基于提升小波的嵌入式图像与视频编码算法研究

摘要

网络技术的发展对图像的编码提出了新的要求,基于小波变换的嵌入式图像编码方法因其提供的分辨率可分级性、质量可分级性(从有损到无损的渐进传输)、较强的抗误码性能、低内存空间占用和编解码快速等引人瞩目的特性而成为目前图像压缩研究的热点.本文详细分析了其中两类主要的算法:零树编码算法和嵌入式块编码算法,在低比特率下对算法进行改进,并将算法扩展到三维小波视频图像压缩.主要的研究工作如下: 提出了基于行的整数小波图像压缩算法.采用整数形式实现提升格式,按照小波变换的级数和滤波器的长度,每次读入相应的行数,循环使用内存；在基于行的小波变换的基础上,提出了基于行的自适应二进制算术编码器的改进方案,针对基于行的小波变换的特点进行上下文构建,在大幅减少算法对内存需求的同时,可以获得较高的压缩效率和图像质量可分级的压缩码流. 提出了基于码率优化分配的ROI编码算法.根据码率优化分配的原理,在PCRD-opt(压缩后率失真优化)理论基础上,通过感兴趣因子对ROI有贡献的码块进行失真估计的缩放,对ROI码块分配相对较多的码率,以提高ROI区域在编码时的优先权,实现ROI区域的系数被优先编码和解码,同时也保持一定的背景效果. 提出了改进的VSPIHT算法.从大阈值的情况下对SPIHT的性能进行分析,将低频子带单独处理.按照二进小波分解的子带尺寸,对低频子带进行虚拟分解,实现更长的零树.VSPIHT算法在中高比特率时,性能下降,为了进一步提高编码效率,提出了两个位置判断函数,确定需要特殊处理的小波系数的位置.在前人算法的基础上,对重要性扫描过程进行修改,使得有限的比特数更能代表重要系数.实验表明此算法在低码率条件下,性能明显优于SPIHT算法,同时在中高码率条件下压缩性能也不逊于SPIHT算法. 在小波视频编码方面,根据3D-SPIHT特点,提出了两种改进的3D-SPIHT算法.第一种方法充分利用三维空间方向树的特点,对低频子带系数直接进行虚拟分解,第二种方法采用较少的帧,在低码率时重新定义零树结构,提高了编码效率,适合实时性要求高的场合.由于三维小波提供了对变换系数的统一描述,量化矩阵的设计和编码结构的选取都十分简单.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题的研究背景

1.2图像压缩的基本概念

1.2.1图像压缩的可行性

1.2.2图像压缩的必要性

1.2.3图像压缩的一般过程

1.3图像编码质量的评价

1.3.1主观质量评价

1.3.2客观质量评价

1.3.3感兴趣区域评价

1.4图像编码技术的发展

1.4.1初期的数据压缩方法

1.4.2无失真的编码技术

1.4.3有失真的编码技术

1.5嵌入式图像压缩技术的发展和现状

1.6视频编码技术的发展

1.7本论文的研究内容和组织方式

1.8本论文的创新之处

第二章小波变换理论分析

2.1小波变换的产生

2.2连续小波变换

2.3离散小波变换

2.4多分辨率分析

2.5正交小波的快速算法

2.6小波基的选择

2.7本章小结

第三章基于行的整数小波变换图像压缩算法

3.1图像压缩标准的发展

3.1.1 JPEG

3.1.2 JPEG2000

3.2提升格式实现小波变换

3.2.1提升小波的基本原理

3.2.2传统小波变换到提升格式的实现

3.3整数实现的提升格式

3.3.1简单的整数小波变换

3.3.2用提升方法构造一般整数小波变换

3.3.3 CDF9/7滤波器的整数提升实现

3.4基于行的小波图像压缩算法

3.4.1基于行的小波变换

3.4.2提升格式和基于行的小波图像压缩算法的结合

3.5基于行的算术编码器设计

3.5.1基于上下文的自适应二进制算术编码器的设计

3.5.2应用三个编码通道实现可截断码流

3.6实验系统设计及系统的性能测试

3.5.1实验系统的整体结构

3.5.2本系统的性能测试

3.7本章小结

第四章基于码率优化分配的感兴趣区域编码

4.1 JPEG2000编码流程及关键算法

4.2 EBCOT算法实现步骤

4.2.1嵌入式码块编码

4.2.2按质量层组织码流

4.3基于位平面的ROI编码算法

4.3.1可伸缩性优先权

4.3.2位平面位移法实现ROI编码

4.3.3 ROI相关样本的确定

4.4码率优化分配实现ROI编码

4.4.1压缩后率失真算法原理

4.4.2可行性截断点

4.4.3最优截断点搜索优化

4.4.4 ROI区域优先编码的实现

4.5实验结果

4.6本章小结

第五章低码率下零树图像编码算法的改进

5.1嵌入式零树小波编码特点

5.2多级树集合分裂算法

5.2.1算法中的符号定义

5.2.2排序过程

5.2.3 SPIHT与EZW的比较

5.3虚拟零树的实现

5.3.1最低频子带的虚拟分解

5.3.2彩色图像中的虚拟零树结构

5.3.3虚拟SPIHT算法的性能测试

5.4改进的VSPIHT算法

5.4.1 VSPIHT在低比特率下的性能分析

5.4.2位置判断函数的引入

5.4.3算法过程描述

5.4.4输出比特数对比

5.5实验结果

5.5.1低比特率下各类图像的编码及重构结果

5.5.2中高比特率时本文算法的性能比较

5.6本章小结

第六章三维子带视频编码算法优化

6.1基于小波变换的嵌入式视频编码方法

6.1.1空间域运动估计补偿(MC-DWT)

6.1.2小波域运动补偿的编码方法(DWT-MC)

6.1.3运动补偿三维小波视频编码

6.1.4不含运动补偿的三维小波视频编码

6.2三维小波变换的实现

6.2.1三维空间的多分辨率分析

6.2.2三维信号的Mallat分解

6.3三维SPIHT编码算法

6.3.1算法原理

6.3.2算法描述

6.4基于虚拟分解的三维SPIHT编码方案

6.4.1改进的3D-VSPIHT算法

6.4.2(2D+T)-SPIHT算法

6.5实验结果

6.6小结

总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢