摘要 隨著網(wǎng)絡和無線傳輸應用的曰漸頻繁，對圖像視頻等壓縮碼流的可伸縮性 ( s c a l a b i l i t y ) 的要求逐漸提高。小波作為一種具有良好的時頻局域性和多分辨率分析能 力的變換方法，在靜止圖像壓縮方面得到充分的認可與應用?；谛〔ǖ膉 p e g 2 0 0 0 除 了在壓縮性能上大大超過基于d c t 的傳統(tǒng)壓縮標準，還提供了多幀率、多分辨率，清 晰度漸進等多種可伸縮性的解碼，非常適合當今網(wǎng)絡以及衛(wèi)星遙感圖像的傳輸和應用。 本文在小波靜止圖像壓縮所取得成功的基礎上，重點研究小波在高維圖像媒體壓縮 編碼中的若干算法。主要研究內(nèi)容包括：針對場景繪制技術的圖像序列的小波壓縮方案， 對小波壓縮碼流的快速解碼算法，以及基于小波的視頻壓縮技術。論文的主要研究工作 和創(chuàng)新點如下： 一、針對同心拼圖這種新型的基于圖像的場景繪制技術( i m a g e b a s e dr e n d e r i n g ， i b r ) 的特點，以及對壓縮碼流的隨機訪問解碼要求，設計了基于三維小波的嵌入式壓 縮系統(tǒng)，為同心拼圖的網(wǎng)上傳輸和瀏覽等應用提供了靈活可靠的編解碼方案。由于同心 拼圖等i b r 媒體是比較新興的圖形學媒體，直接應用普通的視頻壓縮標準不能很好的滿 足其對于壓縮和隨機解碼的需求，我們的工作是該領域中較早開發(fā)的并且具有高效壓縮 性能的編碼系統(tǒng)之一； 二、在第一項工作基礎上，考慮同心拼圖壓縮場景的即時繪制特點，提出了一種漸 進逆向小波合成快速算法p i w s ，有效的支持了小波壓縮碼流的實時解碼。p 1 w s 快速 小波合成方法不但支持了對同心拼圖壓縮碼流的實時繪制，還可以普適的應用到小波視 頻壓縮的快速解碼應用中，為降低小波解碼過程的運算量提供了種有效的解決方案： 三、針對傳統(tǒng)的三維小波視頻壓縮中對時軸相關性發(fā)掘的不足。我們提出了基于運 動補償?shù)奶嵘托〔? m o t i o n c o m p e n s a t e dl i l t i n g ，m c l i f t ) 方法實現(xiàn)時軸變換。通過在 時軸小波變換的提升型單元結構中采用雙向的宏塊( m a c r o b l o c k ) 運動補償( m o t i o n c o m p e n s a t i o n ) ，采用m c l i f t 的時軸小波變換可以結合幀間運動信息，很好的壓縮視 頻幀間的冗余。利用提升型算法的單元結構的運算特點，在m c l i f t 方法可以在保證小 波反變換完全重構( p e r f e c tr e c o n s t r u c t i o n ) 的同時，利用許多現(xiàn)有的運動補償技術，例 如l 2 像素運動精度和重疊塊運動補償技術，提高了時軸變換的效率。實驗結果表明采 用m c l i f t 方法的小波視頻編碼器的壓縮效率遠遠超出沒有采用運動估計的三維小波 中國科學技術大學博士學位論文 壓縮方法，并且達到了優(yōu)于m p e g - 4 標準的水準，同時還具有m p e g 4 所不具備的幀率 和壓縮質量的可伸縮性。此項1 _ = 作在國際上同期的小波視頻壓縮研究中屬于較早采用提 升型結構來引入運動信息的幾個工作之一。 四、研究了三維小波視頻壓縮中的運動抽線技術( m o t i o nt h r e a d i n g ) ，仔細分析了 影響其壓縮質量的斷線問題，并且設計了兩輪運動估計技術來降低斷線情況的出現(xiàn)。進 一步結合提升型小波結構，本文提出了高級運動抽線技術，除了從根本上解決了斷線問 題，還進一步將抽線的運動精度提高到了1 4 像素，并且考慮了視頻中常有的遮擋問題， 以及利用運動矢量的冗余性進行運動矢量估計和編碼，使小波視頻的壓縮效率提高到了 與最先進的h 2 6 l 編碼標準相接近的水準。 五、研究了三維小波視頻壓縮的時軸抖動問題。由于時軸的質量抖動可能會影響視 頻播放的視覺效果，這是三維小波視頻壓縮中的一個重要問題。我們對三維小波視頻壓 縮中的時軸周期性抖動現(xiàn)象進行了理論分析，得出了抖動原因在于小波合成濾波對不同 位置的系數(shù)施加了不同的權重的結論。由此提出了使時軸質量平穩(wěn)的理論的碼率控制方 法。采用了這種碼率控制方法的三維小波編碼器具有良好的時軸平穩(wěn)性，同時對某些幀 的壓縮質量提高了0 5 1 0 d b 。 關鍵詞：小波壓縮，視頻編碼，提升型算法，可伸縮性，嵌入式編碼，運動抽線，基于 圖像的場景繪制技術 a b s a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n si nn e t w o r ka n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，t h es e a l a b i l i t yo f t h ee n c o d e di m a g eo rv i d e ob i t s t r e a mi s b e c o m i n g a ni m p o r t a n td e m a n d w a v e l e th a sb e e n a d o p t e d i nt h es t i l l i m a g ec o m p r e s s i o n a sa p r o m i s i n gt r a n s f o r m s c h e m ew i t h g r e a t t i m e f r e q u e n c y l o c a l i z a t i o na n dm u t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i sp r o p e r t y c o m p a r i n g w i t ht h e c u r r e n td c t - b a s e dj p e gs t a n d a r d s ，t h ew a v e l e t b a s e dj p e g 2 0 0 0s t a n d a r d sn o t o n l ys h o w s s u p e r i o rc o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ，b u ta l s oo f f e r ss c a l a b i l i t i e si nb o t hr e s o l u t i o na n dq u a l i t y l e v e lw h i c ha r ev e r yd e s i r a b l ei nt h ec o n s u m e ra n dt h ei n t e r n e ta p p l i c a t i o n s b a s e do f ft h es u c c e s si nt h es t i l l i m a g ec o m p r e s s i o n ，t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h e w a v e l e t - b a s e dc o m p r e s s i o nt e c h n i q u e sf o rt h e h i s h - d i m e n s i o n a li m a g ed a t a t h ec o n t e n t i n c l u d e s ：w a v e l e tc o m p r e s s i o no ft h ei b r ( i m a g e - b a s e d r e n d e r i n g ) i m a g ea r r a y ，f a s tw a v e l e t s y n t h e s i sa l g o r i t h m s ，a n dw a v e l e t - b a s e dv i d e oc o m p r e s s i o n t h er e s e a r c ht o p i c sa n do u rk e y c o n t r i b t a t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 c o n c e n t r i cm o s a i ci sa l le m e r g i n gi b rd a t aw h i c hc a l lr e n d e rt h e3 d s c e n e r y w i t has e t o f c a p t u r e di m a g e s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ec o n c e n t r i cm o s a i cd a t a ，w ed e v e l o p a3 - dw a v e l e tt r a n s f o r ma n de m b e d d e dc o d i n gs y s t e m t h ep r o p o s e dw a v e l e tc o d i n g s y s t e m e n a b l e sf l e x i b l ep a r t i a ld e c o d i n ga n db i t - s t r e a mr a n d o ma c c e s s ，w h i c ha r ed e m a n d e di nt h e t r a n s m i s s i o na n db r o w s i n go ft h ec o n c e n t r i cm o s a i cs c e n e r y s i n c ec o n c e n t r i cm o s a i ci sa n e wg r a p h i c sm e d i aw h i c hp r o c e s s e ss o m eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ee x i s t i n gv i d e oc o d i n g s t a n d a r dc a nn o ts a t i s f i e dt h er e l a t i v ec o m p r e s s i o nr e q u i r e m e n t s o u rs y s t e mi so n eo ft h e e a r l i e s tc o m p r e s s i o ns y s t e m sw i t hh i g hc o d i n ge f f i c i e n c yf o rt h ei b rd a t a i i b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k ，w ep r o p o s e dap r o g r e s s i v ei n v e r s ew a v e l e ts y n t h e s i s ( p i w s ) s c h e m e f o rt h ej u s t - i n t i m e ( j i t ) r e n d e r i n go ft h ec o n c e n t r i cm o s a i c p i w s e f f e c t i v e l yr e d u c e st h ec a l c u l a t i o n so f t h ew a v e l e ts y n t h e s i s ，t h e r e b ye f f e c t i v e l ys u p p o r tt h e r e a l t i m er e n d e r i n g f u r t h e r m o r e ，t h ep i w s a l g o r i t h mc a nb ea p p l i e di nt h ew a v e l e ts y n t h e s i s o f t h eo t h e rw a v e l e tc o m p r e s s e dd a t as u c ha sv i d e o i 中國科學技術大學博士學位論文 r _ - _ _ 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - ，_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 一 1 1 1 t h ep r i m a r yw e a k n e s so ft h ee x i s t i n g3 dw a v e l e tv i d e oc o d e rl i e s i nt h et e m p o r a l f i l t e r w ep r o p o s e da m o t i o n c o m p e n s a t e dl i f t i n g ( m c l i f t ) s c h e m ef o rt h et e m p o r a lw a v e l e t t r a n s f o r m 、u s i n gb i _ d i r e c t i o n a lm o t i o nc o m p e n s a t i o ni nt h ee l e m e n t a r yu n i to ft h et e m p o r a l l i f t i n gw a v e l e t ，m c l i f tc a ne f f i c i e n t l yd e c o r r e l a t et h ev i d e o m a n ym o t i o nc o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e s ，s u c ha sk p i x e la n do v e r l a p p e d b l o c km o t i o nc o m p e n s a t i o n ( o b m c ) ，c a na l s ob e a p p l i e d i n t ot h em c l i f ts t r u c t u r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tm c l i f te f f e c t i v e l y i m p r o v et h e3 - dw a v e l e tv i d e oc o d e cs ot h a ti t c a na c h i e v eas u p e r i o rp e r f o r m a n c et ot h e m p e g 一4s t a n d a r dv i d e oc o d e c f u r t h e r m o r e ，t h em c l i f tc o d e cc a no f f e r q u a l i t ya n d f l a m e - r a t es c a l a b i l i t i e s ，w h i c ha r en o tp r o c e s s e db ym p e g o u rw o r ki so n eo ft h ee a r l i e s t w o r k sw h i c hu s el i f t i n gs c h e m et oe n h a n c et h et e m p o r a lc o r r e l a t i o n i v w ea n a l y z et h em o t i o nt h r e a d i n g ( m t h ) s c h e m ef o rt h e3 - dw a v e l e tv i d e oc o d i n g i nt h eo r i g i n a lm t h e o d e c ，t h ea r t i f i c i a lm o t i o nt h r e a dt r u n c a t i o np r o b l e ms e v e r e l ya f f e c t st h e c o d i n ge f f i c i e n c y w ef i r s tp r o p o s e dat w o p a s sm o t i o ne s t i m a t i o nt e c h n i q u e ，a n de f f e c t i v e l y r e d u c et h eo c c u r r e n c eo ft h et r u n c a t e dt h r e a d s 、a f t e rt h a t ，w ee x t e n dt h e o r i g i n a l m o t i o n t h r e a d i n gt e c h n i q u et ot h el i f t i n gw a v e l e t s t r u c t u r ea n dp r o p o s e da na d v a n c e dm o t i o n t h r e a d i n g ( a m t h ) t e c h n i q u e t h i se x t e n s i o ns o l v e st h ea r t i f i c i a l m o t i o nt h r e a dt r u n c a t i o n p r o b l e m ，a n de n a b l e st h ea c c u r a c yo f m o t i o n a l i g n m e n t t ob ef l a c t i o n a l - p i x e lw i t hg u a r a n t e e d p e r f e c tr e c o n s t r u c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h em i s m a t c hp r o b l e mi nt h em o t i o n t h r e a d i n gc a u s e db y o c c l u s i o no rs c e n e c h a n g ei sc o n s i d e r e d t or e d u c et h em o t i o nc o s t ，t h ec o r r e l a t i o no ft h e m o t i o nv e c t o r sa r ee x a m i n e da n du s e di nt h em o t i o ne s t i m a t i o na n dm o t i o nc o d i n gp r o c e s s t h e p r o p o s e da m t hs c h e m e c a ns i g n i f i c a n t l yo u t p e r f o r mt h eo r i g i n a lm t hs c h e m e ，a n dc a n b ec o m p e t i t i v ew i t ht h es t a r t - o f - t h e a r th 2 6 lv i d e os t a n d a r do nc o d i n ge f f i c i e n c y v t h et e m p o r a lf l u c t u a t i o np h e n o m e n o ni nt h e3 - dw a v e l e td e c o m p r e s s e dv i d e om a y m a k et h ev i d e od i s p l a ya n n o y i n g ，t h u sh o w t os o l v ei ti si m p o r t a n tf o rt h e3 - dw a v e l e tv i d e o c o d i n g w ei n v e s t i g a t et h ep e r i o d i ct e m p o r a lf l u c t u a t i o na n df i n dt h ep r o b l e mi s d u et ot h e u n e q u a lw e i g h t s o f t h er e c o n s t r u c t i o nf i l t e r sd u r i n gt h ew a v e l e ts y n t h e s i s ab a s i ct h e o r e t i c a l r a t e c o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e dt os o l v et h ef l u c t u a t i o nb a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s t h e3 - d w a v e l e tv i d e oc o d e cw i t ht h ep r o p o s e ds c h e m eh a sas m o o t ht e m p o r a lp e r f o r m a n c e ，a n d i m p r o v e s a b o u t0 5 1 0 d bi ns e v e r a lf l a m e s k e yw o r d s ：w a v e l e tc o m p r e s s i o n ，v i d e oc o d i n g ，l i f t i n g s c h e m e ，s c a l a b i l i t y ，e m b e d d e d c o d i n g ，m o t i o nt h r e a d i n g ，i m a g e b a s e dr e n d e r i n g 墮墨重型 圖表索引 圖1 - 1 多種圖像媒體的相應壓縮方法以及傳輸?shù)木W(wǎng)絡條件和終端類型( c o m p r o s s i o n s c h e m e so f v a r i o u si m a g ed a t aa n dt h ed i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nc h a n n e l s ) 2 圖1 - 2 小波編碼器結構( t h ew a v e l e tc o d e cs t r u c t u r e ) 4 圖i - 3 一維一級小波分解與合成示意圖( 1do n e 1 e v e lw a v e l e t a n a l y s i sa n ds y n t h e s i s ) 5 圖1 4 圖像的多級小波分解( m u l t i s c a l e w a v e l e t d e c o m p o s i t i o n f o r t h e i m a g ed a t a ) 6 圖1 - 5 三種典型的小波包分解方式( t h r e et y p i c a lw a v e l e tp a c k e t s ) 7 圖1 - 6 多相小波變換提升型實現(xiàn)( 引臥4 5 】) w a v e l e t t r a n s f o r m i n t h e p o l y p h a s e f o r m a n d l i f t i n g ( f r o m 【4 5 ) 8 圖1 7 系數(shù)與位平面的關系( r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec o e f f i c i e n t sa n dt h eb i tp l a n e s ) 9 圖1 8 零樹編碼結構和掃描順序( t h ec o d i n gs t r u c t u r ea n dt h es c a no r d e ro f e z w ) 1 0 圖1 - 9 運動信息對時間維上幀間相關性的影響( m o t i o ni n f o r m a t i o na n dt h et e m p o r a l c o r r e l a t i o n ) 1 2 圖1 - 1 0 基于d c t 的視頻編碼標準壓縮流程( f l o w c h a r to f t h ed c t b a s e dv i d e oc o d i n g g a n d a r d ) 一l ：； 圖l 一1 1 采用l u m i g r a p h 技術的1 b r 場景的觀察與拍攝方法( a ) 和獲取的圖像序列數(shù)據(jù)( b ) 1 6 圖2 1 同心拼圖的幾何位置關系( c o n c e n t r i cm o s a i ci m a g i n gg e o m e t r y ) 2 1 圖2 - 2 采用同心拼圖的場景繪制( r e n d e r i n g w i t ht h ec o n c e n t r i cm o s a i c ) 2 1 圖2 - 3 同心拼圖的三維小波壓縮系統(tǒng)( 3 d w a v e l e t c o m p r e s s i o ns y s t e m f o r t h e c o n c e n t r i c m o s a i c 、? 2 2 圖2 - 4 一級提升性小波的正變換與反變換結構，圖右所示為基本提升型單元 ( o n e l e v e lf o r w a r da n di n v e r s el i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r m sa n dt h ee l e m e n t a r yl i f t i n g u n i t s ) 2 z l 圖2 5 一級三維提升型小波( s i n g l es c a l e3 dl i f t i n g ) 2 5 中周科學技術夫學博f ：學位論文 圖2 - 6 多級三維小波包分解a ) 2 級三維m a l l a t 分解b ) 2 級x 分解+ 2f m y ，z ) m a l l a t 分解 c ) 2 級z 分解+ 2 級( x ，y ) m a l l a t 分解( m u l t i p l e l e v e l3d w a v e l e t p a c k e ta 1t w o 1 e v e l m a l l a td e c o m p o s i t i o ni na l ld i r e c t i o n s ，b ) t w o l e v e lx d e c o m p o s i t i o n + t w o 1 e v e l ( y _ z ) m a l l a td e c o m p o s i t i o n ，c ) t w o l e v e lzd e c o m p o s i t i o n + t w o l e v e l ( x ，y ) m a l l a t d e c o m p o s i t i o n ) 2 5 圖2 7 樹編碼器狀態(tài)轉換圖( s t a t et r a n s i t i o no f t h et r e ec o d e r ) 2 8 h2 - 8 率失真曲線的凸包絡( c o n v e xh u l lo f t h er dc h i v e ) 3 0 l 蚓2 - 9 碼流組裝示意圖( i l l u s t r a t i o no f t h eb i t s t r e a ma s s e m b l i n g ) 3 i 蚓2 1 0 同心拼圖壓縮碼流的選擇性解壓縮系統(tǒng)流程( f l o w c h a r t o f t h es e l e c t i v e d e c o m p r e s s i o ns y s t e m f o r t h e 3 d w a v e l e t c o m p r e s s e d c o n c e n t r i c m o s a i c ) 3 2 圖2 11 漸進逆向小波合成原理圖( p r o g r e s s i v ei n v e r s ew a v e l e ts y n t h e s i s ) 一3 4 圖2 1 2 解碼一根狹縫圖像時存儲單元的相應狀態(tài)值( c a c h es t a t e sw h e nas i n g l es l i ti s a c c e s s e d ) ：；6 圖2 1 3 多級漸進小波合成算法結構( m u l t i s c a l ep r o g r e s s i v ei n v e r s ew a v e l e ts y n t h e s i s ) 3 7 圖2 一1 4 同心拼圖場景：大廳( c o n c e n t r i cm o s a i cs c e n e ：l o b b y ) 3 8 圖2 j 5 同心拼圖場景：兒童( c o n c e n t r i cm o s a i cs c e n e - k i d s ) 3 8 圖2 1 6 同心拼圖場景中的三種瀏覽方式( t h r e ek i n d so f m o v e m e n ti nc o n c e n t r i c m o s a i c s ) l 中的位都是0 ，則稱w 。在當 前位平面為無效( i n s i g n i f i c a n t ) ，反之則為有效( s i g n i f i c a n t ) 。 由于小波變換后的系數(shù)能量集中，大部分的高頻系數(shù)絕對值較小，因而在先前的位 平面中為零。對于大量的連續(xù)的零，可以用比較少的比特表示，因此節(jié)約了碼流的開銷。 在每一個位平面中，根據(jù)系數(shù)間的相關性通過預測等方法可以使更多的0 組合在一起進 行熵編碼來進一步壓縮碼流。位平面編碼按照位平面的順序而不是系數(shù)的順序編碼，這 樣就可以得到精度逐漸增加的嵌入式碼流。當沒有足夠的碼率來提供進一步細化的信息 時，也能保汪重要信息的先傳。 對于位平面內(nèi)的熵編碼方法可以有很多選擇，例如游程編碼( r u n - l e n g t hc o d i n g ) 1 4 9 1 以及算術編碼( a r i t h m e t i cc o d i n g ) 5 0 1 等。由于嵌入式碼流的可任意截取的特點，可以根 據(jù)給定碼率的需要在相應位置截斷得到待傳輸?shù)膲嚎s碼流。 對于小波系數(shù)的編碼是從子帶問和子帶內(nèi)的系數(shù)在空間上具有相關性這個特點來 考慮的。e z w | 2 6 】和s p i h t l 2 7 1 都屬于根據(jù)子帶間相關性組織樹狀結構的嵌入式編碼方法。 中國科學技術大學博士學位論文 在j p e g 2 0 0 0 標準28 】中，則利用的是予帶內(nèi)的相關性。將各了帶分成均勻大小的塊，分 塊獨立進行編碼。下面我們對這幾種主要的編碼技術作一簡介： 1 ) 嵌入式零樹編碼e z w ( e m b e d d e dz e r o t r e eo fw a v e l e t ) 1 9 9 2 年，l e w i s 首先提出了樹狀結構的編碼方法1 5 “，通過子帶由低頻到高頻的系數(shù) 相關性組織樹狀結構，當某個樹統(tǒng)計的能量小于給定的視覺閾值時，將該樹對應的所有 了帶系數(shù)都作為零處理，達到壓縮的目的。在這種方法下判決為零的樹，即使其中有較 大的系數(shù)，也將被置零，對這些系數(shù)造成較大的失真。1 9 9 3 年s h a p i r o 在樹結構的基礎 上提出了嵌入式零樹編碼【2 “，采用確定的遞減的閩值來編碼樹結構，保證零樹中高頻子 帶的系數(shù)都小于相應的低頻子帶系數(shù)，避免了原來方法使較大高頻系數(shù)失真的現(xiàn)象，同 時采用熵編碼對所有樹的狀態(tài)進行編碼，達到了進一步的壓縮。 在嵌入式零樹編碼中，每個低頻子帶的系數(shù)在下一級高頻的子帶的相應位置上都會 對應4 個系數(shù)，如圖1 - 8 ( a ) 所示。以此類推可以得到樹狀的結構。零樹的概念基于這樣 的假設：相對給定的閾值t ，如果低頻了帶中的系數(shù)小于t ，那么所有更高頻子帶中相 對位置的系數(shù)都是小于t 的。滿足這個假設的樹結構被稱為“零樹”。在多數(shù)情況該假 設是成立的，因此可以辟 很少的碼字來表示零樹結構中的大量系數(shù)。大于當前t 并且沒 有被編碼的的系數(shù)稱為有效系數(shù)。 對于一組逐漸降低( 一般以2 的倍數(shù)) 的閡值，按圖1 - 8 ( b ) 中的順序對整幅圖像的 子帶進行掃描，分別對檢測出的有效系數(shù)、零樹、以及單個的零系數(shù)賦予相應的碼字并 進一步進行算術編碼。小波于帶之間的相關性通過零樹結構和熵編碼得到了壓縮，并且 結合逐漸降低的閩值對系數(shù)逐漸的細化，實現(xiàn)了嵌入式的編碼?；谇度胧搅銟渚幋a， 小波編碼方法達到了超過j p e g 的壓縮性能，是小波圖像壓縮的一個突破性進展。 i ：十、 、1 1困 電卜 田 筋 去 夕 i - ( a )( b ) 圖1 - 8 零樹編碼結構和掃描順序( t h ec o d i n gs t r u c t u r ea n dt h es c a ro r d e ro fe z w ) 1 0 第一章緒論 2 ) 多級樹集合分解算法s p i h t ( s e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s ) e z w 的出現(xiàn)使小波方法得到了重視，之后的許多研究都對這種方法進行了改進， 其中最為矚目的是s p i h t 方法1 2 ”。1 9 9 6 年，s a i d 和p e ”l m a n 分析了e z w 出色性能的 原因，認為e z w 方法的核心在于對于小波系數(shù)按不同類型集合分離的局部排序編碼， 按位平面的結構細化，以及對子帶間小波系數(shù)之間關系的發(fā)掘。因此，在e z w 的基礎 上，s a i d 和p e a r l m a n 提出了將集合類型進一步分解的多級樹結構s p i h t 算法，對e z w 中有效系數(shù)、零樹、以及單個零系數(shù)這三種類型集合繼續(xù)細分，實現(xiàn)了更為有序的熵編 碼。s p i h t 方法的性能比e z w 方法有了進一步的提高。 3 ) j p e g 2 0 0 0 中的優(yōu)化截斷嵌入式塊編碼e b c o t ( e m b e d d e d b l o c k c o d i n g w i t h o p t i m i z e dt r u n c a t i o n ) 1 9 9 9 年，t a u b m a n 提出了優(yōu)化截斷嵌入式塊編碼方法e b c o t t ”1 。e b c o t 與e z w 和s p i h t 方法的最大區(qū)別在于利用的是同一子帶內(nèi)系數(shù)的局部相關性，而不是子帶間 系數(shù)的空間關聯(lián)。e b c o t 方法首先將子帶內(nèi)系數(shù)分成固定大小的塊，對每個分塊進行 獨立的位平面熵編碼，同時記錄下每塊相應的分段率失真曲線。在將塊組合成整個碼流 時，根據(jù)分塊內(nèi)部的率失真特性，實現(xiàn)全局優(yōu)化的碼流組裝。這種分塊的編碼方式優(yōu)點 在于：利用了小波變換系數(shù)相關的局部性，即較強的相關性只存在于鄰近的系數(shù)中，分 塊后獨立的編碼可以更好的發(fā)掘這種局部相關性；并且分塊結構可以按照分塊的率失真 特性進行全局優(yōu)化的碼流組裝。同時，獨立的分塊處理節(jié)省了內(nèi)存開銷，可以靈活的支 持圖像的部分解碼?；趀 b c o t 的以上優(yōu)點，j p e g 2 0 0 0 e 2 8 1 靜止圖像壓縮標準采用了 e b c o t 編碼方法。本文的壓縮工作中的熵編碼部分采用對e b c o t 進行的三維擴展， 得到了很好的應用結果。 1 3 小波高維圖像類媒體壓縮的特點和研究側重 基于小波在靜止圖像壓縮上取得的巨大成功，許多研究者開始關注于小波在高維圖 像媒體( 包括視頻，圖形學數(shù)據(jù)等) 壓縮中的研究工作。和現(xiàn)有的幀間預測結合d c t 的方法比較，小波高維圖像壓縮具有壓縮質量和幀率、分辨率等多種可伸縮性，對適應 網(wǎng)絡條件的數(shù)據(jù)傳輸具有新穎的意義。高維圖像媒體壓縮在某些方面上可以借用圖像壓 縮中一些成功的技術，但從研究的側重點來看，兩者有很多不同。本文對高維圖像媒體 壓縮的研究一方面?zhèn)戎赜谂c現(xiàn)今已有的視頻編碼技術的比較，另一方面探討了小波編碼 在新興高維圖像媒體中的應用。下面我們將結合視頻和基于圖像的場景繪制兩類媒體的 特點對小波在其中的壓縮應用進行分析。 中固科學技術大學博t 學位論文 首先介紹現(xiàn)今高維媒體圖像壓縮中的主流標準。 1 3 1 高維圖像類媒體壓縮的主流標準簡介 現(xiàn)宵的高維圖像媒體壓縮標準主要針對視頻媒體，包括m p e g 1 口i 、m p e g 一2 【6 1 、 m p e g 一4 h 2 6 1 、h 2 6 3 l u 和h 2 6 l 1 1 2 等，這些壓縮標準普遍采用了幀間運動補償 預測結合d c t 變換的方法來按照時間順序進行編碼。由于高維圖像媒體具有的許多共 性，視頻壓縮中的很多技術也可以應用于其他高維圖像媒體壓縮，不過對應具體的應用 特點需要進行相應的編碼設計。 圖1 9 運動信息對時間維上幀間相關性的影響( m o t i o ni n f o r m a t i o na n dt h et e m p o r a c o r r e l a t i o n ) 目前的視頻壓縮標準都是基于幀間運動補償預測結合d c t 變換和熵編碼實現(xiàn)的。 基本的壓縮框圖如圖1 1 0 。待編碼的視頻依照時間次序一幀幀的輸入編碼器。簡單的 視頻幀結構包括兩種類型的幀：i 幀( i n t r af r a m e ) 和p 幀。對于i 幀是以類似圖像編碼 的方法進行幀內(nèi)編碼，對于p 幀，則是采用幀緩存( f r a m eb u f f e r ) 中前一幀圖像( i 幀 或者p 幀) 作參考幀進行基于宏塊( m a c r o b l o c k ，m b ) 的運動估計，并將當前處理的幀 與運動補償后的參考幀差分得到預測殘差( p r e d i c t e dr e s i d u a ) 圖像，進行分塊d c t 變 換和量化，最后通過熵編碼( e n t r o p yc o d i n g ) 得到壓縮碼流。由于在解碼端只能得到壓 縮重構后的幀，因此為了保證編解碼端的一致性，每一幀的參考幀都是采用前一幀的重 構圖像而不是原始圖像。將當前量化后的d c t 系數(shù)通過反量化和反d c t 變換得到重構 殘差圖像，再與運動補償后的參考幀相加得到重構的當前幀，并存儲在幀緩存中作為后 面編碼的參考幀。從圖中灰色的部分看出，編碼過程包含著“預測當前幀- ) 預測殘差 量化壓縮) 重構) 用于下一幀參考”的循環(huán)過程。 1 2 箱一章緒論 j t v i d e o 一，_ 一- j l 一 l 一一 ， = j m o t i o i 3 皆j 單西 m o t i v e c t v e c t or s 一：m ：o ：t ：i o ：n ：i _趔一 f 圖1 - 1 0 基于d c t 的視頻編碼標準壓縮沉程( f l o w c h a r t o f t h ed c t b a s e dv i d e oc o d i n g s t a n d a r d ) m p e g 4 f 9 1 和h 2 6 l t ”1 是視頻編碼標準中發(fā)展較新的兩套編碼器，其中m p e g 4 提 出了面向對象的編碼理念，即對視頻幀的描述足基于其中的對象( o b j e c t ) ，而不只是 整個矩形幀，但由于對象分割( s e g m e n t a t i o n ) 技術的限制，目前標準中并沒有應用到 這一部分。在編碼的細節(jié)上，h 2 6 l 中采用了幀內(nèi)預測( i n t r a p r e d i c t i o n ) ，可變尺寸塊 運動搜索( v a r i a b l e s i z em o t i o ns e a r c h ) ，多參考幀預測( m u l t i r e f e r e n c ep r e d i c t i o n ) 等 技術，岡而在編碼效率上，大大高出了同等條件下的m p e g - 4 編碼。由于技術上的許多 相似性，目前h 2 6 l 和m p e g