)，量化計算結(jié)果為輸出的量化系數(shù)。

2.2 提取在線視頻動畫關(guān)鍵幀

從視頻幀中提取視頻的運動特征，根據(jù)所提取的運動信息來獲取關(guān)鍵幀，就是基于運動特征的關(guān)鍵幀提取算法的基本原理。計算相鄰兩幀圖像中對應(yīng)位置像素值變化的平均值，并將相鄰幀之間的差值定義為

(6)

式中Ik(x，y)和Ik+1(x，y)分別表示第k幀和第k+1幀在(x，y)處的亮度值，M和N分別表示該幀的高度和寬度。式(6)計算出的值小表示幀間差異小，反之則表示幀間發(fā)生了較大的變化。當(dāng)式(6)的計算結(jié)果大于某一設(shè)定的閾值時，則認(rèn)為此幀為關(guān)鍵幀。

2.3 幀間相關(guān)性分類

在分析提取的嵌入式在線視頻關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮了目標(biāo)幀與前一幀的相關(guān)性和參考幀與下一幀的強相關(guān)性[10]。為此，將第一幀設(shè)置為關(guān)鍵參考幀，第三幀設(shè)置為前向預(yù)測幀，第二幀設(shè)置為雙向預(yù)測幀，三個設(shè)定幀分別記為I幀、P幀和B幀。該算法對P幀和I幀進(jìn)行相同的非重疊塊處理，并將其分別分為D*D和K塊。P幀Xt+1的第i塊圖像塊的原始數(shù)據(jù)與I幀Xt-1中對應(yīng)位置的圖像塊之間的差值反映了這兩幀對應(yīng)圖像塊之間的相關(guān)性。因此，相應(yīng)圖像塊之間的殘差能量值的大小可以作為P幀圖像塊的分類依據(jù)，其表達(dá)式如下

(7)

2.4 嵌入式在線視頻幀間運動估計

嵌入在線視頻幀間運動范圍以其亮度值的最大值和最小值之比來估計幀間運動范圍內(nèi)的視頻運動。幀間運動估計對搜索區(qū)域內(nèi)所有可能的候選位置，從中尋找最小SAD值，其對應(yīng)的偏移即為運動矢量，具體的搜索估計過程如圖2所示。

圖2 視頻動畫幀間運動搜索估計圖示

從圖2中的原點開始，沿順時針方向從近到遠(yuǎn)計算每個像素的SAD值，直到遍歷整個搜索區(qū)域中的所有點[11]。找出所有SAD中塊誤差最小的MBD點，該點對應(yīng)于最優(yōu)運動矢量。通過對提取的關(guān)鍵幀進(jìn)行合成，可以得到下一幀的運動估計結(jié)果。

2.5 安裝視頻幀間信號壓縮編碼器

圖3表示的是視頻幀間信號壓縮編碼器的基本結(jié)構(gòu)。

圖3 視頻幀間信號編碼器工作原理圖

該編碼器可以實現(xiàn)視頻信號的紋理編碼和運動編碼。該代碼確定編碼位是0還是1，最終編碼結(jié)果由編碼器規(guī)范化。寄存器的位移位，每個寄存器的移位數(shù)為1。當(dāng)CT為0時，壓縮后的數(shù)據(jù)將通過字節(jié)輸出過程從寄存器C中刪除，并繼續(xù)進(jìn)行規(guī)范化處理，直到A不小于0×8000為止。將關(guān)鍵幀提取和幀間運動估計的結(jié)果作為編碼器的輸入，根據(jù)設(shè)定的壓縮編碼規(guī)則得到最終的幀間信號壓縮結(jié)果。

2.6 選擇自適應(yīng)門限

利用壓縮編碼器可以實現(xiàn)關(guān)鍵幀之間的壓縮，但在實際的在線視頻回放或傳輸過程中，需要設(shè)置一定的自適應(yīng)閾值，對關(guān)鍵幀進(jìn)行自適應(yīng)提取和量化[12]。不同的在線視頻動畫運動特征參數(shù)σx，可以得到不同的幀間信號分布函數(shù)范例，因此視頻動畫圖像編碼風(fēng)險最小意義上的最佳門限值為：

(8)

式中r(T)為在線視頻動畫圖像運動的估計結(jié)果。

2.7 實現(xiàn)在線視頻幀間信號自適應(yīng)壓縮

為了在H.264標(biāo)準(zhǔn)約束下獲得更高的壓縮比，編碼器將根據(jù)現(xiàn)有的語法元素自適應(yīng)地動態(tài)調(diào)整碼表。對于不同對象的編碼，可以使用同一碼表進(jìn)行編碼，這樣更有利于編碼的實現(xiàn)。經(jīng)過預(yù)測編碼、變換和量化后，需要對視頻圖像進(jìn)行掃描和重新排序，為后續(xù)的幀間信號編碼做準(zhǔn)備。在基本層對比度壓縮過程中，引入f(t)并得到視頻幀間信號對比度的壓縮結(jié)果，如式(9)所示

I′base(x，y)=lg(2+f(t)×8)×Ibase(x，y)

(9)

其中Ibase(x，y)和I′base(x，y)分別為壓縮對比度操作前后的圖像亮度分量。為了降低視頻動畫圖像編碼壓縮產(chǎn)生的失真情況，對壓縮結(jié)果的細(xì)節(jié)進(jìn)行補償和色彩保持。經(jīng)過上述處理后，通過安裝的壓縮編碼器輸出嵌入式在線視頻幀間信號自適應(yīng)的壓縮結(jié)果。

3 仿真分析

為了測試設(shè)計的嵌入式在線視頻幀間信號自適應(yīng)壓縮方法，將其應(yīng)用到實際的在線視頻播放軟件中進(jìn)行仿真測試，并觀察設(shè)計的壓縮方法與傳統(tǒng)壓縮方法相比存在的性能優(yōu)勢。

3.1 仿真環(huán)境

實時讀取視頻數(shù)據(jù)，顯示YUv4:2:0顏色采樣和8位量化4-K序列。幀速30時，讀寫速度要求為373.25MB/s，主測試計算機安裝在仿真環(huán)境中，計算機主板型號為Dell 06 FWOP，處理器為IntelXeonX650@2.67GHZ，圖形卡為GEFORGTX 680，存儲空間為24G。在設(shè)備上安裝MediaPlayerClassic視頻播放器，并調(diào)整播放器與網(wǎng)絡(luò)的比率模式。顯示器的亮度、對比度、飽和度等參數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗要求進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。除試驗設(shè)備外，還按照ITU-RBT500-13的要求，建立了試驗環(huán)境和試驗環(huán)境。測試環(huán)境的亮度和測試環(huán)境墻的背景亮度都在一定范圍內(nèi)。

3.2 嵌入式在線視頻樣本序列

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下調(diào)用視頻源6個，局域網(wǎng)調(diào)用9個，網(wǎng)絡(luò)視頻源調(diào)用12個，局域網(wǎng)調(diào)用12個，網(wǎng)絡(luò)視頻源調(diào)用12個。用兩個視頻序列訓(xùn)練測試過程，用10個視頻序列測試樣本。在分辨率為3840x2160和30幀速率的情況下，所有視頻序列具有相同的分辨率和幀速率。三個基本序列的持續(xù)時間分別為10、8和8秒，而其它視頻源的持續(xù)時間僅為10秒。所選視頻源全部采用逐行掃描格式，顏色采樣率為位量化。

3.3 仿真過程

為了形成實驗對比，體現(xiàn)出設(shè)計自適應(yīng)壓縮方法的運行優(yōu)勢，在仿真中還設(shè)置了傳統(tǒng)的壓縮方法和文獻(xiàn)[8]提出的VPx幀內(nèi)壓縮方法作為實驗的兩個對比方法。在主測計算機的驅(qū)動下，得出壓縮方法的登錄主界面，其中設(shè)計方法的運行界面如圖4所示。

圖4 在線視頻幀間信號壓縮登錄界面

分別將準(zhǔn)備的仿真視頻樣本序列導(dǎo)入到視頻幀間信號壓縮登錄運行界面中，并通過壓縮方法的運行輸出壓縮結(jié)果。

3.4 仿真結(jié)果分析與對比

為測量設(shè)計自適應(yīng)壓縮方法的編碼效率，通過實驗研究了三種組態(tài)下視頻幀間信號的壓縮性能。統(tǒng)計視頻壓縮結(jié)果的誤碼率、壓縮體積之間的差別，從而得出仿真的對比結(jié)果。

3.4.1壓縮誤碼率

綜合不同嵌入式在線視頻的播放速度情況，得出壓縮誤碼率統(tǒng)計結(jié)果，如圖5所示。

圖5 壓縮誤碼率統(tǒng)計對比曲線

壓縮誤碼率指標(biāo)是錯誤壓縮編碼與總壓縮編碼之間的比值，由此便可以得出不同樣本在不同播放速度下的誤碼率變化情況。從圖6中的曲線波動情況可以看出，相比于兩種對比壓縮方法，設(shè)計方法的誤碼率更低。

3.4.2視頻幀間信號壓縮體積

將所有關(guān)于壓縮體積和壓縮文件占用內(nèi)存空間的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 壓縮體積對比結(jié)果

綜合表1中的所有數(shù)據(jù)，通過橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，針對相同的視頻樣本設(shè)計方法的壓縮結(jié)果占用空間更小。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過嵌入式在線視頻幀間信號自適應(yīng)壓縮方法的設(shè)計與應(yīng)用，能夠同時實現(xiàn)視頻的播放與壓縮，為視頻用戶提供更好的體驗。然而此次實驗中主要使用的是與壓縮方法兼容的視頻播放器設(shè)備，然而在實際的應(yīng)用中會出現(xiàn)自適應(yīng)壓縮方法與播放器不兼容的情況，針對這一問題還需要進(jìn)一步研究和分析。