怎么把视频传到空间

第３Ｏ卷第１期

：２００８年２月

电气电子教学学报

： ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ！ＥＥＥ

Ｖ０Ｌ ３ｏ Ｎ０．１

Ｆｅｂ．２００８

基于空间域实现视频压缩传输方法的研究 。

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、

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＋‘徐凯，赵 癣 、

≮山东大学、信息科学与工程学院，山东济南２５０１００） 一 ， ～

。

，

１ 。 一 。 ． 一

摘 针 不同用户对视频信号分辨 的不 ，人们提 了许多降低分辨率的算法 其目 是为了解决视频信号的传输对带宽的占用

问题。因此，提高信噪比和璺Ｉ｝低带宽占用成为焦点。本文在分析了传统降低分辨率算法的基础上，提出了一种新的基于空间域的降低分辨率

的改进算法。实验结果表明，本文方法不仅提高了信噪比，降低了带宽的占用，而且恢复之后的图像具有较好的视觉效果。

关键词：空间域；分辨率；峰值信噪比 函ｊ

中圈分类号：ＴＮ９１１．７３ 文献标识码：Ａ 文章＿编号：１ｏｏ８ ６８６Ｉ２ｏｏ８）ｏ１ ｏ５６—０４

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．Ａｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ

ｔｈｅ Ｖｉｄｅｏ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ Ｂａ ｓｅｄ ｏ ｎ ｔｈｅ Ｓｐａｃｅ Ｄ ｏｍａ、ｉｎ ，

一： Ｊ ＸＵ Ｋａｉ．ＺＩ啪 Ｈｕｉ ‘

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ’ｎａｎ ２５０｝００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｏｐｌｅ＇ｓ ｄｅｍａｎｄｓ：ｆｏｒ ｖｉｄｅｏ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｍａｎｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ

ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｍ ｔｏ ｄｅ ｃ

．

ｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｂａｎｄ－ｗｉｄｔｈ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ａｎｄ

ｄｅｃＴ

．

ｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｎ＆ｗｉｄｔｈ ｈａｖｅ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ｍｕｃｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ａ ｎｅｗ ｉｍｐｒｏｖｅｄ

，

ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｒｅｓｏｌｕ—

ｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐａｃｅ ｄｏｍａｉｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｂａｓｅｄ ０ｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ

ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ－ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｂａｎｄ－ｗｉｄｔｈ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎ ｂｅｔ－

ｔｅｒ ｏｐｔｉｃａ１ ｅｆｆｅｃｔ ａｆｔｅｒ ｒｅｓｕｍｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ． ， ‘

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅ－ｄｏｍａｉｎ；ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｐｅａｋ ｓｉｇｍａｌ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ（ＰＳＮＲ）

１研究背景一 －、 ～

。

宽

ｖ－频分辨 的算法可以基于空间域，也可

视频数据通常都以压缩域的形式存在。在 爹 。甚于盛缩域。基于空间域的下采样方法有：Ｍｅｒｈａｖ

应用场合，人们需要除了原始分辨率之外的多种分

辨率的视频信号。例如，在浏览一个远程的视频数

据库时，为了节约带宽，可以向用户传输一个低分辨

率的视频剪辑。如果甩户对该视频感兴趣，我们再

向用户传输高分辨率的视频图像。又如在视频会议

中，由于分会场画面很多，为了能够接收更多的分会

场画面，必须进行降低视频分辨率达到降低传输带

． 。

， ．

提出的抗混叠滤波器Ｌ１］，即将每一个２×２的子块用

一个像素代替，其强度是原始４个像素的平均值；而

Ｈｕ假定相邻四个像素相等，任抽取一个，得到了其

ＤＣＴ域上的关系式［２ ，Ｃｈａｎｇｈｏｏｎ提出了一种下采

样算子，只截取奇数坐标点的像素来达到降低分辨

率的目的［３ 基于压缩域的下采样方法一般在

ＤＣＴ域上实现，ＤＣＴ域的下采样方法有：Ｄｕｇａｄ等

收稿日期，２００７ｒ０６—２８；修回日期；２００７－１１一 ９． ． ．

－

●

’

ｔ 作者简介：徐凯（１９８２一）男，硕士研究生，主要研究方向为视频的压缩编码研究，Ｅｒｎａｉｌ：ｓｄｘｕｋａｉ＠ｍａｉｌ．ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｅｎ

赵辉（１９５７－）男，教授，主要从事信号与信息处理数字与科研工作。 ． ．

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第 １期 徐凯，赵辉：基于空间域实现视频压缩传输方法的研究 ５７

人提出将一个８Ｘ 的 ＤＣＴ．块只截取４×４的低频

系数，这主要是利用了Ｄ（ 变换后的能量集中特

性［ ；而Ｍｕ ｅｅ等人提出了一种对Ｄｕｇａｄ算法

的一种设进方法［５ ；Ｙｉｍ等人提出了＿种下采样算

子，该方法实际上是一种空间域技术和压缩域技术

的结合等等［６］。但这些技术存在以下两个问题：一

是简单的舍去ＤＣＴ的高频分量，往往会在转换后

的视频流中弓ｌ入新的误差，而这种误差在一个ＧＯＰ

（Ｇｒｏｕｐ ｏｆ Ｐｉｃｔｕｒｅ）内是逐步传播的，即带来错误漂

移；二是截去ＤＣＴ．的高频分量后 逆ＤＣＴ变换可

能使量化噪声集中到某 个，Ｊ 块内，使相邻像素的

误差显著不同，而产生图像失真。 一

本文提出了一种新的基于空间域的降低视频分

辨率的解决方法。用每一个２×２的子块中最有代

表性的一个像素代替这 个像素。实验结果表明：

上采样后，重构图像的信噪比（ＰＳＮＲ）与文献［１３提

出的方法相比，本文的方法更优。 ＿

、 。 、 ：． ，

。 ２

、编码设计机理

，

＇ ｔ

本文基于网络的降低视频分辨率编解码框图如

图１所示。 ～

从图可以看出，首先对视频进行降低分辨率

的处理，然后进行压缩编码，再通过网络传输。在

接收端先进行视频信号的解压缩处理，然后进行

视频分辨率的恢复。下面我们将从降低分辨率、

运动矢量的再估计和分辨率的恢复三个方面进行

￣；ｌｆ。 －

，

．１， 入视频 出视频 ｌ

降低分辨率 ｌ 分辨率恢复

视频信源编码器ｌ ｌ视频信源解码器

视频复合编码器ｌ Ｉ视频复合解码器

传输缓冲器 ｌ －－ｌ接收缓冲器

Ｉ传输编码器’ 因特网 叫传哈解码器 Ｊ

Ｉ＿＿＿．＿＿＿＿．＿－＿＿＿＿＿－．．＿＿＿＿＿＿一’。 ＿＿ 、－． ｒ ‘＿．＿＿＿．．．－＿＿＿＿＿．＿．－＿＿＿＿－．＿一

｛

图１基于网络的降低视频分辨率传输原理图

２．１降低视频分辨率、

基于空间域的降低分辨率的具体算法如下。

（１）对图像进行分块处理，将其分成一个个不重

叠的２×２的子块。假设存在下面一２×２的子块，

如图２所示。其中Ｃ（１，１），Ｃ（１，２），Ｃ（２，１），Ｃ（２，

２）为对应点的像素值。 ，

。匝涸

． Ｌ ： 生 ｌ

、豳‘２．： 空阃域 ２￣２的块

（２’） 内晦 傻素点分鄹 余三个点

求差，取其绝对值再求和： ０

对于Ｃ（Ｌ１）：ｓ曲ｈ（ｒ，１）＝ａｂｓ［Ｃ（１；１）一Ｃ（１，

２）Ｊ＋ａｂｓ［Ｃ（１，１）一Ｃ（２，１）Ｊ＋ａｂｓ［－Ｃ（１，１）一Ｃ（２，２）３

（１）

对于Ｃ（１，２）：ｓｕｍ（１，２）一ａｂｓ［－Ｃ（１，２）一Ｃ（１，

１）Ｊ＋ａｂｓＥＣ（１；２）一Ｃ（２，１）］＋ａｂｓ［Ｃ（１，２）一Ｃ（２，２）３

、

一 ＾ （２） 噌．， 、 、‘一，

对＝于 ２，１ｊ ｌ１ｔ躜‘２ １）；ａｂｓ［Ｃ（２，１）一ｃ（１，

１）Ｊ＋ａｂ 亡 臻ｊ］士ａｂｓ ｅ落ａ）ｉｃ（２，２）］

ｌｌ＿ ‘ ：

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ｔ （３）

对于ｅ ，２）：ｓｕｍ（２，２）一ａｂｓＥｃ（２，２）一Ｃ（１，

１）Ｊ＋ａｂｓ［－Ｃ（２，２）一Ｃ（１，２）］－ｔ－ａｂｓ［－Ｃ（２，２）一Ｃ（２，１）Ｊ

（４）

上式中，ａｂｓ为取绝对值符号。

（３）对求和结果进行比较，得到其中最小的和

值。用最小和值的对应像素代替这四个像素，这样

用其中一个像素代替这四个像素就达到了降低分辨

率的目的。假设ｓｕｍ（１，１）最小，则用Ｃ（１，１）代替

上面的四个像素，如图３所示。

Ｃｌ（１。１） ｃ（ｔ，２）

ｑ２，１） ２，２）

图３下采样不例

从实验结果可以看出，本方法所得到的像素更

能代表原始的四个像素。但是在实验过程中发现，

对于所得到的四个和值，出现了部分和值甚至全部

和值相等且是最小和的现象。对于这种情况，我们

采取了用第一个出现的最小和值的对应像素代替这

四个像素的方法。 ．

下面是我们对ｆｌｏｗｅｒ（７０４×４８０）序列的一帧进

行降低分辨率处理之后的结果，分辨率变为３５２×

２４０。图４（ａ）是用取均值的方法来降低分辨率的，

图４（ｂ）是用本文方法来降低分辨率的。从图４（ｂ）

可以观察到，整幅图视觉效果要明显比图４（ａ）更加

清晰，仔细观察图４（ｂ）的树枝和房檐不难看出，图４

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电气电子教学学报’ 第３０卷

（ｂ）教图４（ａ）的视觉效果要好 些。

● ・＾， （ａ）文献［１］方法

（ｂ）本文方法

图４视频ｆｌｏｗｅｒ的下采样结果

２．２运动矢量的重估计 ‘ ‘

进行降低分辨率的处理时，采用了 个像素代

替原始的 ４个像素 此时我们需要由原图像中的四

个运动矢量合成目标图像中一个运动矢量。运动矢

量的重估计是降低视频分辨率的关键技术之一，估

计的准确性直接影响到降低分辨率之后所得视频流

的码率和质量。它一般有两个步骤构成：①找到与

目标运动矢量相关的候选运动矢量集合，继而合成

得到一个运动矢量，这称为运动矢量合成（Ｍｏｔｉｏｎ

Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）；②在合成所得矢量周围一个

较小的区域内进行局部搜索，将补偿效果最好的运

动矢量作为最终的结果，作为目标运动矢量，这称为

精细化（Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）。对于降低分辨率的运动矢量

合成ｒ文献［７］提出了三种基本的合成算法：平均法，

中间值法及取任意值法。 一ｌ＿ ‘ ，

本文采用平均法计算４个运动矢量的平均值，

将４个运动矢量变成１个运动矢量后，再送人代码

转换的编码器。现设 ４个运动矢量分别为 Ｍ 、

Ｍ 、Ｍ 和Ｍ 由平均法计算得到新的运动矢

量为Ｍ 则 。 ０ ｔ

： １喜 ．！ｌｌ、 。 ５

由于采用运动矢量的平均值作为估值的搜索中

心，提高了估值的一致性和抗噪性，改善了估值性

能，这种方法特别适用于低速活动图像的场合。实

验中采用了这种方法，获得了最佳的运动矢量的估

计。 ‘

２．３ 视频分辨率的恢复 、

降低分辨率后的．图像大大降低了传输的带

宽，在接收端为了满足不同用户和显示终端的要

求 需要对视频进行恢复 对于视频分辨率的恢

复即图像的上采样有两种传统的方法：双线性插

值法和双三次插值法，但是实验验证发现这两种

方法并不能获得好的视觉效果。在以上算法的研

究基础上，本文提出了一种新的基于空间域的视

频恢复方法。．“

（１）用本文方法获得的最具有代表性的像素来

重新合成一个２×２的块，块内的每 个像素值都等

于上述方法获得的像素，这样就达到了对视频分辨

率进行恢复的目的。假设本文方法获得的最小和值

所对应的像素为Ｃ（１，１），则上采样后此时２×２的

块变为如下的块，如图５所示。 固＿圈

图５上采样示例

（２）通过实验验证 上述过程会给视频图像带

来了明显的块效应 为了消除这种影响，采用了中

值滤波器来对图像进行平滑处理。对于上采样结

果，通常采用峰值信噪比ＰＳＮＲ（最大像素值的平方

与ＭＳＥ之比）来评价该上采样图像的质量。其中，

ＭＳＥ为经过上采样恢复的图像与原始图像之间的

均方误差。

ＰＳＮＲ＝＝＝１０ｌｏｇ 。 （６）

，

Ｍ Ｍ

ＭＳＥ一 （ｕｉｊ－ｖｉｊ）ｚ （７）

式中，Ｍ×Ｎ是图像大小，“ 是原图像在（ ， ）

位置的像素值，ｖ 是重建图像在（ ， ）位置的像素

值。

以Ｌｅｎａ（２５６×２５６）的图像为例来对本文方法

进行验证。从实验结果（图６）可以看出，本文方法

（图６ｄ）较之双线性插值法和双三次插值法，不仅提

高了信噪比，而且视觉效果更好。

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