專利名稱：基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分視頻圖像壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視頻圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分視頻圖像壓縮方法。
背景技術(shù)：
等級樹集合劃分(SPIHT)算法充分考慮了數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，并且在編碼時(shí)還考慮了同一數(shù)據(jù)中高比特?cái)?shù)據(jù)重要性高于低比特?cái)?shù)據(jù)的特性。所以使用SPIHT方法來壓縮、解壓縮視頻圖像可以得到比較高的壓縮比而不增加解壓縮結(jié)果的失真度，所以該方法受到了日益廣泛的關(guān)注。在具體實(shí)現(xiàn)的過程中，編碼系統(tǒng)需要建立三個(gè)鏈表，即重要像素鏈表(LSP)、不重要像素鏈表(LIP)和不重要像素集合鏈表(LIS)，這三個(gè)鏈表用來記錄樹狀結(jié)構(gòu)分裂的中間數(shù)據(jù)。通過鏈表的使用，編碼碼流可以按照閾值(重要性)下降的順序排列，從而保證重要信息的傳輸而可以截?cái)喾侵匾畔ⅲ玫饺我饨財(cái)啻a流的高壓縮比的壓縮效果。為了提高壓縮效果，要求樹狀結(jié)構(gòu)包括更多的數(shù)據(jù)。但是隨著樹狀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)量的增加，三個(gè)鏈表的長度就越來越長，在實(shí)際應(yīng)用中就要求有巨大的內(nèi)存空間，這就增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。所以在不降低壓縮效果的前提下，縮短鏈表長度的方法正成為研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分(SPIHT)視頻圖像壓縮方法，以保證壓縮效果不下降的前提下，大大縮短鏈表的長度，節(jié)省系統(tǒng)的內(nèi)存空間開銷。
本發(fā)明提出的基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分(SPIHT)視頻圖像壓縮方法，編碼的具體步驟如下首先通過離散小波變換得到圖像能量在時(shí)頻率域上的分布，由于圖像的平滑性，圖像能量集中在低頻部分；根據(jù)小波系數(shù)之間的相關(guān)性，將各級的小波系數(shù)按照樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分；然后對每棵樹的小波系數(shù)分別進(jìn)行SPIHT編碼，編碼結(jié)果分別暫時(shí)存放在編碼端；最后將每棵樹的編碼結(jié)果合成為一個(gè)碼流用于存儲或者傳輸。
根據(jù)小波系數(shù)之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性，將各級的小波系數(shù)按照樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分是指以最低頻子帶的每個(gè)系數(shù)為樹根，按照不同級別之間小波系數(shù)位置的數(shù)據(jù)相關(guān)性得到樹狀結(jié)構(gòu)中每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。樹狀結(jié)構(gòu)中，上一級小波系數(shù)和下一級小波系數(shù)之間的關(guān)系稱為父母和子女或后代的關(guān)系。在小波系數(shù)中，不同子帶相同位置的系數(shù)，往往在數(shù)值上有相似性，根據(jù)這樣的關(guān)系，將最低頻子帶的每個(gè)系數(shù)作為樹的根節(jié)點(diǎn)，高一級的子代中相同位置的系數(shù)作為樹狀結(jié)構(gòu)的第一級子女，更高一級的子代中與每個(gè)第一級的子女相同位置的系數(shù)作為第一級子女的子女，也是樹狀結(jié)構(gòu)的第二級子女……直到最高頻子帶的系數(shù)作為最后一級的子女。
對每棵樹的小波系數(shù)分別進(jìn)行SPIHT編碼，可以減少同時(shí)處理的小波系數(shù)，產(chǎn)生的中間結(jié)果較少，縮短了重要像素鏈表(LSP)、不重要像素鏈表(LIP)和不重要像素集合鏈表(LIS)的長度。其方法就是將每棵樹的編碼結(jié)果都按照閾值下降的順序依次得到，直到閾值下降到可以滿足壓縮要求為止。閾值下降極限可以由前一幀組的最小閾值或者經(jīng)驗(yàn)閾值得到的預(yù)測閾值決定。每棵樹的小波系數(shù)進(jìn)行SPIHT編碼的結(jié)果不予直接傳輸，而是暫存在編碼端，存放時(shí)將各閾值情況下的編碼碼流依次存放，并且記錄各閾值情況下的編碼碼流長度。
在所有的樹狀結(jié)構(gòu)的小波系數(shù)編碼結(jié)束后，為了得到符合壓縮比要求的目標(biāo)碼流，需要將每棵樹的編碼結(jié)果合成為目標(biāo)碼流。合成碼流的方法是確定最小的閾值，稱為截?cái)嚅撝?，使得每棵樹編碼碼流中不小于該閾值的碼流之和不大于目標(biāo)碼流長度，將這些編碼碼流和碼流長度合成為目標(biāo)碼流，剩余的目標(biāo)碼流再由每棵樹的其余編碼碼流平均分配。就是將每棵樹編碼結(jié)果中閾值不小于截?cái)嚅撝档拇a流和這些碼流的長度直接作為目標(biāo)碼流，目標(biāo)碼流不足的部分由每棵樹編碼結(jié)果中閾值小于截?cái)嚅撝档拇a流平均分配。
編碼過程的重點(diǎn)在于樹狀結(jié)構(gòu)的劃分、樹狀結(jié)構(gòu)小波系數(shù)編碼結(jié)果的存放和目標(biāo)碼流的合成。
在解碼端，解碼過程是編碼過程的逆過程首先將待解碼的碼流分配給每棵樹的緩存，再對每棵樹分配到的碼流依次進(jìn)行SPIHT解碼，得到樹狀結(jié)構(gòu)的小波系數(shù)，再將樹狀結(jié)構(gòu)的小波系數(shù)還原為按子帶排布的小波系數(shù)，通過小波逆變換得到解碼圖像。
本發(fā)明所提出的基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分(SPIHT)視頻圖像壓縮方法，有效的解決了圖像數(shù)據(jù)量和鏈表長度之間的矛盾。為了提高壓縮效果，可以將多幀的圖像(幀組)一起進(jìn)行離散小波變換，使得每棵樹可以包括足夠多的小波系數(shù)；由于每棵樹分別編碼，并不會導(dǎo)致重要像素鏈表(LSP)、不重要像素鏈表(LIP)和不重要像素集合鏈表(LIS)長度的過度加長。


圖1為根節(jié)點(diǎn)和前三代子女的尋找關(guān)系。
圖2為后兩代子女尋找的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
以下對發(fā)明中的各個(gè)組成分別加以論述。
1.離散小波變換結(jié)果的樹狀結(jié)構(gòu)劃分離散小波變換可以使用三維的離散小波變換，即在行方向、列方向和時(shí)間方向分別進(jìn)行離散小波變換。變換結(jié)果的最低頻每個(gè)系數(shù)作為一棵樹的根節(jié)點(diǎn)，并且按照下面的關(guān)系，構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu)。假設(shè)最低頻系數(shù)的大小為Wmin×Hmin，其中Wmin和Hmin分別是最低頻幀的最低頻子帶的寬度和高度。
1)根節(jié)點(diǎn)子女尋找方法其子女為

2)二維子女尋找方法 其子女為

3)三維子女尋找方法 其子女為

圖1和圖2所示，圖1表示的是根節(jié)點(diǎn)和前三代子女的尋找關(guān)系，圖2表示的是后兩代子女尋找的關(guān)系，圖中只畫出了七個(gè)分支中的一支。
2.每棵樹狀結(jié)構(gòu)小波系數(shù)SPIHT編碼結(jié)果的存放DM，N表示閾值從2N+1下降到2N時(shí)第M棵樹閾值為N的編碼數(shù)據(jù)。LM，N表示閾值從2N+1下降到2N時(shí)第M棵樹閾值為N的編碼數(shù)據(jù)長度。所有樹的編碼結(jié)果存放的格式如下

3.目標(biāo)碼流的合成如果有M棵樹，要求的目標(biāo)碼流長度為Q。在閾值降到2P時(shí)，所有樹的總碼流長度為
N1=Σn=1MΣm=PNLn,m,]]>在閾值降到2P-1時(shí)，所有樹的總碼流長度為N2=Σn=1MΣm=P-1NLn,m,]]>并且滿足N1＜Q≤N2，那么2P即為截?cái)嚅撝?。先將M棵樹閾值降到2P時(shí)的所有碼流和碼流長度作為目標(biāo)碼流，如果每棵樹進(jìn)入目標(biāo)碼流的碼流長度要用X比特表示，此時(shí)目標(biāo)碼流約為N1+X，再將剩余的Q-N1-X的目標(biāo)碼流平均分配到M棵樹中其余的編碼碼流中，也就是將每棵樹閾值為2P-1的前(Q-N1-X)/M碼流作為目標(biāo)碼流。具體在目標(biāo)碼流中，各棵樹的編碼碼流是這樣安排的第1棵樹 D1，N——D1，P；第2棵樹 D2，N——D2，P；……第M棵樹 DM，N——DM，P；D1，P-1中的第1個(gè)比特；D2，P-1中的第1個(gè)比特；……DM，P-1中的第1個(gè)比特；D1，P-1中的第2個(gè)比特；D2，P-1中的第2個(gè)比特；……DM，P-1中的第2個(gè)比特；……直到目標(biāo)碼流長度達(dá)到要求。
解碼的過程完全為編碼的逆過程。首先將待解碼的碼流分配給每棵樹的緩存，再對每棵樹分配到的碼流依次進(jìn)行SPIHT解碼，得到樹狀結(jié)構(gòu)的小波系數(shù)，再將樹狀結(jié)構(gòu)的小波系數(shù)還原為按子帶排布的小波系數(shù)，通過小波逆變換得到解碼圖像。
仿真的結(jié)果具體的仿真條件如下Miss American視頻圖像組1-8幀圖像的Y值數(shù)據(jù)，每幀圖像大小為352×288。進(jìn)行三級三維離散小波變換，再對低頻幀進(jìn)行兩級二維離散小波變換，小波基選用Daubechies9/7雙正交小波(行方向和列方向)和Haar小波(時(shí)間方向)。共有99棵樹。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下

*優(yōu)化后的LIP、LIP、LIS是99棵樹中最大的長度，并且每棵樹編碼都進(jìn)行到閾值降為8為止，試驗(yàn)證明閾值降到8，一般就能滿足壓縮比的要求。
通過上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，本SPIHT編碼方法的結(jié)果雖然降低了PSNR(降低得非常小)，但是用于存儲鏈表的空間可以大大的減小。
權(quán)利要求
1一種基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分視頻圖像壓縮方法，其特征在于通過離散小波變換得到圖像能量在時(shí)頻率域上的分布，再將各級的小波系數(shù)按照樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，然后對每棵樹的小波系數(shù)分別進(jìn)行SPIHT編碼，編碼結(jié)果分別暫時(shí)存放，最后將每棵樹的編碼結(jié)果合成為一個(gè)碼流用于存儲或者傳輸。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分視頻圖像壓縮方法，其特征在于樹狀結(jié)構(gòu)的劃分以最低頻子帶的每個(gè)系數(shù)為樹根，按照不同級別之間小波系數(shù)位置的數(shù)據(jù)相關(guān)性得到樹狀結(jié)構(gòu)中每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
3根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分視頻圖像壓縮方法，其特征在于每棵樹都分別進(jìn)行SPIHT編碼，每棵樹的編碼結(jié)果都按照閾值下降的順序得到，直到閾值下降到可以滿足壓縮要求為止。
4根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分視頻圖像壓縮方法，其特征在于每棵樹的編碼結(jié)果先暫存在編碼端，存放時(shí)將各閾值情況下的編碼碼流依次存放，并且記錄各閾值情況下的編碼碼流長度。
5根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分視頻圖像壓縮方法，其特征在于合成碼流的方法是確定最小的閾值，使得每棵樹編碼碼流中不小于該閾值的碼流之和不大于目標(biāo)碼流長度，將這些編碼碼流和碼流長度合成作為目標(biāo)碼流，剩余的目標(biāo)碼流再由每棵樹的其余編碼碼流平均分配。
全文摘要
本發(fā)明為一種基于樹狀結(jié)構(gòu)的等級樹集合劃分(SPIHT)視頻圖像壓縮方法。編碼端首先通過離散小波變換得到圖像能量在時(shí)頻率域上的分布；根據(jù)小波系數(shù)之間的相關(guān)性，將各級的小波系數(shù)按照樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分；然后對每棵樹的小波系數(shù)分別進(jìn)行SPIHT編碼，編碼結(jié)果分別暫時(shí)存放在編碼端；最后將每棵樹的編碼結(jié)果合成為一個(gè)碼流用于存儲或者傳輸。解碼過程為編碼過程的逆過程。本發(fā)明在不消耗多余計(jì)算量的前提下，大大節(jié)省計(jì)算過程中的內(nèi)存使用，從而適應(yīng)視頻流實(shí)時(shí)高效的壓縮，特別適用于硬件實(shí)現(xiàn)的專用系統(tǒng)，是用較少的存儲空間，就能實(shí)現(xiàn)高壓縮比和低失真度的視頻壓縮。
文檔編號G06T9/00GK1581977SQ20041001850
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者華赟, 胡波, 徐晟 , 高佳 申請人:復(fù)旦大學(xué)