基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法研究

張 楠

（中國(guó)人民解放軍91033部隊(duì)，山東 青島266071）

0 引 言

JPEG2000是一種利用小波變換對(duì)圖像進(jìn)行壓縮的技術(shù)。與以往利用離散余弦變換圖像壓縮技術(shù)不同的是，JPEG2000具備更高的壓縮比，支持有損壓縮和無損壓縮，可實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸模式，支持“感興趣區(qū)域”編碼等，且壓縮后的圖像不會(huì)產(chǎn)生塊狀模糊瑕疵[1]。視頻通信圖像在傳輸信道中常常會(huì)產(chǎn)生多種不同的誤碼。例如：不可靠的有線或無線信道將傳輸信道比特流時(shí)向圖像中引入了隨機(jī)誤碼；由于在視頻通信圖像傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了阻塞現(xiàn)象，有線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議在傳輸過程中導(dǎo)致引入包丟失等[2]。此外，在臺(tái)風(fēng)天氣、雷暴、太陽風(fēng)等自然因素以及強(qiáng)磁場(chǎng)、雷達(dá)信號(hào)干擾等人為因素影響下，即便是有線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞揭矔?huì)形成高比率的誤碼，影響圖像傳輸質(zhì)量，形成噪點(diǎn)、失真、卡頓等問題，降低通信使用體驗(yàn)。為了進(jìn)一步保證視頻通信圖像的解碼質(zhì)量，結(jié)合JPEG2000技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法。

1 基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法設(shè)計(jì)

1.1 視頻通信圖像誤碼檢測(cè)

設(shè)計(jì)基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法，在解碼端精準(zhǔn)檢測(cè)出圖像中的誤碼。根據(jù)圖像的不同傳輸情況，大體可分為兩種檢測(cè)方法。

第一種是通過傳輸信道解碼、媒體復(fù)合檢測(cè)圖像誤碼。該方法是在媒體復(fù)合包中添加頭信息檢測(cè)誤碼。以視頻復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)低碼率多媒體通信保密協(xié)議H.233為例，在復(fù)合包頭中添加序列號(hào)檢測(cè)丟失的復(fù)合包，即可完成對(duì)視頻誤碼的檢測(cè)；或通過前方糾錯(cuò)檢測(cè)誤碼，以視頻會(huì)議用的低碼率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263+為例，在其附錄H中利用BCH碼對(duì)視頻通信圖像碼流進(jìn)行糾錯(cuò)。

第二種是通過視頻通信圖像源解碼檢測(cè)誤碼。該方法根據(jù)視頻信號(hào)的特點(diǎn)檢測(cè)其時(shí)域誤碼，仍然以視頻復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)H.263+為例，計(jì)算視頻相鄰兩個(gè)塊組鄰近行相關(guān)數(shù)據(jù)的差值，判斷其是否超出了門限，若未超出門限則說明視頻中沒有誤碼，若超出則說明視頻中存在誤碼[3]。在視頻的變換域中也可對(duì)其是否存在誤碼進(jìn)行判斷，即根據(jù)視頻的同步碼大致確定視頻出錯(cuò)的范圍，再通過計(jì)算得出出錯(cuò)范圍內(nèi)每個(gè)塊組相鄰兩行系數(shù)的均方差，選擇其中均方差差距較大的塊組即出錯(cuò)塊組，判斷該塊組上存在的誤碼。

在實(shí)際的圖像誤碼檢測(cè)中，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)靈活選用以上兩種誤碼檢測(cè)方法或兩者相結(jié)合共同檢測(cè)。由于圖像誤碼的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)視頻通信圖像抗誤碼的前序環(huán)節(jié)，其檢測(cè)質(zhì)量的高低直接影響后續(xù)對(duì)誤碼單元的修復(fù)，因此研究中將其作為關(guān)鍵步驟實(shí)施。第一種方法的優(yōu)點(diǎn)是快速，通過檢測(cè)校驗(yàn)位可近乎實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)通信傳輸過程中的誤碼錯(cuò)誤，但是不精準(zhǔn)，僅知道一個(gè)數(shù)據(jù)幀中存在誤碼卻無法確切定位誤碼；第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是精確，可以細(xì)化到一幀圖像中的細(xì)節(jié)圖像塊，但是運(yùn)算量大，處理速度慢，直接影響視頻流的正常播放，形成卡頓和延時(shí)。經(jīng)過對(duì)這兩種成熟的誤碼檢測(cè)方法深入研究后，提出將兩者相結(jié)合，利用傳輸信道誤碼檢測(cè)快速的優(yōu)點(diǎn)對(duì)全部視頻流進(jìn)行覆蓋式檢測(cè)，以期快速發(fā)現(xiàn)存在誤碼的幀數(shù)據(jù)。圖像源解碼平時(shí)處于靜默狀態(tài)，不參與誤碼檢測(cè)。一旦傳輸信道誤碼檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了問題幀數(shù)據(jù)，立即調(diào)取圖像緩存中的視頻流中問題幀的前后相關(guān)幀數(shù)據(jù)信息進(jìn)行差值檢測(cè)，采用相鄰像素點(diǎn)灰度值差值均方根檢測(cè)的算法判定問題像素點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像誤碼的快速、精確檢測(cè)。

1.2 基于JPEG2000技術(shù)的圖像編碼

基于JPEG2000技術(shù)的圖像編碼要對(duì)原始視頻通信圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用小波提升算法對(duì)視頻中的每個(gè)瓦片進(jìn)行離散小波變換，變換后對(duì)得到的各子帶的小波系數(shù)進(jìn)行量化和熵編碼，進(jìn)一步消除視頻像素之間的相關(guān)性，按照率失真最優(yōu)原則隨機(jī)截取視頻碼塊，最后打包形成嵌入式的壓縮碼流。

對(duì)視頻通信圖像的預(yù)處理，先將視頻通信圖像放置在設(shè)置好的參考網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分割，將圖像整體劃分為形狀相同、大小相等且相互不存在重疊的矩形瓦片，再對(duì)每一個(gè)瓦片分別進(jìn)行操作，目的是降低瓦片的內(nèi)存需求，同時(shí)對(duì)多個(gè)瓦片進(jìn)行編碼操作，縮短編碼的整體時(shí)間。

為了進(jìn)一步提高后續(xù)編碼的效率，還要對(duì)瓦片中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行直流電平位移處理，去除圖像中的直流分量，將輸入視頻通信圖像分量中的無符號(hào)相關(guān)樣值轉(zhuǎn)變?yōu)榕c零點(diǎn)對(duì)稱的有符號(hào)相關(guān)樣值，利用小波變換得到基本相同的系數(shù)正負(fù)概率。

彩色視頻通信圖像具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的分量，且各個(gè)分量中存在較大的相關(guān)性?；贘PEG2000編碼標(biāo)準(zhǔn)的分量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)分量可逆和不可逆兩種變換形式，可根據(jù)具體情況選擇。

完成預(yù)處理后需要對(duì)其進(jìn)行離散小波變換處理，利用小波變換中的提升算法對(duì)圖像進(jìn)行無損壓縮，通過碼率控制對(duì)視屏通信圖像進(jìn)行量化、熵編碼和碼流組織，完成對(duì)視頻通信圖像的編碼。

1.3 解碼端誤碼覆蓋

利用視頻通信圖像信號(hào)中的冗余信息和人類視覺特性對(duì)錯(cuò)誤圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋。若視頻通信圖像在傳輸過程中運(yùn)動(dòng)矢量正確，則出錯(cuò)塊應(yīng)當(dāng)利用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)塊將其代替；若運(yùn)動(dòng)矢量出錯(cuò)，則應(yīng)當(dāng)利用視頻前幀對(duì)應(yīng)位值的運(yùn)動(dòng)矢量估值出錯(cuò)塊的運(yùn)動(dòng)矢量，再利用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償覆蓋出錯(cuò)塊的數(shù)據(jù)。對(duì)于空白區(qū)域的誤碼覆蓋，可利用拉格朗日或梯度準(zhǔn)則估計(jì)出錯(cuò)塊丟失的數(shù)據(jù)，再完成覆蓋。利用自適應(yīng)的MRF格式文件作為視頻通信圖像的先驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)出錯(cuò)塊的數(shù)據(jù)，得到恢復(fù)一定程度的圖像質(zhì)量，再根據(jù)出錯(cuò)數(shù)據(jù)的最大值，利用出錯(cuò)塊前一幀的圖像數(shù)據(jù)，得到出錯(cuò)宏塊的初始數(shù)據(jù)，進(jìn)而修正出錯(cuò)塊周圍信息，完成初始化估值和誤碼掩蓋。同時(shí)，在覆蓋過程中可以通過縮小運(yùn)動(dòng)矢量估值搜索范圍和調(diào)整MRF格式文件的加權(quán)值等方法簡(jiǎn)化整個(gè)覆蓋過程，在視頻通信傳輸?shù)倪^程中實(shí)時(shí)處理其出錯(cuò)塊。

結(jié)合視頻通信圖像的誤碼檢測(cè)方法和JPEG2000的圖像編碼特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)視頻通信圖像流的誤碼檢測(cè)定位，且將其定位在具體的瓦片中，通過運(yùn)動(dòng)適量推測(cè)和信息熵隱含信息計(jì)算誤碼塊的可能正確值范圍，依照上一幀圖像對(duì)應(yīng)位置的圖像灰度、色度信息進(jìn)行覆蓋還原，完成對(duì)視頻通信圖像的無損修復(fù)。在視頻流通信中，影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素為誤碼率和通信速率。在視頻通信圖像抗誤碼方法研究中，優(yōu)先考慮視頻流中誤碼的檢測(cè)與覆蓋還原問題，但是處理速度同樣是制約通信速率的重要方面。因此，研究中在誤碼檢測(cè)環(huán)節(jié)采用雙工互補(bǔ)的方式實(shí)現(xiàn)低延時(shí)誤碼檢測(cè)，在解碼端誤碼覆蓋環(huán)節(jié)采用硬件解碼的方式實(shí)現(xiàn)通信帶寬下圖像流數(shù)據(jù)的并行處理和誤碼覆蓋，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的通信傳輸。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用64 MB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選取QCIF格式的標(biāo)準(zhǔn)視頻通信圖像作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，大小為158 kB×124 kB。對(duì)視頻通信圖像P幀，將圖像中的所有參考幀誤碼覆蓋宏塊替代所有通過計(jì)算得到的宏觀峰值信噪比，計(jì)算公式為：

其中，BPSNR表示為宏觀峰值信噪比；BMSE表示為宏觀均方誤差；x、y表示為宏塊序號(hào)。宏觀均方誤差BMSE的計(jì)算公式為：

其中，ai,j表示為原始視屏通信圖像宏塊；a*i,j表示為誤碼掩蓋宏塊。選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象圖像序列中的第4～13幀，并以每一幀的前一幀作為參考幀，分別利用設(shè)計(jì)的基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法和傳統(tǒng)抗誤碼方法對(duì)其進(jìn)行處理，并將前者設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，后者設(shè)為對(duì)照組，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而比較實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組恢復(fù)后的峰值信噪比。表1為實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)組恢復(fù)后的圖像峰值信噪比在第I幀圖像時(shí)，雖然傳輸信道中的數(shù)據(jù)量明顯增加，但對(duì)圖像恢復(fù)的峰值信噪比仍比對(duì)照組恢復(fù)后的圖像峰值信噪比高出16.132 dB。而在第P幀圖像時(shí)，雖然傳輸信道中的數(shù)據(jù)量減小，但實(shí)驗(yàn)組仍比對(duì)照組增加了16.335 dB。因此，對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)方法可更加有效地恢復(fù)被損壞視頻通信圖像。

3 結(jié) 論

在充分考慮實(shí)際視頻通信圖像的時(shí)間及空間域相關(guān)性的基礎(chǔ)上，提出一種基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法，即在編碼端對(duì)視頻通信圖像進(jìn)行抗誤碼預(yù)防措施。對(duì)比實(shí)驗(yàn)已充分證明該方法具有有效性，但仍存在對(duì)解碼器有一定要求、增加了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量等問題。因此，在后續(xù)研究中還將針對(duì)這兩方面問題進(jìn)行更加深入的研究，以期進(jìn)一步提高視頻解碼的質(zhì)量。