??? 摘 要： 分析了噪聲對視頻圖像壓縮速度的影響及傳統(tǒng)去噪" title="去噪">去噪方法的性能缺陷，提出了使用二次殘差算法來改進(jìn)由于噪聲引起誤判的思想，以提高壓縮速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該方法能有效地減少由噪聲帶來的誤判，在壓縮速度上也較傳統(tǒng)方法有一定的改善。
??? 關(guān)鍵詞： 視頻圖像? 壓縮速度? 殘差算法
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??? 隨著全世界安防事業(yè)的迅猛發(fā)展，視頻監(jiān)控" title="視頻監(jiān)控">視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，視頻卡的需求也隨之增加。由于原始視頻數(shù)據(jù)量很大，直接對其進(jìn)行存儲(chǔ)與傳輸實(shí)現(xiàn)起來比較困難。故在保證圖像質(zhì)量的前提下，減少圖像的數(shù)量，提高壓縮速度將成為研究的重點(diǎn)。
??? 視頻圖像之所以可以被壓縮，是因?yàn)樗鼈兇嬖谥芏鄶?shù)據(jù)冗余[1]：視覺冗余、空間冗余、時(shí)間冗余以及編碼冗余[2-3]。在視頻壓縮過程中，最重要的是減少視頻的時(shí)間冗余，即同一像素點(diǎn)在不同時(shí)刻具有很大的相關(guān)性，稱為時(shí)間上的冗余。由于視頻是一系列的圖像序列，很多時(shí)候前一幀與后一幀的差別并不大，如果每一幀圖像都傳送將會(huì)存在很多冗余。故對有運(yùn)動(dòng)的塊進(jìn)行編碼傳輸，忽略沒有運(yùn)動(dòng)的塊，就可以達(dá)到比較高的壓縮比率。
??? 在判斷宏塊" title="宏塊">宏塊是否有運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，通常采用殘差計(jì)算，當(dāng)結(jié)果超過閾值時(shí)就進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算編碼。但是在視頻監(jiān)控中的視頻壓縮與通常的影片視頻壓縮有很大的不同，在實(shí)際使用中會(huì)有很多圖像噪聲。而噪聲的引入會(huì)對判斷宏塊是否有運(yùn)動(dòng)造成影響，增加了許多額外的運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)，減緩了壓縮速度。本文針對如何減少圖像噪聲帶來的影響，提出了一種改進(jìn)的殘差計(jì)算方法，有效地優(yōu)化了視頻壓縮速度。
1 殘差算法改進(jìn)的原因
1.1 圖像的噪聲
??? 在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭中的CCD感光器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)形成了圖像信號(hào)，但是在這個(gè)過程中卻不可避免地引發(fā)了噪聲問題。圖像中的噪點(diǎn)一般是由CCD噪聲形成的，主要有散粒噪聲、暗電流噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲。當(dāng)CCD在低光照、低反差下應(yīng)用時(shí),散粒噪聲成為主要的噪聲源，它是CCD敏感器件所固有的噪聲,不能被后續(xù)電路所抑制或抵消[4]。因此，在視頻監(jiān)控實(shí)際使用過程中，圖像的噪點(diǎn)主要是由CCD形成的散粒噪聲所引起的。
??? 圖像去除白噪聲" title="白噪聲">白噪聲的方法已經(jīng)有很多經(jīng)典的算法，如平均濾波、中值濾波以及頻域?yàn)V波等。但是傳統(tǒng)的去噪方法不能完全適用，主要原因：(1)去噪算法本身需要增加很多運(yùn)算量，因此很難加快壓縮速度。(2)由于白噪聲的隨機(jī)性，即使運(yùn)用去噪算法，后兩幀所得的結(jié)果不會(huì)一致，還是會(huì)造成前后幀的殘差過大。(3)對于需要傳輸?shù)膱D像或者圖像的某一部分，壓縮算法都會(huì)進(jìn)行離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)，并且對高頻分量的量化步長會(huì)比較大，這也將影響圖像的去噪效果。
??? 因此傳統(tǒng)的去噪方法不會(huì)提高視頻壓縮的速度，故達(dá)不到所要求的目的。
1.2 殘差算法
??? 在視頻壓縮的過程中，最重要的工作是消除時(shí)間上的冗余性，即盡量去除幀與幀之間的冗余。對于XVID編碼格式，幀分成VOP_I與VOP_P。VOP_I采用幀間編碼模式，VOP_P采用幀內(nèi)編碼模式。幀內(nèi)編碼采用的是類似于JPEG壓縮算法即將一幀圖像傳輸過去，而幀間編碼是將兩幀之間的差值傳送過去。在幀間編碼的過程中，首先對圖像分成16×16的宏塊，然后判斷該宏塊是否相對于前一幀運(yùn)動(dòng)，如果沒有運(yùn)動(dòng)，則設(shè)置成SKIP模式不進(jìn)行編碼；如果視頻能夠盡可能地使用幀間編碼方式，同時(shí)又有許多的宏塊是SKIP模式的，則可以不進(jìn)行最為耗時(shí)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法" title="估計(jì)算法">估計(jì)算法，而視頻流將會(huì)比較小，編碼的速度也會(huì)大大增加。
??? 在幀間編碼方式上，判斷一幀圖像是否有運(yùn)動(dòng)，需要將其編碼成SKIP模式，主要是與前一幀圖像進(jìn)行如下殘差計(jì)算：
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??? 由前面的分析可知，圖像的噪點(diǎn)主要是由散粒噪聲所引起的，特別是在光線不足的情況下噪點(diǎn)越發(fā)明顯。由于噪點(diǎn)的引入使得原本沒有變化的兩幀圖像計(jì)算得到的殘差SAD很大，超過了判斷閾值，被誤判為運(yùn)動(dòng)塊，進(jìn)行了非常耗時(shí)的DCT或者運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)算法，造成了視頻壓縮速度的降低以及傳輸碼流的增大。為此，提出了對SAD殘差算法的改進(jìn)。
2 殘差SAD算法的改進(jìn)
??? 由于噪點(diǎn)的引入，使得原有SAD算法判斷圖像運(yùn)動(dòng)與否的過程出現(xiàn)了很多誤判，為了減少這種誤判提出了對原有SAD算法的改進(jìn)，增加了二次殘差判斷SAD′。二次計(jì)算殘差的SAD′算法如下：
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??? 式(2)與式(1)原有的SAD相比只是將取絕對值放到了對所有點(diǎn)殘差求和之后。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果：兩幀沒有變化的圖像如圖1所示，將圖1中圖像的每個(gè)像素相減求差后得到結(jié)果如圖2所示。
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??? 由圖2可以看出，差值基本符合白噪聲的規(guī)律。SAD算法是將每個(gè)差值取絕對值后累加得到的SAD(MBM×N)，其值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)動(dòng)閾值。而在本文提出的改進(jìn)SAD′算法中是將每個(gè)差值直接累加后取絕對值。由于白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，所得到的結(jié)果SAD′(MBM×N)非常接近于0。即式(2)可以等效于式(3)。
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式中，Y(x，y)為當(dāng)前幀圖像，Ypre(x，y)為前一幀圖像，N(x，y)為當(dāng)前幀散粒噪聲，Npre(x，y)為前一幀散粒噪聲。由于圖像未運(yùn)動(dòng)Y(x，y)＝Y(jié)pre(x，y)，又因?yàn)榘自肼暤慕y(tǒng)計(jì)特性
因此SAD′(MBM×N)理論值為0，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。
??? 在運(yùn)算殘差過程中，如果SAD值大大超過閾值，則需要進(jìn)行二次閾值判斷SAD′；如果是噪聲引起的殘差值，則可以很有效地避免誤判，而不需要進(jìn)行耗時(shí)的運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)算法。
3 改進(jìn)殘差算法的應(yīng)用
??? 本文選用MPGE－4編碼器作為視頻編碼器，并采用源碼開發(fā)的XVID壓縮格式。為了提高壓縮速度，選用XVID中的single pass編碼方式[5]。
3.1 MPGE－4編碼器工作流程
??? 首先判斷采用幀內(nèi)編碼模式還是幀間編碼模式，即判斷是否對整一幅圖像進(jìn)行編碼還是對某些部分進(jìn)行編碼。若采用幀內(nèi)編碼其原理如JPEG算法；若采用幀間編碼，則需要將圖像分塊判斷該塊是否運(yùn)動(dòng)，通過殘差計(jì)算與前一幀圖像進(jìn)行比較。如果是靜止塊則設(shè)置成SKIP模式進(jìn)行簡單的處理；如果是運(yùn)動(dòng)塊則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)向量估計(jì)。編碼器的工作流程如圖3所示。
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3.2 二次殘差算法的驗(yàn)證
??? 在整個(gè)編碼流程中有兩處用到了殘差算法：
??? (1)在判斷是采用幀間編碼還是幀內(nèi)編碼時(shí)調(diào)用了MEanalysis函數(shù)。MEanalysis的原理是：如果某個(gè)宏塊的殘差的sad大于該宏塊的平均值的偏離，則使用intra方式；否則使用inter方式，然后對這些宏塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到整幀的編碼方式，即if(sSAD>IntraThresh2) return I_VOP；//IntraThresh=90。
??? (2)在采用幀間編碼確定SKIP模塊時(shí)，每個(gè)宏塊調(diào)用sad16v計(jì)算本宏塊與參考幀對應(yīng)位置的宏塊的亮度的殘差，將其保存在相應(yīng)的數(shù)組中；然后調(diào)用sad8兩次，分別計(jì)算u分量和v分量的殘差，也保存在相應(yīng)的數(shù)組中。如果該宏塊的量化差值為0，并且所記錄的最大亮度塊殘差沒有超過SKIP模式的閾值，則使用xvid_me_SkipDecisionP確認(rèn)符合SKIP模式。即：
??? if(iSAD>=BFRAME_SKIP_THRESHHOLD?鄢pMB->quant)
??? { bSkip=0；/?鄢could not SKIP?鄢/}//BFRAME_SKIP_THRESHHOLD=30
?? ?通過上述函數(shù)分析可知，在幀內(nèi)編碼模式和幀間編碼的確定過程中，都是通過計(jì)算殘差SAD得到的，而且在判斷宏塊是否為SKIP模式時(shí)還需要通過Y、U、V三次計(jì)算殘差。
??? 在本應(yīng)用中將上述兩個(gè)判斷引入二次殘差算法計(jì)算SAD′，同時(shí)加大了閾值門限IntraThresh和BFRAME_SKIP_THRESHHOLD(分別增加了10%)，并分別設(shè)為99和33，并且在判斷宏塊是否為SKIP模式時(shí)只對亮度信號(hào)進(jìn)行殘差運(yùn)算忽略色度信號(hào)，達(dá)到了一定效果。其編碼器速度優(yōu)化結(jié)果如表1所示。
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??? 表1是在低照度、分辨率為360×288的情況下得到的結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)以后壓縮速度提高了40％以上，因此，在保證視頻顯示效果的同時(shí)，增加二次殘差計(jì)算能夠大大減少誤判，可有效提高壓縮速度。
??? 在保證圖像不失真的前提下，提高壓縮速度是當(dāng)前視頻編碼的熱點(diǎn)問題。本文在原有殘差算法的基礎(chǔ)上，給出了一種適用于MPEG環(huán)境的二次殘差算法。與傳統(tǒng)算法相比，該方法可以更有效地避免由于噪聲引起的運(yùn)動(dòng)塊誤判。應(yīng)用表明，改進(jìn)后的算法可以明顯提高壓縮速度，有效解決由CCD噪聲引起的運(yùn)動(dòng)誤判問題。
參考文獻(xiàn)
[1] 薛文通，宋建社，袁禮海，等.圖像壓縮技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，(2).
[2] TORRES L，KUNT M.Video coding：the second generation?approach[M].Englewood Cliffs，NJ：Kluwer，1996.
[3] SALEMBIER P，TORRES L，MEYER F，et al.Region-based video coding using mathematical morphology[J].Proc.IEEE，1995，83(6)：843-857.
[4] 謝小權(quán).低照度CCD圖像采集及噪聲預(yù)處理．電子技術(shù)應(yīng)用，2000，26(8)：11－12.
[5] 王文慶，毛文林，張利飛．基于MPEG-4的視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型及實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程，2006，(11).