一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法

2023-05-08 04:48:01 2

專利名稱：一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法
技術領域：
本發明屬於信號處理中的視頻壓縮編碼領域，特別針對新一代視頻編碼領域提出 一種新的分形視頻壓縮編碼方法，在保證圖像質量的前提下，大大加快了分形視頻編碼的 速度和壓縮比。
背景技術：
分形理論最初由Mandelbrot於上世紀70年代提出(參見BenoitB. Mandelbrot. TheFractal Geometry of Nature[M]. New York H.Freeman and Company,1982.)。分 形編碼的數學基礎是迭代函數系統(IFS)理論。Barnsley首先將分形編碼用於交互式圖 像壓縮(參見 Michael F. Barnsley, Alan D. Sloan. A better way to compressimage [J]. Byte Magazine，1988，13 (1) :215_233.)。Jacqain 提出了全自動的分形圖像壓縮 方法(參見 Arnaud E. Jacquin. A novel fractal blocking-coding techniquefor digital image[C]. IEEE International Conference on Acoustics，Speech andSignal Processing，1990，4 2225~2228.)，(參 見 Arnaud E. Jacquin. Fractal imagecoding a review[J]. Proceeding of the IEEE，1993，81 (10) :1451_1465.)，該方法釆用基於圖 像分塊的方式以局部的仿射變換代替全局的仿射變換。之後，Fisher利用四叉樹改進 了這一方法(參見 Y. Fisher. Fractal Image Compression [J]. Fractals，1994，2 (3) 347-361.)，(參見 Y. Fisher，E. W. Jacobs. Image compression :A studythe iterated transform method[J]. Signal Processing，1992，29 (3)，251-263.)，(參見 Y.Fisher. Fractal Image Compression :Theory and application to digital images[M]. New York Spring-Verlag, 1995，55-77.)，大大提高了編碼效率，並成為目前分形圖像編碼中的主流 方法。在此基礎之上，一些學者和研究人員把分形圖像壓縮的方法應用到視頻序列的 壓縮上。Meiqing Wang等提出了綜合基於數據立方體和基於幀的分形視頻壓縮方法(參 見 Meiqing Wang, Choi-Hong Lai. A hybrid fractal video compression method[J]. Computers & Mathematics with Applications，2005，50 (3-4) :611_62L)，(參見Meiqing Wang, Zhehuang Huang，Choi-Hong Lai. Matching search in fractal videocompression and its parallel implementation in distributed computingenvironments[J]. Applied Mathematical Modeling,2006,30(8) :677-687. ), ( # B Meiqing Wang, Rong Liu, Choi-Hong Lai. Adaptive partition and hybrid methodin fractal video compression[J]. Computers & Mathematics with Applications，2006，51(11) 1715-1726. ) 0 其中最為經典和影響較大的參見(C.S.Kim，R. C. Kim, S. U. Lee. Fractal coding of video sequence using circular prediction mapping andnoncontractive interframe mapping[J]. IEEE Transactions on Image Processing，1998，7(4) 601-605.)。該方法採用類似於標準視頻編碼方法所採用的運動估計/補償技術，該方法利 用了相鄰幀之間的時間強相關性，對視頻序列壓縮取得了較好的效果。在CPM和NCIM中，子塊域中的每個圖像塊都由來自相鄰幀相同大小的父塊域通過運動補償得到。CPM和NCIM 兩者間最大的不同在於CPM在解碼的過程中需要具備收斂性，而NCIM不需要。但是在循 環預測編碼(CPM)方法中，為了保證起始幀經過自身的循環解碼能夠近似收斂到原來的圖 像，壓縮過程需要經過複雜變換、搜索和迭代等，壓縮時間和圖像質量難以達到要求。目前 典型的分形圖像和視頻壓縮方法的運算量很大，編碼速度較慢，並且解碼的質量有待提高， 使得分形圖像和視頻壓縮方法還需要進一步的改進和提高。

發明內容
本發明提出了一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法，壓縮方法是利用分形迭代 原理進行視頻編碼的一種新型視頻壓縮編碼方法，首先對起始幀採用塊DCT變換編碼，對 非I幀進行塊運動估計/補償編碼，首先計算與子塊域和父塊域相關子塊的像素和與像素 平方和，然後在前一幀搜索窗中利用全搜索方法尋找最相似的匹配塊，最後利用Huffman 編碼方法壓縮迭代函數系統係數。對應的解壓縮過程為對I幀採用反DCT變換的方式解 碼，對非I幀進行Huffman解碼獲得迭代函數系統係數，然後進行基於宏塊的解碼，首先計 算父塊域相關子塊的像素和與像素平方和，然後依次對當前幀中的每一個宏塊進行解碼。 本方法改進了傳統分形視頻壓縮方法，不但大大提高了壓縮比和峰值信噪比，而且提高了 編碼速度，進一步提高了分形視頻壓縮編碼的性能，使其更加具有實用性。一種基於分形的視頻壓縮編碼方法，包括以下步驟步驟一對於I幀，首先對該幀進行互不重疊的固定大小的塊劃分，對每一個圖像 塊分別採用基於塊DCT變換的I幀幀內圖像壓縮方法，對該幀圖像進行單獨編碼和解碼，轉 到步驟四；所述I幀為視頻序列起始幀或者視頻序列中只進行幀內編碼的圖像幀；所述將 當前幀劃分為固定大小的互不重疊的圖像塊稱為宏塊；所述將當前宏塊進行樹狀劃分得到 的塊稱為小塊；所述參考幀為當前幀的已經編碼並重建的前一幀；所述塊DCT變換中的塊 採用固定大小模式；步驟二 若當前幀為非I幀，在進行塊匹配之前，首先對當前幀進行互不重疊的 宏塊劃分，然後計算這些宏塊以及經樹狀劃分得到的小塊的像素和、像素平方和，以及前一 幀重建圖像即參考幀中，按照設定步長劃分的所有宏塊以及經樹狀劃分得到的小塊的像素 和、像素平方和，以減少塊匹配過程中的重複計算；轉到步驟三；所述當前幀為正在進行壓 縮的幀；所述當前幀所有塊的集合稱為子塊域；所述前一幀的所有塊的集合稱為父塊域；步驟三依次對當前幀的所有宏塊進行編碼，在父塊域中的搜索窗內首先對該宏 塊進行塊匹配；在進行子塊與父塊的匹配過程中，子塊的位置作為父塊的起始搜索點，父塊 的大小與子塊的大小相同；如果匹配誤差RMS小於開始設定的閾值Y，保存當前的迭代函 數系統係數即IFS係數，轉入步驟三編碼下一宏塊；否則，依次按照樹狀結構對該塊進行劃 分，並對各個劃分得到的小塊分別計算匹配誤差RMS，如果RMS小於設定閾值Y，停止劃分 並記錄該小塊IFS係數，轉入步驟三編碼下一宏塊；否則繼續劃分，直到將當前塊劃分為預 先設定的最小塊，記錄IFS係數；轉入步驟三編碼下一宏塊；所述搜索窗為在參考幀中的矩 形搜索區域；所述IFS係數包括父塊位置(x，y)和比例因子s、偏移因子o ；如果當前幀所 有的宏塊都已編碼完畢，則轉到步驟四；步驟四對所有IFS係數進行Huffman編碼，降低IFS係數數據的統計冗餘；判斷當前幀是否為最後一幀，如果是最後一幀結束編碼；否則，返回步驟一繼續處理下一幀圖 像。所述一種基於分形的視頻壓縮編碼方法，處理的視頻序列為YUV格式，分別對3個 分量中的每個採用上述四個步驟進行處理。所述步驟四中對宏塊採用樹狀劃分，塊匹配採用匹配誤差準則；子塊與父塊的匹 配誤差RMS為 其中，N為子塊和父塊像素的個數，r,為子塊的像素值，屯為父塊的像素值；計算當前宏塊在參考幀中的塊匹配誤差RMS，其中ri是子塊的像素值，屯是父塊的 像素值；如果RMS小於預先設定的閾值Y，記錄IFS係數，IFS係數包括匹配塊的位移矢量 (x，y)和公式2，3中的s和0，處理下一宏塊；否則，對當前宏塊進行樹狀劃分，計算劃分後 小塊的RMS，如果小於閾值Y，則停止劃分，否則繼續劃分，直到子塊達到預先設定的最小 塊為止。一種基於分形的視頻解壓縮方法，其特徵在於包含以下步驟步驟I 首先從壓縮文件中讀入壓縮信息，包括壓縮幀數，每幀圖像的寬和高，I幀 壓縮質量，插入I幀數量和搜索範圍；步驟II 由讀入壓縮信息和當前待解碼幀號判斷該待解碼幀是否為I幀，若是I 幀轉入步驟III，否則轉入步驟IV ；步驟III 對於I幀，從壓縮文件中讀入解碼該幀所需碼流，採用基於塊DCT變換 的I幀幀內圖像解壓縮方法進行解碼，幀數加一轉入步驟V ；步驟IV 對於非I幀，首先計算參考幀中按照設定步長劃分的所有宏塊以及經樹 狀劃分得到的小塊的像素和、像素平方和，然後從壓縮文件中讀入塊的劃分信息和Huffman 碼流，並根據塊劃分信息和Huffman碼流得到該幀所有宏塊的劃分方式和每一個小塊的迭 代函數系統係數，按照每一宏塊進行解碼；步驟V 判斷此時所有幀是否都已解碼，若都已解碼完畢，則結束解碼過程，否則 轉入步驟II。對於每一個宏塊進行解碼時，首先判斷該宏塊在編碼時的劃分方式，對於每一個 子塊，首先在父塊域找到與該子塊相對應的區域，然後利用下面的公式獲得該子塊的像素 值r,- = s*d,-+o
其中ri為待解碼子塊的像素值，屯為父塊域中的像素值，s為比例因子，o為偏移 因子。處理的視頻序列為YUV格式，分別對3個分量中的每個採用上述五個步驟進行處理。本發明所提出的分形視頻壓縮方法的優點在於(1)本方法中對起始幀採用幀內塊DCT變換編碼，相對於CPM/NCIM編碼方案，不但 大幅度減少了壓縮時間和塊效應，而且提高了峰值信噪比。(2)本方法先將一幀圖像劃分為互不重疊的、由若干固定大小尺寸的宏塊組成的 棋盤格式，然後根據匹配準則與設定閾值的關係，對宏塊進行樹狀結構劃分，相對於四叉樹 劃分準則，大大降低了計算複雜度，提高了編碼速度。(3)本方法在進行子塊與父塊的匹配過程中，子塊的位置作為父塊的起始搜索點， 父塊的大小與子塊的大小相同，並且將搜索區域限定在一個矩形區域內，取代了傳統分形 圖像編碼過程中對子塊和父塊進行分類和翻轉的方法，極大提升了計算速度，且解碼圖像 質量無明顯下降。(4)本方法在進行子塊的塊匹配之前，計算當前幀互不重疊的宏塊及其經樹狀劃 分之後得到的小塊的像素和與像素平方和。在參考幀中，按照匹配步長分別計算各宏塊以 及經樹狀劃分以後得到的小塊的像素和與像素平方和。這樣就避免了在塊匹配過程中出現 重複計算的弊端，大大節約了子塊的匹配時間。


圖la為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法的壓縮流程圖；圖lb為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法的解壓縮流程圖；圖2a為標準測試視頻序列「mother-daughter, cif 」的第1幀；圖2b為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法單獨解碼經本發明方法壓 縮編碼以後的標準測試視頻序列「mother-daughter, cif」的第1幀結果圖像；圖3a為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法對宏塊的四種劃分模式 圖；圖3b為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法對宏塊的劃分模式四進一 步進行劃分的四種劃分模式圖；圖4a為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法與傳統的CPM/NCIM方法對 標準測試視頻序列「mother-daughter, cif」的前15幀進行壓縮的峰值信噪比的對比圖；圖4b為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法與傳統的CPM/NCIM方法對 標準測試視頻序列「mother-daughter, cif」的前15幀進行壓縮的壓縮比的對比圖；圖4c為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法與傳統的CPM/NCIM方法對 標準測試視頻序列「mother-daughter, cif」的前15幀進行壓縮的壓縮時間的對比圖。圖4d為本發明一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法與傳統的CPM/NCIM方法對 標準測試視頻序列「mother-daughter, cif」的前15幀進行解壓縮的時間對比圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明方法作進一步的詳細說明，僅以亮度分量Y為例，色差 分量U和V的壓縮步驟與亮度分量相同。本發明提出了一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法，壓縮方法是利用分形迭代 原理進行視頻編碼的一種新型視頻壓縮編碼方法，首先對起始幀採用塊DCT變換編碼，對 非I幀進行塊運動估計/補償編碼，首先計算與子塊域和父塊域相關子塊的像素和與像素 平方和，然後在前一幀搜索窗中利用全搜索方法尋找最相似的匹配塊，最後利用Huffman 編碼方法壓縮迭代函數系統係數。對應的解壓縮過程為對I幀採用反DCT變換的方式 解碼，對非I幀進行Huffman反編碼獲得迭代函數系統係數，然後進行基於宏塊的解碼，首 先計算父塊域相關子塊的像素和與像素平方和，然後依次對當前幀中的每一個宏塊進行解 碼。本方法改進了傳統分形視頻壓縮方法，不但大大提高了壓縮比和峰值信噪比，而且提高 了編碼速度，進一步提高了分形視頻壓縮編碼的性能，使其更加具有實用性。如附圖la所示，一種基於分形的視頻壓縮編碼方法，包括以下步驟步驟一以標準測試視頻序列「mother-daughter, cif 」的前15幀為例。所述I幀 為視頻序列起始幀或者視頻序列中只進行幀內編碼的圖像幀；所述將當前幀劃分為固定大 小的互不重疊的圖像塊稱為宏塊；所述將當前宏塊進行樹狀劃分得到的塊稱為小塊；所述 當前幀為正在進行壓縮的幀，所述參考幀為當前幀的已經編碼並重建的前一幀；所述當前 幀所有塊的集合稱為子塊域；所述前一幀的所有塊的集合稱為父塊域；所述塊DCT變換中 的塊採用固定大小模式。對視頻序列「mother-daughter, cif」起始幀採用基於塊DCT變換 的I幀幀內圖像壓縮方法，將起始幀劃分為8X8的互不重疊的子塊，對每一子塊分別進行 DCT變換。離散餘弦變換將8X8的圖像樣本X，變換成8X8的係數矩陣Y。變換過程(包 括反變換)可以用變換矩陣A來表示。8X8樣本塊的正向DCT(FDCT)變換如下
(4)反向DCT(IDCT)如下其中A是8X8的變換矩陣。A中的各個元素如下 i，j分別為矩陣A的行和列。對變換係數進行量化和編碼。附圖2a為標準測試視頻序列「mother-daughter, cif」的起始幀，利用本方法解壓縮DCT變換編碼之後的解壓縮圖像為附圖2b。轉入步驟四。步驟二 對當前非I幀圖像進行互不重疊的16X 16宏塊劃分，分別計算當前幀互 不重疊的16X16，16X8，8X16，8X8，8X4，4X8，4X4的小塊的像素和與像素的平方和。然 後分別計算參考幀也就是前一幀的解壓縮圖像中以1為步長的大小分別為16X16,16X8， 8X16,8X8,8X4,4X8,4X4的小塊的像素和與像素的平方和，以減少塊匹配過程中的重複計算。從第一個宏塊開始處理，依次對當前幀的所有16X16宏塊進行編碼，轉入步驟三；步驟三依次對當前幀的所有16X 16宏塊進行編碼，在父塊域中的搜索窗內對整 個宏塊進行塊運動估計/補償。匹配的依據是分形迭代函數系統原理，簡要介紹一下分形 圖像壓縮的數學基礎-迭代函數系統(IFS iterative Function System)理論。設D是 Rn歐氏空間的子集，《為D — D的映射，如果存在一個實數C，0 < C < 1，使得對於Rn上的 度量d，滿足對任意x，y GD，有d( (x)，co (y)) < C(d(x，y))，則稱《為壓縮映射，實數 C稱為《的壓縮因子。完備的度量空間(X，d)以及n個壓縮映射—X(其壓縮因子 分別為(^，(2， (；) 一起，就組成一個迭代函數系統(Iterated Function System)，簡稱 IFS，記作{X 《2，...，《n}。C = max(C1，C2，…，Cn)稱為 IFS 的壓縮因子。因此{R2
就是一個 IFS。分形圖像壓縮中，一般的匹配準則是RMS，即RMS =去[玄々 + sisf^ 劣-2 坌 r^ +2ofjd^) + o{N-o-lj^r,)]其中s，o分別為 其中，N為子塊和父塊像素的個數，r,為子塊的像素值，屯為父塊的像素值。首先設定子塊的匹配誤差閾值、=t0lXt0lXn0，其中tol根據不同的子塊大小 而改變，大的子塊tol就越大，小的子塊tol就小。在本例中，我們取16X16宏塊的tol為 10. 0，8X8子塊的tol為8. 0，4X4子塊的tol為6. 0,no為當前子塊屬於該視頻對象區域 的像素個數。首先設定16X16宏塊的匹配誤差閾值Y16= 10. 0X10.0Xno，在參考幀的父塊域 中以當前子塊的位置開始在15X15的搜索窗內對整個宏塊進行塊匹配，如果匹配誤差RMS 小於開始設定的閾值Y16，保存當前的IFS係數包括比例因子s，偏移0，父塊相對於當前子 塊的坐標偏移x，1，返回步驟三，繼續下一宏塊的匹配。否則，按照樹狀結構對該宏塊進行劃分，對宏塊的劃分有四種模式，如附圖3a，模 式一為一個16X 16小塊，模式二為兩個8 X 16的小塊，模式三為兩個16X8的小塊，模式四 為四個8X8的小塊。1、首先按模式二的劃分計算，若模式二中兩個小塊都滿足RMS < Y16，保存當前的 IFS係數包括比例因子s，偏移0，以及父塊相對於當前子塊的坐標偏移x，y，並停止塊的劃 分，轉到5;2、否則按模式三劃分，若模式三中兩個小塊都滿足RMS < Y 16，保存當前的IFS系 數包括比例因子S，偏移0，以及父塊相對於當前子塊的坐標偏移X，y，並停止塊的劃分，轉 到5;3、否則按照模式四對當前宏塊進行劃分，此時匹配誤差閾值設置為Y8 =8. 0X8. OXno，如果模式四中的4個小塊都滿足RMS < 保存當前的IFS係數包括比例 因子s，偏移0，以及父塊相對於當前子塊的坐標偏移x，y，並停止塊的劃分，轉到5 ；4、否則對模式四中的每一個小塊按照附圖3b中的模式劃分順序進行劃分，可依 次劃分為1個8 X 8的小塊，2個4X 8的小塊，2個8 X 4的小塊，4個4X 4的小塊。這裡只 對第一個8 X 8小塊的匹配過程進行闡述，其它3個8 X 8小塊的匹配過程與第一個相同，不 再贅述。首先按照2個4X8的小塊劃分，進行塊匹配，如果兩個子塊的匹配誤差RMS全部 小於、8時，保存當前的IFS係數包括比例因子s，偏移0，以及父塊相對於當前子塊的坐標 偏移x，y，並停止塊的劃分。否則，按照2個8X4的劃分方式進行塊的劃分，對這兩個子塊 進行塊匹配，如果兩個子塊的匹配誤差RMS全部小於、8時，保存當前的IFS係數包括比例 因子s，偏移0，以及父塊相對於當前子塊的坐標偏移x，y，並停止塊的劃分。否則，對該子 塊劃分為4個4X4的小塊，同時匹配誤差閾值設為= 6. 0X6. OXno，對四個小塊分別 進行塊匹配，並分別記錄每個子塊的IFS係數包括比例因子s，偏移0，以及父塊相對於當前 子塊的坐標偏移x，y，並停止塊的劃分，轉到5 ；5、返回步驟三，繼續下一宏塊的編碼。如果所有的宏塊都已編碼完畢，則轉到步驟四；步驟四對所有IFS係數進行huffman編碼，huffman編碼是根據出現的概率將每 個符號映射到一個變長碼字的集合(VLC)上，降低IFS係數數據的統計冗餘。判斷當前幀 是否為最後一幀，如果是最後一幀結束編碼，否則，轉入步驟一繼續處理下一幀圖像。如附圖lb所示，一種基於分形的視頻解壓縮方法，包括以下步驟步驟I 首先從壓縮文件中讀入壓縮信息，包括壓縮幀數，每幀圖像的寬和高，I幀 壓縮質量，插入I幀數量和搜索範圍；步驟II 由讀入壓縮信息和當前待解碼幀號判斷該待解碼幀是否為I幀，若是I 幀轉入步驟III，否則轉入步驟IV ；步驟III 對於I幀，從壓縮文件中讀入解碼該幀所需碼流，採用基於塊DCT變換 的I幀幀內圖像解壓縮方法進行解碼，進行反DCT變換，得到每一個8X8的塊的像素值，幀 數加一轉入步驟V;步驟IV 對於非I幀，首先計算參考幀中按照設定步長劃分的所有宏塊以及經樹 狀劃分得到的小塊的像素和、像素平方和，然後從壓縮文件中讀入塊的劃分信息和Huffman 碼流，並根據塊劃分信息和Huffman碼流得到該幀所有宏塊的劃分方式和每一個小塊的迭 代函數系統係數，按照每一宏塊進行解碼。對於每一個宏塊進行解壓縮時，首先判斷該宏塊 在編碼時的劃分方式，對於每一個子塊，首先在父塊域找到與該子塊相對應的區域，然後利 用下面的公式獲得該子塊的像素值，= s*di+o其中ri為待解碼子塊的像素值，屯為父塊域中的像素值，s為比例因子，o為偏移 因子。步驟V 判斷此時所有幀是否都已解碼，若都已解碼完畢，則結束解碼過程，否則 轉入步驟II。處理的視頻序列為YUV格式，分別對3個分量中的每個採用上述五個步驟進行處理。
本方法選擇Visual C++6. 0作為所述方法的實現語言，CPU為Intel Core 2 DuoT8300，2. 4GHz主頻，內存大小為2G，對標準測試視頻序列「mother-daughter, cif」進行 了基於分形的視頻編碼實驗。表1為在同等條件下，利用本發明方法與CPM/NCIM方法對標準測試視頻序列 "mother-daughter, cif」的起始幀的對比實驗結果。 表1CPM/NCIM方法和本發明方法的起始幀壓縮結果對比分別採用傳統的CPM/NCIM方法和本發明方法對「mother-daughter, cif」的前15 幀進行壓縮編碼的峰值信噪比的對比圖如附圖4a所示；分別採用傳統的CPM/NCIM方法和 本發明方法對「mother-daughter, cif」的前15幀進行壓縮編碼的壓縮比的對比圖如附圖 4b所示；分別採用傳統的CPM/NCIM方法和本發明方法對「mother-daughter, cif」的前15 幀進行壓縮編碼的壓縮時間的對比圖如附圖4c所示；分別採用傳統的CPM/NCIM方法和本 發明方法對「mother-daughter, cif」的前15幀進行解壓縮時間的對比圖如附圖4d所示； 從附圖4可以看出，本發明方法與傳統的CPM/NCIM方法相比，不但增加了峰值信噪比和壓 縮比，而且減少了壓縮時間。對5 個典型的視頻序列"highway, cif"flower, cif，，，「foreman, cif"paris. cif","bus. cif」(圖像尺寸為352 X 288像素的CIF格式，取15幀圖像)，宏塊尺寸為16 X 16 像素，最小分塊尺寸為4X4像素。採用的對比方法如下，CPM/NCIM方法中CPM幀數取為2。 壓縮和解壓縮性能對比結果如表2所示，各項指標均為15幀的均值。本發明提出的方法明 顯好於傳統的CPM/NCIM方法，如PSNR值提高了 3-5dB，壓縮比提高了近4倍，壓縮時間卻減 少為原來的1/10。這是因為本發明方法利用了編碼幀和參考幀之間的強互相似性，能夠準 確快速地找到最佳匹配塊，結果表現為解壓縮圖像質量高、壓縮比高以及壓縮所用時間少等。本方法可以根據應用目的的不同來選擇匹配誤差閾值，在低比特率的條件下，可 以選擇大的匹配閾值，使分塊的數目減少，從而增加壓縮比。在對解壓縮視頻圖像要求較高 的情況下，可以減小匹配誤差閾值，增加分塊的數目，使塊的匹配更加準確，從而保證視頻 質量。
表2CPM/NCM方法和本發明方法對5個視頻序列壓縮和解壓縮性能均值對比。
權利要求
一種基於分形的視頻壓縮編碼方法，其特徵在於用宏塊的樹狀劃分規則替代傳統的四叉樹劃分規則；採用相同大小的子塊和父塊進行匹配，取代傳統分形圖像壓縮中對子塊和父塊進行分類和翻轉的方法，簡化了塊的搜索策略和範圍，並將搜索範圍限定在固定個數像素之間，極大的提高了計算速度；使用了H.264標準中的I幀方法；減少重複計算；該基於分形的視頻壓縮編碼方法的具體步驟如下步驟一對於I幀，首先對該幀進行互不重疊的固定大小的塊劃分，對每一個圖像塊分別採用基於塊DCT變換的I幀幀內圖像壓縮方法，對該幀圖像進行單獨編碼和解碼，轉到步驟四；所述I幀為視頻序列起始幀或者視頻序列中只進行幀內編碼的圖像幀；所述將當前幀劃分為固定大小的互不重疊的圖像塊稱為宏塊；所述將當前宏塊進行樹狀劃分得到的塊稱為小塊；所述塊DCT變換中的塊採用固定大小模式；步驟二若當前幀為非I幀，在進行塊匹配之前，首先對當前幀進行互不重疊的宏塊劃分，然後計算這些宏塊以及經樹狀劃分得到的小塊的像素和、像素平方和，以及前一幀重建圖像即參考幀中，按照設定步長劃分的所有宏塊以及經樹狀劃分得到的小塊的像素和、像素平方和，以減少塊匹配過程中的重複計算；轉到步驟三；所述當前幀為正在進行壓縮的幀；所述參考幀為當前幀的已經編碼並重建的前一幀；所述當前幀所有塊的集合稱為子塊域；所述前一幀的所有塊的集合稱為父塊域；步驟三依次對當前幀的所有宏塊進行編碼，在父塊域中的搜索窗內首先對該宏塊進行塊匹配；在進行子塊與父塊的匹配過程中，子塊的位置作為父塊的起始搜索點，父塊的大小與子塊的大小相同；如果匹配誤差RMS小於開始設定的閾值γ，保存當前的迭代函數系統係數即IFS係數，轉入步驟三編碼下一宏塊；否則，依次按照樹狀結構對該塊進行劃分，並對各個劃分得到的小塊分別計算匹配誤差RMS，如果RMS小於設定閾值γ，停止劃分並記錄該小塊IFS係數，轉入步驟三編碼下一宏塊；否則繼續劃分，直到將當前塊劃分為預先設定的最小塊，記錄IFS係數；轉入步驟三編碼下一宏塊；所述搜索窗為在參考幀中的矩形搜索區域；所述IFS係數包括父塊位置(x，y)和比例因子s、偏移因子o；如果當前幀所有的宏塊都已編碼完畢，則轉到步驟四；步驟四對所有IFS係數進行Huffman編碼，降低IFS係數數據的統計冗餘；判斷當前幀是否為最後一幀，如果是最後一幀結束編碼；否則，返回步驟一繼續處理下一幀圖像。
2.根據權利要求1所述一種基於分形的視頻壓縮編碼方法，其特徵在於處理的視頻 序列為YUV格式，分別對3個分量中的每個採用上述四個步驟進行處理。
3.根據權利要求1所述一種基於分形的視頻壓縮編碼方法，其特徵在於所述步驟四 中對宏塊採用樹狀劃分，塊匹配採用匹配誤差準則；子塊與父塊的匹配誤差RMS為 (1)其中參數8和0分別為 其中，N為子塊和父塊像素的個數，r,為子塊的像素值，屯為父塊的像素值；計算當前宏塊在參考幀中的塊匹配誤差RMS，其中ri是子塊的像素值，屯是父塊的像素 值；如果RMS小於預先設定的閾值、，記錄IFS係數，IFS係數包括匹配塊的位移矢量(x，y) 和公式2，3中的s和0，處理下一宏塊；否則，對當前宏塊進行樹狀劃分，計算劃分後小塊的 RMS，如果小於閾值Y，則停止劃分，否則繼續劃分，直到子塊達到預先設定的最小塊為止。
4.一種基於分形的視頻解壓縮方法，其特徵在於包含以下步驟步驟I 首先從壓縮文件中讀入壓縮信息，包括壓縮幀數，每幀圖像的寬和高，I幀壓縮 質量，插入I幀數量和搜索範圍；步驟II 由讀入壓縮信息和當前待解碼幀號判斷該待解碼幀是否為I幀，若是I幀轉 入步驟III，否則轉入步驟IV;步驟III 對於I幀，從壓縮文件中讀入解碼該幀所需碼流，採用基於塊DCT變換的I幀 幀內圖像解壓縮方法進行解碼，幀數加一轉入步驟V ；步驟IV 對於非I幀，首先計算參考幀中按照設定步長劃分的所有宏塊以及經樹狀劃 分得到的小塊的像素和、像素平方和，然後從壓縮文件中讀入塊的劃分信息和Huffman碼 流，並根據塊劃分信息和Huffman碼流得到該幀所有宏塊的劃分方式和每一個小塊的迭代 函數系統係數，按照每一宏塊進行解碼；步驟V 判斷此時所有幀是否都已解碼，若都已解碼完畢，則結束解碼過程，否則轉入 步驟II。
5.根據權利要求4所述一種基於分形的視頻解壓縮方法，其特徵在於對於每一個宏 塊進行解碼時，首先判斷該宏塊在編碼時的劃分方式，對於每一個子塊，首先在父塊域找到 與該子塊相對應的區域，然後利用下面的公式獲得該子塊的像素值，A =其中巧為待解碼子塊的像素值，di為父塊域中的像素值，S為比例因子，0為偏移因子。
6.根據權利要求4所述一種基於分形的視頻解壓縮方法，其特徵在於處理的視頻序 列為YUV格式，分別對3個分量中的每個採用上述五個步驟進行處理。
全文摘要
本發明提出了一種基於分形的視頻壓縮與解壓縮方法，壓縮方法是利用分形迭代原理進行視頻編碼的一種新型視頻壓縮編碼方法，首先對起始幀採用塊DCT變換編碼，對非I幀進行塊運動估計/補償編碼，首先計算與子塊域和父塊域相關子塊的像素和與像素平方和，然後在前一幀搜索窗中利用全搜索方法尋找最相似的匹配塊，最後利用Huffman編碼方法壓縮迭代函數系統係數。對應的解壓縮過程為對I幀採用反DCT變換的方式解碼，對非I幀進行Huffman解碼獲得迭代函數系統係數，然後進行基於宏塊的解碼，首先計算父塊域相關子塊的像素和與像素平方和，然後依次對當前幀中的每一個宏塊進行解碼。本方法改進了傳統分形視頻壓縮方法，不但大大提高了壓縮比和峰值信噪比，而且提高了編碼速度，進一步提高了分形視頻壓縮編碼的性能，使其更加具有實用性。
文檔編號H04N7/30GK101860753SQ20101016724
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者候仰拴, 王再闊, 祝世平 申請人:北京航空航天大學