高效圖像編碼中自適應(yīng)變換的研究.pdf

1、隨著數(shù)字圖像不斷增加的廣泛應(yīng)用、分辨率的不斷增大和新的圖像表示形式的出現(xiàn)，圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量正在變得越來越大，對更高效的圖像編碼的要求也不斷增加。作為圖像編碼中重要的核心部分，變換對提高圖像編碼的效率有著重要的影響。在而在當(dāng)今廣泛應(yīng)用的圖像編碼系統(tǒng)里，變換部分卻因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的自適應(yīng)性而沒有發(fā)揮出更高的效率。本論文重點(diǎn)研究圖像信號(hào)變換的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)性和方向自適應(yīng)性，來構(gòu)造全新的面向圖像編碼的變換，以更好的提高圖像編碼的效率。
　　 我

2、們首先在逐塊編碼的框架下，回顧了傳統(tǒng)的塊內(nèi)變換和塊間預(yù)測，并提出了幀內(nèi)預(yù)測變換的表示形式來統(tǒng)一這兩種減少信號(hào)冗余的方法。這種統(tǒng)一的形式賦予了幀內(nèi)預(yù)測變換既能利用塊內(nèi)相關(guān)性也能利用塊間相關(guān)性的能力。我們在理論上推導(dǎo)出了幀內(nèi)預(yù)測變換對靜態(tài)信號(hào)的編碼增益的上界，從而在理論上顯示了幀內(nèi)預(yù)測變換相對于傳統(tǒng)變換更好的編碼能力。我們還構(gòu)造出了能達(dá)到推導(dǎo)出來的編碼增益上界的最優(yōu)幀內(nèi)預(yù)測變換，所以推導(dǎo)出來的上界是上確界。另一方面，幀內(nèi)預(yù)測變換這種新的表示

3、形式也給我們設(shè)計(jì)新的變換提供了一個(gè)全新的角度。利用幀內(nèi)預(yù)測變換的框架，我們給出了利用頻域預(yù)測來設(shè)計(jì)的一個(gè)幀內(nèi)預(yù)測變換，相比現(xiàn)有的頻域預(yù)測方法，它的預(yù)測距離更短，從而也更有效。實(shí)際的編碼結(jié)果也驗(yàn)證了新構(gòu)造出來的幀內(nèi)預(yù)測變換的有效性。
　　 基于幀內(nèi)預(yù)測變換的表示形式和理論，我們還分析了不同的編碼結(jié)構(gòu)對編碼性能的影響。我們特別針對基于點(diǎn)、線和塊的編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。理論分析的結(jié)果表明基于點(diǎn)和線的編碼結(jié)構(gòu)在高碼率下都可以達(dá)到基于塊的編

4、碼結(jié)構(gòu)的編碼增益的上限，更進(jìn)一步，我們還證明了任意的結(jié)構(gòu)都可以有此結(jié)果。這個(gè)結(jié)論也提示我們現(xiàn)有主流編碼系統(tǒng)中基于塊的編碼結(jié)構(gòu)不一定是最優(yōu)的。我們進(jìn)一步深入分析了基于點(diǎn)、線和塊的編碼結(jié)構(gòu)在中低碼率和實(shí)際編碼時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)論是基于塊的編碼結(jié)構(gòu)更適合低碼率編碼而基于點(diǎn)和線的編碼結(jié)構(gòu)卻有更好的自適應(yīng)性和靈活度。基于以上的分析，我們設(shè)計(jì)了基于點(diǎn)和線的高效圖像編碼方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使是與最先進(jìn)的基于塊的編碼方案相比，我們提出的基于點(diǎn)和線的圖像編

5、碼方案也有相當(dāng)?shù)木幋a效率，并且在高碼率下做的更好。我們進(jìn)一步提出了基于點(diǎn)、線和塊的混合編碼方案來充分利用它們的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混合編碼方案能顯著地提高圖像編碼的效率。
　　 除了結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性，我們還探討了圖像編碼中變換的方向自適應(yīng)性。圖像信號(hào)充滿了各種各樣的方向性信息，然而，傳統(tǒng)的變換因?yàn)槿狈Ψ较蛐曰?，對這些方向性信號(hào)的表示卻很沒有效率。基于對重疊變換的提升分解，我們把重疊變換分解成多步基本操作。對每一步基本操作改造成相應(yīng)的

6、方向性基本操作，我們構(gòu)造出了方向性重疊變換，包括一維至多維的方向性變換和塊自適應(yīng)的方向性重疊變換。在實(shí)際編碼的方向性變換過程中，我們將其中的方向指定問題歸結(jié)成了一個(gè)率失真優(yōu)化的問題，在做了適當(dāng)簡化后，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方向指定算法解決了這個(gè)問題。在利用了塊自適應(yīng)的方向性重疊變換和相應(yīng)的方向指定算法后，我們顯著地提高了HD Photo(JPEG-XR)編碼系統(tǒng)的圖像編碼性能，也驗(yàn)證了方向性重疊變換在圖像變換中的有效性。
　　 另外一個(gè)影

7、響方向性變換效率的是子采樣的模式。我們提出了子采樣模式對基于方向性小波變換的圖像編碼性能影響的問題。通過深入分析這個(gè)問題，我們得出的結(jié)論是針對一個(gè)特定的方向性信號(hào)，最適合的子采樣模式的確定會(huì)很復(fù)雜，它不僅與方向有關(guān)，也與相關(guān)性的強(qiáng)度有關(guān)。為了充分利用各種子采樣模式的優(yōu)點(diǎn)，我們提出了子采樣自適應(yīng)的方向性小波變換，并設(shè)計(jì)了一個(gè)相位重構(gòu)的算法來解決子采樣模式發(fā)生變化時(shí)出現(xiàn)的邊界問題。實(shí)際編碼結(jié)果表明子采樣自適應(yīng)的方向性小波變換能極大提高方向性