圖像-視頻壓縮技術中若干關鍵問題的研究.pdf

1、隨著下一代網(wǎng)絡（NGN）、第三代移動通信（3G）與涉及3G演進的B3G（BeyondIMT-2000，超3G）和下一代寬帶無線（NGBW）等對視頻、多媒體業(yè)務與網(wǎng)絡應用需求的飛速發(fā)展，以及硬件處理平臺的增強和存儲器成本的降低，提高編碼效率和速度、增強網(wǎng)絡環(huán)境穩(wěn)定性的圖像、視頻編碼技術的需求日益上升。近年來，隨著芯片技術的發(fā)展，手持移動設備發(fā)展迅速，由于它的計算能力和存儲空間十分有限，對圖像、視頻的處理算法要求運算量和存儲量更少。雖然圖像

2、、視頻壓縮編碼技術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的需求。圖像、視頻的編碼與傳輸技術是當今信息科學與技術的前沿課題，受到了理論界和工程應用的廣泛重視。 本文以國家自然科學基金項目“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”和山東省自然科學基金項目“圖像國際標準的優(yōu)化實現(xiàn)技術研究”為依托，重點分析了各種圖像、視頻壓縮編碼技術和目前流行的圖像/視頻壓縮編碼及傳輸?shù)膰H標準在實際應用系

3、統(tǒng)中存在的難點和關鍵問題，并對這些關鍵問題進行了系統(tǒng)的、較為全面的研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點包括以下幾點： （1）研究二維離散余弦變換（DCT/IDCT）快速計算模型 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，利用基本圖像的對稱性減少DCT計算量，實現(xiàn)了較獨立地快速計算每一 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)的新模型的基礎上，自適應地選擇計算非零DCT量化系數(shù)，余下的DCT系數(shù)可當作零值不再計算。實驗以多幅標準圖像為例，結果表明：使用該算法，每8×8圖像子塊中，平均僅有0.156個非零變換系數(shù)被漏算，而且這些漏算的DCT系數(shù)的值一般都是±1，這樣，與完整計算DCT和量化的算法相比，二者的恢復圖像質(zhì)量在

5、主觀上察覺不到差別，在客觀質(zhì)量上相差非常小，而運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。該算法通過三個技術降低二維8×8 IDCT的運算量：（1）利用基本圖像的對稱性；（2）把反量化過程和IDCT融為一步；（3）利用實際圖像數(shù)據(jù)的特點：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。理論分析和實驗結果表明，三種技術的融合大大減少計算量。以多幅標準圖像為樣本數(shù)據(jù)，對新方法

6、和當前最有影響的Feig算法做了比較，結果表明：本文算法的乘法次數(shù)降了約60％，加法次數(shù)降了約15％。 （2）研究無乘法的二維離散余弦變換（DCT/IDCT）快速計算模型 這項研究是針對目前很多實際應用都強調(diào)避免乘法運算的要求，以及存儲器芯片愈來愈便宜，體積愈來愈小的特點。 基于基本圖像概念，提出了一種直接快速計算二維8×8 DCT量化系數(shù)的查表算法。算法消除乘法運算的同時，也減少了加法運算量。通過設計查找表結構和

7、組織數(shù)據(jù)，使得每次查表得到的不是一個數(shù)據(jù)而是一組數(shù)據(jù)，減少了查表次數(shù)；通過研究基本圖像的對稱性及DCT過程中數(shù)據(jù)范圍，減小了查找表（LUT）長度。在圖像變換編碼時，利用本文算法可只計算需要被編碼和傳輸?shù)牡皖l變換系數(shù)，以大大減少運算量。 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）結構的設計是基于二維8×8 DCT的基本圖像。利用兩種技術減小查找表長度

8、：①利用基本圖像的對稱特性；⑦通過對離散余弦正變換（DCT）和量化過程的分析，推導出每個量化后DCT系數(shù)的取值范圍。若量化矩陣具有對稱性q（u，v）=q（v，u），LUT的長度還可減少近半。新算法利用查表法消除IDCT中乘法運算，并利用圖像數(shù)據(jù)的特點和基本圖像的對稱特性大大減少加法次數(shù)，提高了計算速度。 （3）研究圖像壓縮過程中的重要環(huán)節(jié)之間的關聯(lián)性，建立快速計算模型 提出了RGB與YUV之間彩色空間轉(zhuǎn)換運算的快速算法。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/逆量化過程兩環(huán)節(jié)結合考慮使乘法運算得到大幅度地減少。此算法并不改變圖像壓縮過程中各環(huán)節(jié)的處理結構，所以不會影響采用其他已有的優(yōu)化技術，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）三個環(huán)節(jié)結合考慮來減少運算量，而且在降低了彩色轉(zhuǎn)換運算量的同時，并不影響其他兩環(huán)節(jié)的運算量。在各種圖像子采

10、樣情況下，新算法在壓縮或解壓縮過程中，運算速度都得到了有效地提高。 （4）研究國際標準H.264/AVC中二維4x4整數(shù)變換的快速計算模型 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視頻壓縮標準的解壓計算的時間提供了新技術。實驗以多個標準視頻為例，結果表明：新算法計算一塊二維4x4逆整數(shù)變換，平均只需要2.66069次加法運算和0.34835次平移操作，比目前已存在的有影響的