一种新的数字视频关键帧编码技术方法

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摘 要：随着数字高清晰度电视（HDTV）成为现实，随之而来数字视频编码像素数大幅度增加，原来数码位较高的二进制编码数据不堪数字视频的重任。本文针对数字视频信号源的编码器进行研究，提出视频关键帧编码技术的改进方法。旨在抛砖引玉为新一代数字视频低能耗高清的数字视频传输发展做出研究铺垫。

关键词：视频编码；视频解码；编码器；高清数字视频

中图分类号：TN919.81

分布式视频编码中WZ帧编码技术研究。分布式视频编码是一种新兴的编码技术，它和传统编码技术不同，传统的视频编码技术基本都是，编码端比较复杂，解码端比较简单。而分布式编码的编码端比较简单，解码端则比较复杂。为了达到这个目的，学术界提出了很多实现方案，在这些方案之中，最为著名的，是斯坦福大学研究小组提出的分布式编码方案。整个视频序列被划分为关键帧和WZ帧，它们使用两个独立的系统进行编码。

1 视频帧编码

视频图像的各帧之间的数据存在很多冗余性和相关性，这些冗余信息我们将它分为空域冗余和时域冗余信息两种。因此我们在压缩编码中就是将数据中的冗余信息尽量去掉，采用某种关联的形式存储包含在帧内和帧间的图像数据。帧间图像数据的压缩技术一般熵编码压缩技术，我们以MPEG-2为例，图像压缩编码和帧内压缩编码方式分别见图1和见图2。

图1 视频图像帧内压缩编码原理

压缩之前需要找到也就是识别每个视频场和帧之间的时间和空间的冗余信息，通过无信号损失的双向数学过程DCT变换可以去除视频信号空间冗余。帧间信号空间分布的变化程度转变为需要重现空间分布的频率带宽，为了达到减少冗余数据的目的，MPEG-2格式视频将4：2：2转换成4：2：0，同时量化减少每一个系数的Byte数目。

图2 帧间压缩编码方式

2 关键帧编码方式改进

关键帧中一帧就是视频中的一个画面。视频编码是按“组”进行的，每一组也叫一个GOP，GOP与GOP之间是没有联系的，编码关系只在GOP中间产生。每一个GOP组都从一个关键帧开始。关键帧是一辐完整的画面GOP中间的那些帧都是不完整的，需要由关键帧、前面的帧或者也包括后面的帧一起，运算后得到。对于普通视频文件，加大GOP长度有利于减小体积；从原理上可知，GOP长度也不能过大，太大则会导致GOP后部帧的画面失真。一般建议GOP长度在250帧以下为宜。由于PAL制式每秒有25帧（N制为30帧），如果是用于实时视频，如电视、网上视频等，GOP长度应在15至25之间。这样可以在一秒内完成视频快进或回退。

在现有的变换域Wyner-Ziv视频编解码框架中，对于关键帧采用帧内编码和帧内解码的形式，同时通过DCT变换消除帧间的空间相关性，但这种去除冗余信息的方法，并没有利用关键帧间的时间相关性。在分布式视频编码中，帧边信息可视作WZ帧的一个估计，通过估计可以在解码端重构WZ帧。以为内所生成的边信息的精确程度决定重构帧与真实WZ帧的逼真度。时空联合的视频对象分割，时域采用多帧帧差，形态学处理和高斯聚类，空域采用小波变换和分水岭变换。时域分割的模板与空域分水岭变换的结果融合得到最终的分割结果。采用编码模式选择模块在解码前端完成编码模式的选择。有效避免过多冗余信息存在，在解码端，计算当前帧的低频部分与其对应的边信息的失真去决定采用Wyner-Ziv编码还是帧内编码。解码端判断完成后，解码端通过已有的反馈信道向编码端发送一个比特位的判断信息。本文将Wyner-Ziv编码思想应用到关键帧编码中，提出的基于频带划分的关键帧编码模式选择方法的系统框图如图3所示。

图3 关键帧编码方式框图

运动估计是视频编码的关键技术，其最基本的原理是利用相邻帧间的时间 相关性，通过预测来减少时间冗余度。在实际编码中，为了节省码率，并不传 输每一帧的全部数据，而是利用运动估计求出每一帧与其预测参考帧之间的差 值。运动估计越准确，差值的分布越趋近与零，差值块的能量越小，经过变换、 量化和熵编码后所产生的码流的比特位率也越少。已解码的低频带和已解码前一关键帧的高频带部分进一步细化边信息，将得到的边信息用于高频带的解码，不同的相邻分组数目v实现的pts抑制ofdm峰均比的算法，可以仿真出v越大，papr的性能越好本文采用的匹配准则为均方误差函数准则（MSE），计算公式如下：

其中，N1×N2为运动估计中块的大小，（mvx，mvy）为运动矢量，f1（x，y）和fi-1（x+d1，y+d2）分别表示当前帧和参考帧的像素点。用matlab编的关键帧提取的代码，参考了光流法的代码。实现帧差法求背景的matlab程序，编写的帧差法滤波程序，对于视频监控的背景建模有用，是基于帧差的欧式距离，均值，方差，差异系数下的关键帧提取。

3 结束语

基于DCT的WZ帧编码方案在解码质量上大致相当于H.263+帧内编码的水平。而基于小波的WZ帧编码方案，在解码质量上基本可以达到H.264帧内编码的水平。本文编码冗余信息上提出的这种数字视频关键帧编码技术有一定研究意义和价值。

参考文献：

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作者简介：刘冠群（1981-），女，硕士学位，讲师，工程师，主要研究领域：软件技术、通信技术；凌梓（1975-）男，硕士学位，讲师，主要研究领域：算法分析、数字图像处理。

作者单位：湖南省广播电视大学 信息工程系，长沙 410004

基金项目：湖南省教育厅高等职业院校教学改革项目（项目编号：ZJC2012029）。