圖像塊平坦測度與系數(shù)掃描方式選擇

圖像塊平坦測度與系數(shù)掃描方式選擇

摘要：本文介紹了圖像塊平坦測度的概念，提出圖像的水平測度和垂直測度，并在此基礎(chǔ)上提出了簡單有效的掃描方式選擇策略。關(guān)鍵詞：圖像塊平坦測度掃描模式H.2631．問題的提出在眾多的圖像編碼建議中，如H.261/H.263幀內(nèi)圖像編碼都需要通過DCT變換，將圖象從空間的表達(dá)式/空間域轉(zhuǎn)化為頻譜表達(dá)式/頻率域。這樣變換后，只需要少量的數(shù)據(jù)點就可以表示圖象。并且DCT產(chǎn)生的系數(shù)很容易被量化，可獲得好的塊壓縮。在量化后，圖像矩陣中的大多數(shù)DCT系數(shù)都被截取為零值。在這些圖像塊的DCT系數(shù)的游程編碼前，一般都要按一定并且可選的方式對系數(shù)進(jìn)行重新排列，排列的目的是增加游程編碼的效率，使得盡可能多的零相連。在H.263建議中，在高級幀內(nèi)編碼模式中給出了一些指導(dǎo)性的建議和掃描的順序，但是建議本身并不提供如何實際地選擇系數(shù)掃描模式。而且是不是只有在高級幀內(nèi)編碼模式中才能應(yīng)用多種掃描模式，建議并未指明。本人在實際的視頻壓縮編碼研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，掃描方式的選擇與圖像的平坦測度有直接的關(guān)系，并且通過平坦測度測定和圖像塊方差可以簡單地確定系數(shù)掃描方式。并且正確選擇率較高。同時把這一掃描模式選擇推廣到任何幀內(nèi)編碼宏塊。2．塊的平坦測度塊的平坦測度（Flatnessmeasurement）指塊的像素在水平和垂直兩個方向上的綜合分布特點。假定塊的大小為大小。塊的平坦測度定義如下：其中和分別是塊的垂直和水平平坦測度，a、b是比例因子，它們的作用是調(diào)節(jié)水平和垂直平坦測度以獲得子塊的綜合平坦測度。一般，和分別定義如下：其中：和定義如下：其中FM（）為相鄰像素平坦測度函數(shù)，定義如下：T是控制閾值，控制閾值的確定由人類視覺系統(tǒng)對于像素亮度變化的敏感度決定。一般而言，閾值可以由實驗的出。對于控制閾值的選擇是獲得優(yōu)良編碼性能的關(guān)鍵，控制閾值的選擇依賴于圖像塊本身的起伏特性，圖像的起伏特性可以由圖像像素的方差表征。如果圖像的像素的方差較大，則閾值也要較大，否則，方差較小，閾值也小。方差的計算可以由下式完成：其中：在實際計算時可以簡化為：得到方差后就可以用實驗的方法獲得控制閾值T，本人在實驗中得到的經(jīng)驗公式為：另外控制閾值與量化參數(shù)也有一定的關(guān)系，直觀的分析表明，控制閾值大，子塊的平坦度小，控制閾值小，子塊的平坦度大，，因為控制閾值與圖像的方差為線性關(guān)系。通過對HVS(HumanVisualSystem)的分析，HVS對平坦區(qū)域比對非平坦區(qū)域更加敏感，因此如果一個塊的平坦測度較大，就要采用精細(xì)量化，反之則采用粗糙量化。通過平坦度和控制閾值的關(guān)系我們可以調(diào)整量化參數(shù)，從而有效地分配碼位，達(dá)到較好的圖像質(zhì)量。3．系數(shù)掃描方式的選擇策略可以通過測度圖像塊的平坦測度來決定對于子塊的掃描方式。在H.263標(biāo)準(zhǔn)的高級幀內(nèi)編碼方式中有三種掃描方式：ZigZagScan（暫且稱之為Z形掃描）、Alternate-HorizontalScan(稱之為輪流水平掃描)和Alternate-VerticalScan(稱之為輪流垂直掃描)。但是我們可以把這種做法推廣到一般的編碼塊中。一般而言，對于原始圖像塊采用這種掃描選擇策略獲得的較好的編碼性能，而幀差信號的分布隨機性較大，一般適合Z形掃描。當(dāng)然，如果采用也可以在一定程度上提高編碼效率。Z形掃描子塊中所有頻率分量都比較均勻，這種情況適合Z形掃描。掃描路徑見圖1。輪流水平掃描如果塊中包含較強的水平頻率分布，也就是非零DCT系數(shù)主要集中垂直方向的低頻部分。表現(xiàn)在像素亮度上則是塊在垂直方向上較為平坦。掃描路徑見圖2。輪流垂直掃描如果子塊中包含較強的垂直頻率分布，也就是非零DCT系數(shù)主要集中水平方向的低頻部分。表現(xiàn)在像素亮度上則是塊在水平方向上較為平坦。掃描路徑見圖3。具體確定掃描方式的策略如下：1）如果水平平坦測度和垂直平坦測度之差小于DIST，采用ZigZag掃描。否則轉(zhuǎn)2。之所以采取這種方案是因為幾乎一半以上的圖像塊適合ZigZag掃描。2）如果水平平坦測度和垂直平坦測度之差大于等于DIST，則選擇較小的平坦測度作為掃描的方式。例如，水平測度小于垂直測度，就選擇水平掃描方式。DIST稱為測度失真，它表征在平坦度測定過程中可能出現(xiàn)的誤差。這里有個問題就是如何確定DIST，DIST一般在通過實驗得到，量化參數(shù)和圖像方差決定它的取值，其值一般在[5，9]中間取值。通過DIST的選取能明顯提高掃描模式的選擇的正確率。DIST值取得大，有利于ZigZag掃描的正確選擇，而DIST取值小，有利于另外兩種掃描的正確選擇。以上對于DIST的選擇是靜態(tài)的。另外，可以設(shè)計一個函數(shù)，，其中是圖像的垂直和水平平坦測度，是圖像的方差，Q是圖像的量化參數(shù)。由于平坦程度的測定比較粗糙，控制閾值的確定也只是從統(tǒng)計意義上得出，因此通過上述方法得到的掃描模式不可能保證總是效率最好的編碼，有時候會出現(xiàn)相反的情況，但是將上述方法應(yīng)用于幀內(nèi)編碼宏塊時命中率一般大于65%。方差的計算量較大，難以在實時應(yīng)用中使用。但是考慮到原始圖像的連續(xù)性可以計算宏塊的方差，在實際操作時只抽取部分像素作為樣本，從而減少算量。例如可以采用下圖的方法在計算圖像的方差是可以采取隔行列，這樣獲得方差計算量可以減少到1/4，計算出的方差用于四個子塊的平坦度測定。通過對方差以及平坦測度的計算可以明顯看出其算法規(guī)律性強，適合于利用MMX技術(shù)指令實現(xiàn)，從而大大提高速度。一般將平坦度測定用于幀內(nèi)編碼的圖像宏塊中，而在幀間編碼的宏塊中統(tǒng)一采用ZigZag掃描，因為，幀間編碼圖像宏塊像素分布隨機性大，采用其他兩種類型的掃描策略編碼效果不明顯，并且采用上述掃描方式選擇方法命中率較低，而復(fù)雜的選擇策略顯著影響編碼速度。通過對6000幀圖像中所有的I宏塊進(jìn)行統(tǒng)計，得到下表方法平均位數(shù)（Bit）單純Z形掃描18.97平坦測度選擇掃描16.63掃描方式對編碼性能的影響4．總結(jié)通過平坦測度來選擇掃描模式具有簡單、有效和可操作性強的特點，便于在實際應(yīng)用中采用。參考文獻(xiàn)：1．賈志科，崔慧娟，唐昆，馮重熙。"H.263活動圖像編碼器碼率控制研究"，1997，通信學(xué)報。2．SungDeukKim，