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随着多媒体信息处理技术、数字通信技术以及网络技术的发展,多媒体通信已经成为人们交互信息的重要手段。作为多媒体通信的重要组成部分,数字图像/视频编码技术一直是多媒体处理领域的研究热点,并得到了广泛应用。
目前,传统的视频编码框架都采用基于运动估计/补偿+DCT变换(DiscreteCosine Transform)的混合视频编码方法,如H.263、H.264/AVC、MPEG-4等国际视频编码标准。但基于DCT变换的编码框架也存在着一些问题,如:在低码率情况下会出现严重的方块效应和飞蚊噪声,且编码器运算复杂度较高等。小波变换是在傅里叶变换的基础上发展起来的一种具有良好特性的时域信号分析方法,受到了人们的广泛关注。它因为特有的与人眼视觉相符的方向选择能力以及能量集中的特性而被广泛应用于图像编码领域,并取得了很好的效果。因此,众多学者把小波变换引入到了视频编码框架中,由于小波变换天然的多分辨率特性,使得小波视频编码很容易支持时间、空间、质量等多种可扩展功能。
本文对二维/三维小波视频编码所涉及的关键技术进行了深入的研究和分析,主要研究内容包括:
首先,介绍了小波编码理论及小波变换的两种实现方法,即Mallat算法和提升方法。阐述了基于小波变换的图像/视频编码的研究现状,并对几种经典的小波图像编码算法、二维/三维小波视频编码框架分别进行了重点的分析。
其次,本文实现了两种二维小波视频编码方案,即MC-EBCOT(MotionCompensation-Embedded Block Coding with OptimizedTruncation)和MC-SPIHT(Motion Compensation-Set Partitioning In Hierarchical TreeS)。在以上两种编码方案的基础上,对二维小波视频编码框架中的运动估计技术、帧内/帧间残差图像编码和小波基的选择等三个关键技术进行了深入的研究,以探究每项关键技术对二维小波视频编码框架整体编码性能的影响。
接下来,结合高性能的H.264/AVC视频编码标准,提出了一种基于H.264/AVC与二维小波变换的混合视频编码框架。实验结果表明,在较低码率条件下,无论是客观评价还是主观评价,本文算法均要好于H.264/AVC编码;但是,在中高码率条件下,本文算法与H.264/AVC还有一定的差距。另外,本文算法采用多分辨率运动估计,因此算法的运算复杂度与H.264/AVC相比有明显的下降。同时,本文算法还支持空间、时间等可扩展功能。
最后,本文对基于运动补偿时域滤波的三维小波视频编码的运算复杂度进行了分析,发现运动补偿时域滤波占据了绝大部分编码时间。为了降低三维小波视频编码的运算复杂度,本文基于视频序列的运动特征,提出了一种面向三维小波视频编码的自适应帧组结构选择算法。实验结果表明,在保证编码性能与固定帧组结构基本相当的情况下,对于运动剧烈的视频序列,与固定帧组结构相比,采用本文提出的自适应帧组选择算法的三维小波编码器的运算复杂度能够降低20%左右。