专利名称：一种高效的多维视频流编解码方法
技术领域：
本发明涉及多维视频流的压縮方法，主要应用于彩色运动图像序列。
技术背景-随着人类进入数字视频时代，NGN， 3G及3G演进和NGBW等对视频、多媒体业务与网络 应用的飞速发展需求，作为视频业务及存储应用核心技术的高效率视频数据压縮编码技术， 愈来愈引起人们的关注与兴趣，制定越来越高效的标准。目前视频产业可以选择的信源编码 标准主要有MPEG-2、 MEPG-4 AVC (简称AVC，也称JVT)、 H. 264、 AVS等。从制定者分， 前三个标准是由MPEG专家组完成的，第四个是由我国自主制定的。MPEG-2MPEG- 2标准(IS0/IEC 13818)于1994年发布，它是针对标准数字电视和高清晰度电视 在各种应用下的压縮方案和系统层的详细规定。MPEG- 2可提供的传输率为3 10 Mbps。 MPEG- 2标准向下兼容MPEG- 1，它在MPEG- 1的基础上做了两个重要的扩展(1) 支持电视的隔行扫描，专门设置了 "按帧编码"和"按场编码"两种模式，分别 采用逐行分块和隔行分块的方式进行DCT编码。在运动补偿中添加了场间预测和双基预测等 模式，以改进对运动较快的物体预测的准确性和提高压縮比。(2) 引入了 "可分级性"概念，以空间和时间可分级以及信噪比可分级为基础，实现 分级压縮编码，并且能实现对较低清晰度图像的向下兼容。H. 264标准ITU- T的VCEG (视频编码专家组)和ISO/ IEC的MPEG (活动图像编码专家组)的 联合视频组(JVT: Joint Video Team)开发的新一代视频编码标准，ITU- T将其命名为H. 264 ， I S0将其命名为MPEG- 4的Pa r t -10 。 H . 264的结构与H. 263类似，但是增加了很多 新的编码技术，如帧内预测、可变大小块的帧间预测，多预测参考帧，1/4像素(亮度信号) 和1/ 8像素(色度信号)精度的运动估计，4X4的整数变换，去除方块效应滤波器，统一的 变长编码UVLC(Universal VLC)，基于上h文的变长编码CAVLC( Context Adaptive VLC) 和基于上下文的自适应二进制算术编码CABAL ( Context Adaptive Binary Arithmetic Coding)等。这些技术的采用使得H. 264的压縮效率比之前的压縮标准有了明显的提高。AVS标准AVS标准是《数字音视频编解码技术标准》系列标准的简称，包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑标准。与其他类似标准相比，AVS有 两大优势基于自主技术和部分开放技术构建的开放标准，妥善解决专利许可问题。AVS视频当中具有特征性的核心技术包括8X8整数变换、量化、帧内预测、1 / 4精 度像素插值、特殊的帧间预测运动补偿、二维熵编码、环路滤波等。由于目前的国际标准以及其它非标准压縮方法都将彩色图像按"场"、"帧"单独处理， 对运动图像而言，还需增加"运动补偿"等各种时空整合技术。数字视频的关键问题是视频信号的编码技术。视频所包含的信息量是人类感知的所有信 息中最大的，但用于表示视频的数据量也是非常大的，如果不进行压縮编码，其存储与网络 传输都存在很大的问题。因此，视频压縮编码技术一直是相关领域的永久性研究热点。但是 目前压縮性能己经达到瓶颈，即使信噪比要提高0. 5dB都非常困难。迫切需要新的压縮编码 技术的突破。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效的多维视频流编解码方法，在保证图像信号的高质量恢 复的前提下，大大地提高了图像的压縮比。本发明是通过如下步骤来完成对多维视频流信号进行压縮的数据提取步骤对应彩色视频信号的亮度、色差信号提取，按照帧数据排列并存储。 分块步骤根据输入信号，(一般为YUV格式)，分别对各个分量进行分块，在时间轴上，选择2m帧数，m取正整数，组成一个立方体块，或者成为三维矩阵块。根据计算复杂度和 方块效应及与现有标准的兼容，通常分为8X8X8的块。矩阵变换步骤运用多维矢量正交变换矩阵，对三维子矩阵进行多维矢量正交变换，计 算出三维系数矩阵；矢量量化步骤对三维系数矩阵进行矢量量化，计算出矢量量化系统三维矩阵； 熵编码步骤对矢量量化系数三维矩阵进行熵编码，得到数字彩色图像信号三维矩阵的 变换压縮编码矩阵，完成对数字彩色图像信号的压縮。上述所说的多维矢量矩阵定义及其算法为将多维数据排列表称为多维矩阵，并将多维 矩阵的维数分成两组，分别用二个矢量表示，称为多维矢量矩阵，并定义了多维矢量矩阵的 相等、加法、数乘、矩阵乘、转置等运算，并定义了单位多维矢量矩阵。 上述所说的矩阵变换步骤中所采用的多维矢量矩阵变换公式为 对于输入的多维矩阵，按照需要划分成合适的多维矢量矩阵，然后进行变换 多维矢量矩阵正变换= CH万ijCjj对于运动图像序列来说，矢量I是二维矢量，J是一维标量，矩阵A是三维图像块，B 是变换完的三维矩阵系数，T是多维矢量矩阵转置。上述所说的矩阵变换步骤中所采用的多维矢量正交矩阵为离散余弦变换的多维矢量正 交矩阵，其公式为其中四维离散余弦变换算子C的具体形式如下 Cjj—c画")i = (M，7V)，j ='射 c(w)=J2 / 、 / 、 (2w + 1)w7t (2" + 1)v7t :c(")c(v)cos-cos-層1厂,"=02似(力=2iV 12 ",)=11, /1 = oz77enyl，v = of/z^s*矢量I是二维矢量，Cn是本发明提出的四维矢量正交余弦矩阵，J是一维标量，Cj:是普 通意义下的二维离散余弦变换矩阵。本发明的技术效果本发明全面考虑了多维视频流信号的冗余信息，并考虑了时间、空 间和色调的相关性及整体性，从而在保证信号高质量恢复的前提下提高了数字彩色图像信号 的压縮比。
图1本发明所指的图像序列分块方法；图2本发明所指的多维视频流信号压縮方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的技术内容及其具体实施方式
。本发明的核心内容是在多维视频流信号压縮方法中引入了多维矢量矩阵的定义及其算 法的定义，并引入了相应的多维矢量矩阵变换，并全新提出了离散余弦变换的多维矢量正交 矩阵。而矩阵的矢量量化和熵编码均为现有技术。若无特别声明，本文将用R表示实数域，用C表示复数域，用H表示四元数域，Fe{R;C; H}。多维矩阵定义F上的MxN数据排列( 2)称为二维矩阵，其全体组成的集合记为M^w ， F上的/，"'7"多维数据排列表( 2.., )称为多维矩阵，其全体组成的集合记为M多维子矩阵定义 和通常定义下的矩阵一样，对任何一个多维矩阵M/,x/2H/ 都可以用一些平面分成尺寸更小的多维矩阵，这样的小N维矩阵成为N维矩阵M^^..^的N维子矩阵。 多维矢量矩阵定义如果将多维矩阵的维数分成两组，分别用二个矢量表示，比如^^^...《表示成<formula>formula see original document page 7</formula>，记为亙 ，其中I，J为矢<formula>formula see original document page 7</formula>则 称多维矩阵M为维数按照矢量I，J划分的多维矢量矩阵，简称多维矢量矩阵。显然一个多维 矩阵可以表示成很多种的多维矢量矩阵，而一个多维矢量矩阵只对应唯一的多维矩阵。下面我们来定义多维矩阵的相等，加法，多维矩阵与数的乘法，并讨论相应的运算性质。1、 多维矩阵的相等如果多维矩阵<formula>formula see original document page 7</formula>和<formula>formula see original document page 7</formula>都是A<formula>formula see original document page 7</formula>阶的多 维矩阵，并且它们的对应元素相等，即<formula>formula see original document page 7</formula>我们就说多维矩阵^与5相等，并记之为^4 = 5。
=/ ，多维矩阵^1></2)<..., 叫做多维方阵。每一个元素都是零的多维矩阵叫 做零多维矩阵，仍用符号o来表示。对于多维矩阵4一^.A，不管按照何种方式划分成多维矢量矩阵，其相等准则不变。2、 多维矩阵的加法设=( ,.，和= 都是<formula>formula see original document page 7</formula>阶的多维矩阵，，则Ax/^…/"阶多维矩阵称为^与B的和，记为C二^4 + S。多维矩阵的加法就是多维矩阵对应元素相加。因此相加的多维矩阵必须具有相同的维 数，每一维数的阶数也必须相等。对于多维矩阵AW,.."，不管按照何种方式划分成多维矢量矩阵，其加法结果不变。3 、多维矩阵的数乘多维矩阵(附^,2...,丄/_/称为多维矩阵么命<formula>formula see original document page 7</formula>和实数m的乘积，记为m乂 。这就是说，数m乘多维矩阵就是把多维矩阵的每一个元素都乘以ra。对于多维矩阵和多维矢量矩阵来说，相等、加法、数乘的运算结果都是一样的，并不区 分矢量的划分情况，而对于以下的运算，则必须事先将多维矩阵的维数进行划分，定义好矢 量的维数。4、 多维矢量矩阵的乘法如果多维矢量矩阵和，其中I"/"/" ，/ ) ，J = ( /,,A,…,J")， U = ([/,,C/2,…,C/s)， V:",F2,…,&)，并且矢量=11,则称多维矢量矩阵4和^v具有 可乘性。设^是IxL矩阵，5是LxJ矩阵，那么定义矩阵^和^的乘积是一个IxJ矩阵<formula>formula see original document page 8</formula>并把此记做c二 ^万。为表述简单，上式中用z(…)表示i…l;(…)，用 表示",m.A，下文如果没有特别说明都用这种表述方式。L ''''5、 单位多维矢量矩阵如果多维矢量矩阵為j，其中I"/,，/2,…,4)，J二(^,^,…,人)，并且矢量I二J，则称多维矢量矩阵从,是多维矢量方阵。引入记号 =^: = J，其中i二j表示矢量i"^…人)，j"义,…丄)具有相同的维数，L0 1 - j即附="，并且z、二力,…人二厶，如果4,(5ij)，则称4j为单位多维矢量矩阵，记做En，或者简记做E。显然，单位多维矢量矩阵肯定是多维矢量方阵。6、 多维矢量矩阵的转置运算准则Aj— ^ji7、 多维矢量矩阵变换对于输入的多维矩阵，按照需要划分成合适的多维矢量矩阵，然后进行变换。 多维矢量矩阵正变换多维矢量矩阵逆变换其中四维离散余弦变换算子C的具体形式如下<formula>formula see original document page 9</formula>对于运动图像序列来说，矢量I是二维矢量，J是一维标量，矩阵A是三维图像块，B 是变换完的三维矩阵系数，Cn是本发明提出的四维矢量正交余弦矩阵，C::是普通意义下的 二维离散余弦变换矩阵。因此，多维视频流的N个分量分别由N维矩阵的N个纵向平面表示。多维视频流的这种 表示就把他在各象素的位置关系、各个颜色空间的位置关系、时间方向的相关性以及不同角 度的各个分量间的关系建筑在同一模型中。我们就可以用多维矢量矩阵的方法处理多维视频 流，充分利用多维视频流在各个分量间的相关性，从而实现进一步的能量压縮。在JPEG和 MPEG标准中，综合考虑计算的复杂性和图像的块效应，图像被划分成8 x8的子块，进行 余弦变换变换。为了与其兼容及利用现有的技术，并充分考虑到方块效应及计算复杂度，本 发明各个分量也采用8的子阵分割方法。
权利要求
1、一种高效的多维视频流编解码方法，其特征在于按以下步骤来完成对多维视频流信号进行压缩的数据提取步骤对应彩色视频信号的亮度、色差信号提取，按照帧数据排列并存储；分块步骤根据输入信号，一般为YUV格式，分别对各个分量进行分块，在时间轴上，选择2m的大小帧数，m取正整数，组成一个立方体块，或者成为三维矩阵块；根据计算复杂度和方块效应及与现有标准的兼容，通常分为8×8×8的块；矩阵变换步骤运用多维矢量正交矩阵，对三维子矩阵进行多维矢量矩阵正交变换，计算出三维系数矩阵；矢量量化步骤对三维系数矩阵进行矢量量化，计算出矢量量化系统三维矩阵；熵编码步骤对矢量量化系数三维矩阵进行熵编码，得到数字彩色图像信号三维矩阵的变换压缩编码矩阵，完成对数字彩色图像信号的压缩。
2、 根据权利要求1所述的一种高效的多维视频流编解码方法，其特征在于所说的多维 矢量矩阵定义及其算法为将多维数据排列表称为多维矩阵，并将多维矩阵的维数分成两组， 分别用二个矢量表示，称为多维矢量矩阵，并定义了多维矢量矩阵的相等、加法、数乘、矩 阵乘、转置等运算，并定义了单位多维矢量矩阵。
3. 根据权利要求1所述的一种高效的多维视频流编解码方法，其特征在于所说的矩阵 变换步骤中所采用的多维矢量矩阵正交变换公式为对于输入的多维矩阵，按照需要划分成合适的多维矢量矩阵，然后进行正交变换 多维矢量矩阵正变换多维矢量矩阵逆变换对于运动图像序列来说，矢量I是二维矢量，J是一维标量，矩阵A是三维图像块，B 是变换完的三维矩阵系数，T是多维矢量矩阵转置。
4、 根据权利要求1所述的一种高效的多维视频流编解码方法，其特征在于所说的矩阵 变换步骤中所采用的多维矢量正交矩阵为离散余弦变换的多维矢量正交矩阵，其公式为其中四维离散余弦变换算子C的具体形式如下 Cjj = (c國")i = (M, 7V), j = (M, iV)<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>矢量I是二维矢量，C11是本发明提出的四维矢量正交余弦矩阵，J是一维标量，Cjj是普 通意义下的二维离散余弦变换矩阵。
全文摘要
本发明涉及一种高效的多维视频流编解码方法，主要应用于运动图像序列。在全面考虑了多维视频流信号的冗余信息，并考虑了时间、空间和色调的相关性及整体性，在保证图像信号的高质量恢复的前提下，有效解决了提高多维视频流信号的压缩比问题。具体步骤如下数据提取步骤；分块步骤；矩阵变换步骤；矢量量化步骤；熵编码步骤。本发明的核心内容是在多维视频流信号压缩方法中引入了多维矢量矩阵的定义及其算法的定义，并引入了相应的多维矢量矩阵变换方法，并全新提出了离散余弦变换的多维矢量正交矩阵公式。
文档编号H04N7/26GK101232625SQ20081005039
公开日2008年7月30日 申请日期2008年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者桑爱军, 胡铁根, 岩 赵, 陈绵书, 陈贺新 申请人:吉林大学