数字视频DCT域转码技术研究

摘要

现阶段在数字视频通信领域存在多种图像编码标准,这些标准除语法格式不同外,在压缩效率、输出码率、图像格式等方面也不完全相同,它们分别适用于不同的网络环境、解码器和监视器.当已有的压缩码流格式与当前的使用环境或客户端需要不同时,则要求能够将已有的码流无缝地转换成满足需要的格式,这就是视频转换编码,简称转码. 早期的转码技术主要关注于降低视频流的码率以适应信道传输带宽的要求;而随着时间的变迁,移动视频得到越来越广泛地应用,其有限的显示能力,也使得降低图像分辨率和视频帧率的转码也成为重点研究方向.最直观的转码方法是把两个独立的视频解码器和编码器相级联,将输入视频完全解码,还原出视频像素域的信号,然后再根据客户端要求或信道带宽不同进行第二次压缩,得到指定格式的码流.这种像素域转码方法存在计算复杂、帧缓存大和转码延时长等不足,因而近年来转码技术研究的焦点逐渐集中到.DCT域转码,利用DCT变换的线性特点,将转码过程转移到DCT域来实现. 本文主要针对DUT域视频转码技术的几个关键点展开研究,主要包括帧率变换转码、图像分辨率变换转码、不同编码标准之间变换的语法转码以及结合几种转码过程的联合转码技术等.主要研究工作概括如下: 本文首先对视频编码和转码技术的发展进行了回顾,归纳了转码技术研究的一些关键问题,并对其进行了分类整理.针对DCT域转码的几个基础理论展开讨论,分析DCT变换的性质与特点,以此来推导DCT域整像素和半像素的运动补偿算法;分析推导DCT域运动估计问题,讨论将其应用到转码重建运动向量中的可行性;对几种DCT域转码结构的漂移误差进行了定量分析. 针对帧率变换转码技术研究,给出一个视频帧率下采样转码的基本模型,详细分析丢弃参考帧帧率下采样和丢弃非参考帧帧率下采样的两种转码方案.对帧率下采样的运动向量重建算法展开研究,提出一种完全在DCT域实现的带宏块再编码模式重判决的帧率下采样算法(MCMR算法),根据参考块在被丢弃帧中覆盖面积和位置,来重新判决宏块的编码类型和重建运动向量,并对转码后的预测残差进行更新;该算法省去了IDCT和DCT过程,有效地降低了转码复杂度,以牺牲很少的码率为代价获得了非常可观的图像质量提高. 针对图像分辨率变换转码技术研究,通过分析图像分辨率下采样变换的信号处理基础推导像素域图像分辨率下采样方法;对DCT域图像分辨率转码过程中所涉及运动向量重建、图像纹理数据的下采样以及转码误差的消除等关键技术展开研究.提出了一种基于宏块运动方向一致性的图像分辨率下采样转码算法,通过对输入码流中宏块运动方向的一致性进行判断,将部分运动方向非常分散的帧问编码宏块在分辨率下采样后转变为帧内编码宏块.实验表明:相比于已有分辨率下采样转码算法,本文算法能够获得接近0.5dB左右的图像质量提高,PSNR性能有着比较明显的优势. 研究了视频在不同编码标准之间变换的转码技术,对MPEG-2到MPEG-4标准之间语义层转码技术进行分析,对组合帧率、分辨率、语法等多种变换的联合转码技术展开研究,分析语法转码中帧率下采样与帧类型变换组合的运动向量重建办法.提出一种组合视频帧率与图像分辨率的联合转码结构,通过算法比较和实验仿真给出一个较优的联合转码方案.

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1引言

1.2视频压缩编码技术综述

1.2.1视频压缩编码的主要技术

1.2.2视频压缩编码标准回顾

1.3视频转码技术综述

1.3.1码率转码器的基本结构

1.3.2视频帧率转码器的基本结构

1.3.3图像分辨率转码器的基本结构

1.3.4视频语法转码器的基本结构

1.3.5影响转码过程的其它一些主要问题

1.4本文的主要内容及创新

1.4.1主要研究内容

1.4.2本文的研究创新

第二章 基于DCT域的视频处理算法基础

2.1引言

2.2 DCT变换的基础和特征

2.3 DCT域视频转码基础

2.3.1 DCT域运动补偿算法

2.3.2 DCT域运动补偿快速算法

2.4 DCT域运动估计

2.4.1运动估计的基本概念

2.4.2 DCT域运动估计的结构及应用

2.5 DCT域采样结构转换

2.6 DCT域转码误差分析

2.6.1量化模型

2.6.2再量化误差分析

2.6.3漂移误差分析

2.7本章小结

第三章 视频帧率变换转码

3.1引言

3.2丢弃非参考帧的帧率下采样策略

3.3丢弃参考帧的帧率下采样策略

3.3.1双线性插值运动向量重建算法

3.3.2 FDVS运动向量重建算法

3.3.3 ADVS运动向量重建算法

3.3.4重建运动向量的快速局部搜索算法

3.3.5基于DCT域降低运算量的预测残差补偿算法

3.4带宏块编码模式重判决的帧率下采样算法

3.4.1参考块覆盖模式分析

3.4.2宏块编码模式重判决准则

3.4.3 DCT域帧率下采样转码器结构

3.4.4运动向量重建及预测残差更新

3.4.5连续丢弃多个参考帧的帧率下采样结构

3.4.6基于像素域的运动向量重估计

3.5性能比较及其仿真试验

3.5.1 PSNR分析及判决门槛

3.5.2图像主观质量比较

3.6本章小结

第四章 图像分辨率变换转码

4.1引言

4.2像素域图像分辨率转码

4.2.1图像分辨率变换的信号处理基础

4.2.2像素域图像分辨率转码的基本结构

4.3 DCT域图像分辨率下采样转码

4.3.1 DCT域图像分辨率整数倍下采样

4.3.2 DCT域图像分辨率任意倍下采样

4.4图像分辨率转码的运动向量重建方法

4.4.1常用运动向量重建算法

4.4.2宏块编码模式判决算法

4.5基于宏块运动方向一致性的图像分辨率下采样转码算法

4.5.1宏块帧内刷新机制

4.5.2基于宏块运动方向一致性的再编码模式判决准则

4.5.3图像分辨率下采样转码器的结构

4.5.4下采样转码的预测残差更新

4.5.5运动向量越界的处理

4.6仿真实验及其性能分析

4.6.1算法性能PSNR值分析

4.6.2图像主观质量比较

4.7本章小结

第五章 语法变换转码及联合转码技术

5.1引言

5.2 MPEG-2到MPEG-4码流的语义层转码

5.2.1 MPEG-2到MPEG-4语义层转码的结构比较

5.2.2 MPEG-2到MPEG-4转码不兼容模式的解决办法

5.3联合帧率下采样及帧类型变换的语法转码

5.4组合帧率及分辨率下采样的联合转码技术

5.4.1第一种联合转码方案

5.4.2第二种联合转码方案

5.4.3联合转码的转码器结构

5.5联合转码的仿真实验与结果分析

5.5.1联合转码的PSNR性能分析

5.5.2联合转码的主观图像质量比较

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2进一步的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间完成的论文