基於壓縮感知的視頻圖像幀間運動估計方法

2023-05-15 06:47:36 1

專利名稱：基於壓縮感知的視頻圖像幀間運動估計方法
技術領域：
本發明屬於圖像處理領域，涉及視頻圖像的幀間運動估計，可用在壓縮感知的視頻編解碼中。
背景技術：
近年來，隨著數位訊號處理的高速發展，需要處理的數據量正以驚人的速度增大，傳統的奈奎斯特(Nyquist)採樣定理要求信號的採樣頻率不低於信號最大頻率的兩倍，這對信號處理能力和硬體設備提出了更高的要求，為了突破以奈奎斯特採樣理論為支撐的信息獲取、壓縮處理並存儲傳輸的傳統信號處理方式，一種新型的將數據採集和數據壓縮過程合二為一的壓縮感知理論開始成為國內外研究的熱點之一。與傳統的奈奎斯特理論適用於帶寬受限信號類似，壓縮感知理論同樣有其信號適用範圍。一般來說，對於稀疏或可壓縮信號，壓縮感知利用其在某種已知基下的稀疏性可以從原理上降低其採樣成本，考慮到視頻信號在離散餘弦變換DCT、小波等基下具有很強的可壓縮性，可以將壓縮感知理論用於實現視頻圖像壓縮編碼中。與傳統視頻壓縮編碼相比，壓縮感知最主要的優點是可以大大降低視頻信號的採集成本，而且在視頻採集的同時也實現了視頻圖像的壓縮。儘管應用壓縮感知理論能夠減少處理/傳輸的數據量，但將其直接用於視頻信號存儲/傳輸，其壓縮效率遠低於傳統的視頻壓縮方法，主要原因是其未考慮視頻幀之間的相關性。在傳統視頻編碼算法中，可以通過幀間運動估計在像素域分析時間相關性，消除視頻幀中大量存在的時間冗餘，去冗餘後殘差塊的變換域係數非常稀疏，獲得較高的壓縮效率。目前，基於壓縮感知視頻編碼端消除時間冗餘方法主要是利用視頻幀差更稀疏這一特性來進行相關性分析。首先對視頻每一幀用相同的測量矩陣進行分塊測量；由於視頻信號連續幀之間存在較強的相關性，如背景區域較多，幀差信號越稀疏，則所需要的測量數越少。對視頻幀測量值做幀差，以約束等距特性RIP為理論基礎，根據幀差稀疏程度合理分配測量數目，從而提高編碼壓縮率。這種視頻編碼方法的不足是，沒有考慮視頻信號存在運動信息，造成其壓縮效率較低。北京郵電大學申請的專利「基於分布式壓縮感知技術的信源編碼的方法」(申請號CN201010595373.X，公開號CN102123278A)公開了一種基於視頻圖像編碼方法。在對視頻圖像信號源編碼時，利用視頻差值信號更為稀疏的特點，用壓縮感知技術對數據幀的差值信號進行低速率採樣方法。該方法的不足是，對像素域視頻信號做幀差後低速採樣顯然違背了壓縮感知技術的初衷，壓縮感知是將採樣和壓縮合二為一，而該方法先對原始視頻信號進行採樣做幀差，然後對幀差信號進行壓縮感知採樣壓縮；其次該方法也沒有考慮視頻信號的運動信息，視頻編碼壓縮效率不高。

發明內容
本發明的目的在於克服上述已有技術的缺點，提出一種基於壓縮感知的視頻圖像幀間運動估計方法，以提取視頻信號間的運動信息，在保證解碼端能夠良好恢復原視頻信號的前提下，減少編碼端所需傳輸的數據量，進一步提高壓縮採樣效率。實現本發明目的的技術方案是在測量域直接分析視頻幀在像素域上的運動信息，並進行估計，其具體步驟如下(I)將視頻圖像中連續的N幀分為一組，每一組圖像的第一幀作為參考幀，其餘N-I幀作為非參考幀，其中N為大於等於2的自然數；(2)將每組視頻圖像中的參考幀和非參考幀分成η個大小相同，互不重疊的宏塊，對每個宏塊進行二維到一維變換，得到每個宏塊的列向量，其中η為大於I的自然數；(3)基於壓縮感知理論，對所有宏塊用相同的測量矩陣進行測量，得到每個宏塊的測量值；(4)在參考幀中搜索與非參考幀當前宏塊最匹配的宏塊，找出最優估計運動向量4a)建立參考幀中某一宏塊運動後像素域向量與步驟(2)所劃分宏塊像素域向量之間的位置關係模型
權利要求
1.一種基於壓縮感知的視頻圖像幀間運動估計方法，包括(1)將視頻圖像中連續的N幀分為一組，每一組圖像的第一幀作為參考幀，其餘N-I幀作為非參考幀，其中N為大於等於2的自然數；(2)將每組視頻圖像中的參考幀和非參考幀分成η個大小相同，互不重疊的宏塊，對每個宏塊進行二維到一維變換，得到每個宏塊的列向量，其中η為大於I的自然數；(3)基於壓縮感知理論，對所有宏塊用相同的測量矩陣進行測量，得到每個宏塊的測量值；(4)在參考幀中搜索與非參考幀當前宏塊最匹配的宏塊，找出最優估計運動向量4a)建立參考幀中某一宏塊運動後像素域向量與步驟(2)所劃分宏塊像素域向量之間的位置關係模型
2.根據權利要求I所述的基於壓縮感知的視頻圖像幀間運動估計方法，其中步驟(3)所述所有宏塊用相同測量矩陣進行測量，是通過如下公式進行Yi=0Xi其中，Φ是部分哈達瑪矩陣，Xi為各個宏塊的列向量^為各個宏塊的測量值，i = 1，·2，... η，η是宏塊的總個數。
全文摘要
本發明公開了一種基於壓縮感知的視頻圖像幀間運動估計方法，主要解決現有技術在編碼過程中難以直接利用運動後宏塊測量值進行運動估計的問題。其實現步驟為(1)對視頻序列分組，組內劃分參考幀與非參考幀；(2)對每一幀圖像進行分塊得到每個宏塊的列向量；(3)對每一宏塊進行壓縮感知測量得到各個宏塊測量值和運動後宏塊的估計測量值；(4)根據衡量估計測量值與真實測量值差異程度的代價函數尋找最優運動估計向量。本發明提出的運動估計方法提取了視頻編碼過程中的運動信息，減少了編碼端所需傳輸的數據量，可用在壓縮感知的視頻編解碼中。
文檔編號H04N7/26GK102946539SQ20121047644
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月21日 優先權日2012年11月21日
發明者宋彬, 李玲泉, 郭潔, 秦浩, 劉海嘯 申請人:西安電子科技大學