專利名稱：一種高清視頻實(shí)時(shí)壓縮和編解碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對Bayer格式的高清視頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮和編解碼的方法，具體地說就是針對Bayer格式圖像的特點(diǎn)，利用嵌入式技術(shù)以及數(shù)字圖像處理技術(shù)完成對視頻信號的實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮，在滿足視頻信號處理實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)也保證視頻信號的質(zhì)量。
二背景技術(shù)：
實(shí)時(shí)視頻處理技術(shù)廣泛運(yùn)用與各個(gè)領(lǐng)域，如道路監(jiān)控，自動化管理等，并在這些領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，但是同時(shí)也面臨著一些技術(shù)上的瓶頸，如嵌入式處理器性能有待提高，傳輸帶寬受限等問題。這就造成了視頻信號處理在一定的程度上并不能夠做到實(shí)時(shí)，圖像的分辨率受限制，這是目前我們在現(xiàn)有的技術(shù)條件下所需要解決的難題。
針對視頻信號數(shù)據(jù)量大，不嚴(yán)格要求每幀圖像正確無誤的特點(diǎn)，利用數(shù)字視頻處理技術(shù)對視頻信號進(jìn)行處理在目前廣泛使用，同時(shí)由于視頻信號所具有的數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，使得在傳輸過程中所面臨的問題格外突出，這就提出了如何傳輸數(shù)字視頻信號的問題。
要做到實(shí)時(shí)傳送數(shù)字視頻需要相當(dāng)寬的帶寬，傳輸一路未經(jīng)過壓縮，每像素24bit，每秒30幀，分辨率為1280X960的彩色視頻信號所需要的最小帶寬為884.7Mbps，其中還未包含同步信息，在現(xiàn)實(shí)情況下為了傳輸單路視頻信號而使用如此寬的帶寬顯然是不合適的。為了解決圖像傳輸過程中面臨著傳輸帶寬的問題，要對攝像機(jī)獲取的視頻信號首先進(jìn)行預(yù)先壓縮然后再傳輸?，F(xiàn)在流行的視頻壓縮方法對嵌入式處理器的性能要求較高，花費(fèi)時(shí)間較長，如MPGE， R264等，要做到每秒鐘30幀的實(shí)時(shí)壓縮對嵌入式處理器的性能的要求，設(shè)備的整體成本而言都是不小的挑戰(zhàn)。
三
發(fā)明內(nèi)容
由Bryce Bayer在30年前創(chuàng)造的Bayer格式已經(jīng)應(yīng)用于每一個(gè)彩色圖片中，這種格式將每個(gè)像素用紅、藍(lán)或綠濾光器來分解，在實(shí)際處理時(shí)，每個(gè)象素的R， G， B信號由象素本身輸出的某一種顏色信號和相鄰象素輸出的其他顏色信號構(gòu)成。這種采樣方式在基本不降低圖像質(zhì)量的同時(shí)，可以將采樣頻率降低60%以上。CMOS和CCD攝像機(jī)都使用該技術(shù)，這使得保證圖像質(zhì)量的同時(shí)成本得以降低，在傳輸時(shí)將傳輸帶寬減小了 2/3。采用Bayer格式的攝像機(jī)拍攝的圖像必須經(jīng)過轉(zhuǎn)化后才能變成標(biāo)準(zhǔn)的RGB格式，在處理時(shí)選用的合適的插值方法可以得到較高的圖像質(zhì)量。
本發(fā)明基于AMBCT (Absolute Moment Block Truncation Coding, 絕對矩塊截?cái)嗑幋a)，利用嵌入式技術(shù)對Bayer格式的高清視頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮，不僅具有壓縮效率高，算法相對簡單的特點(diǎn)，同時(shí)也保證了視頻信號的質(zhì)量，對嵌入式處理器性能的要求并不高，因而整體設(shè)備的成本得到了控制，為Bayer格式的視頻信號的壓縮處理提供了一種新的快速且高效的解決方案。采用該方案可以有效地解決處理器性能以及傳輸帶寬不夠的問題。例如對分辨率為1280X960的Bayer格式視頻信號進(jìn)行壓縮，實(shí)際壓縮后的一幀圖像大小平均在200KB左右，即傳輸時(shí)所需帶寬在6Mbps左右，解壓縮后恢復(fù)出的圖像PSNR可以達(dá)到30dB以上，與原始圖像的對比如圖l所示。對于大面積同色的圖像，該方案擁有更高的壓縮比和更好的圖像質(zhì)量，在傳輸帶寬一定的條件下采用該方案可以獲得傳輸帶寬與圖像質(zhì)量的平衡。
本方案的技術(shù)構(gòu)思為，對從攝像機(jī)讀入的Bayer格式信號首先進(jìn)行重排列，然后進(jìn)行預(yù)處理，最后進(jìn)行AMBCT變換，得到的就是所需的經(jīng)過壓縮的視頻信號。解壓縮時(shí)首先進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行AMBCT重建，最后進(jìn)行重排列，插值后即可得到重建的視頻信號。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下A.視頻壓縮
3Al.讀取攝像機(jī)輸入的Bayer格式原始視頻流，根據(jù)同步信號將其儲存，等待一幀圖像讀取完成，然后對其進(jìn)行處理。
A2.對原始圖像幀進(jìn)行重新排列，得到一幀新的圖像，結(jié)果如圖2所示。
A3.對新的一幀圖像矩陣進(jìn)行AMBCT變換，得到一階距矩陣和平均值/z矩陣。
A4.對一階距《進(jìn)行判斷，根據(jù)設(shè)定的閾值采取相應(yīng)的操作。
A5.對得到的平均值y矩陣計(jì)算一階距a'，根據(jù)設(shè)定閾值采取相應(yīng)的操作。
B.視頻解壓縮
Bl.獲取完整的圖像數(shù)據(jù)幀
B2.分離出一階距《矩陣，根據(jù)標(biāo)志位恢復(fù)出lbit圖像矩陣，平均值y矩陣。B3.根據(jù)一階距a矩陣和平均值U矩陣得到圖像塊的兩個(gè)系數(shù)。B4.由B3中得到的兩個(gè)系數(shù)以及對應(yīng)的標(biāo)志位對圖像進(jìn)行恢復(fù)。B5.對圖像矩陣進(jìn)行重排列和插值后得到標(biāo)準(zhǔn)的RGB格式視頻信號。
四

圖1是本發(fā)明解壓縮后圖像與原始圖像對比圖2是本發(fā)明的圖像壓縮部分重排列原始圖像圖3是本發(fā)明的圖像解壓縮部分重排列圖像圖4是本發(fā)明的圖像插值重建圖5是本發(fā)明的圖像壓縮流程6是本發(fā)明的圖像解壓縮流程圖
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所述的方法提供了一種實(shí)時(shí)的視頻壓縮和解壓縮技術(shù)。采用該方法后視頻壓縮的
實(shí)時(shí)性得到保障，同時(shí)對嵌入式處理器性能的要求也得以降低，圖像的質(zhì)量也有一定程度的
保證，使得視頻信號的實(shí)時(shí)性和壓縮后的圖像質(zhì)量都可以得到兼顧，減小了視頻信號傳輸時(shí)
的帶寬，降低了視頻傳輸?shù)某杀尽１景l(fā)明原理如下A.視頻壓縮
Al.讀入攝像機(jī)輸入的Bayer格式視頻信號，通常情況下CCD攝像機(jī)輸出的相鄰的4個(gè)像素中RGB三個(gè)分量之比為1:2:1。
A2.對讀入的圖像幀數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列，使得進(jìn)行AMBCT變換時(shí)的相鄰4個(gè)像素為相同的顏色分量，如圖2所示。
A3.對重排列完成的1280X960個(gè)像素的圖像塊進(jìn)行分塊，每塊均含有RGB分量信息，大小為4X4，對其中的4個(gè)2pixX2pix的塊計(jì)算平均值//以及一階距a 。
A4.根據(jù)所得到的一階距a進(jìn)行判斷，添加一個(gè)標(biāo)志位flat，如果"小于閾值x， flag取l，表明此塊區(qū)域是平滑的，直接跳到A6。如果"大于閾值x，則flag取0，表明此塊區(qū)域非平滑，需要進(jìn)一步處理。A5.用lbit值代替原圖像塊中的8bit數(shù)據(jù)，根據(jù)平均值/z判斷取值，大于等于平均值時(shí)為l， 小于平均值時(shí)為0，得到2pixX2pix塊的lbit圖像矩陣，保存lbit圖像和一階矩a。 A6.保存得到的平均值戸。
A7.對得到的平均值/z進(jìn)行排列，得到一個(gè)640X480的新矩陣，對新矩陣進(jìn)行分塊，每塊大 小為2X2，判斷其一階距a',如果a'小于閾值x',則保存其中一個(gè)平均值A(chǔ)，并設(shè)立一個(gè) 新的標(biāo)志位/og'標(biāo)定此矩陣結(jié)束壓縮。如果a'大于閾值x'，則跳轉(zhuǎn)到A8。估計(jì)一塊圖像平 均最多有20%的區(qū)域存在這種情況，則可以對平均值/z再次進(jìn)行壓縮。 A8.Bayer格式中，對角的G分量值可以認(rèn)為近似相等，利用這一特點(diǎn)，可以認(rèn)為每個(gè)2X2 的平均值//矩陣的對角相等，取對角值的平均值。
B.視頻解壓縮
Bl.接收一個(gè)完整的壓縮后的圖像數(shù)據(jù)幀。
B2.根據(jù)數(shù)據(jù)幀中平均值p矩陣以及對應(yīng)的yfeg'恢復(fù)出完整的原始平均值A(chǔ)矩陣。
B3.根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的lbit圖像矩陣以及對應(yīng)的flag完整地恢復(fù)出圖像，由flag標(biāo)定的位置在
進(jìn)行B6操作時(shí)不會參與運(yùn)算。
B4.建立合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將接收到的圖像幀經(jīng)過處理后儲存為3個(gè)部分
(1) lbit圖像矩陣。
(2) —階距"。
(3) 平均值//。
B5.對大小為2pixX2pix的塊進(jìn)行操作，如果flag為l，則表示該塊平滑轉(zhuǎn)到B8。
B6.如果flag為0，則該塊不平滑，根據(jù)2pixX2pix的lbit圖像塊矩陣及相應(yīng)的一階距"和
平均值/z進(jìn)行以下運(yùn)算得到對應(yīng)的系數(shù)a， b。
《=》 ") -《=》 (2)
附沐a<formula>formula see original document page 5</formula>上面5個(gè)公式的意義如下
(1) .計(jì)算超過平均值的點(diǎn)的個(gè)數(shù)q。
(2) .圖形塊總點(diǎn)數(shù)m減去超過平均值的點(diǎn)個(gè)數(shù)，得到小于平均值的點(diǎn)數(shù)m-q。
(3) .定義一個(gè)量;r，方便兩個(gè)系數(shù)的計(jì)算。
(4) .定義兩個(gè)系數(shù)a， b對圖像塊進(jìn)行填充，a， b必須滿足以下條件
7罕二Z少,=《6+ (6)
由此即可解得系數(shù)a， b。
B7.對未被flag標(biāo)記的lbit圖像矩陣進(jìn)行分塊填充，對應(yīng)2pixX2pix塊內(nèi)為1的點(diǎn)填充值為 b，為0的點(diǎn)填充值為a。
B8.對由flag標(biāo)記的點(diǎn)進(jìn)行填充，填充內(nèi)容為相應(yīng)的平均值//。 B9.將圖像幀進(jìn)行重樣列，如圖3所示。
B10.對圖像幀進(jìn)行插值處理，得到相應(yīng)的RGB分量，如圖4所示。
壓縮后，圖像大小能夠達(dá)到200kB，最高壓縮率可以達(dá)到6.1，對于大面積同色的圖像壓 縮率還將會更高。解壓縮步驟B9中得到的圖像和l3ayer格式的圖像相比較，對于圖1，經(jīng)過 計(jì)算，其PSNR可以達(dá)到30.3dB，恢復(fù)后的圖像效果令人滿意。使用24幅不同圖像試驗(yàn)后， 對于多細(xì)節(jié)的圖像，其PSNR可以到達(dá)26.3dB，對于低細(xì)節(jié)的圖像，其PSNR可以到達(dá)33.2dB， 平均PSNR可以達(dá)到29.5dB，平均壓縮率為4.4。
本發(fā)明的有益效果是壓縮和解壓縮過程都沒有復(fù)雜的算術(shù)和三角運(yùn)算，復(fù)雜度低，效率 高，適合低功耗處理器實(shí)時(shí)運(yùn)算。
應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實(shí)施方式
可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能更全面的理解本發(fā)明，但 不以任何方式限制本發(fā)明。因此，盡管說明書參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是本 領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換。例如，使用其他的圖像 分辨率，采用其他視頻格式等。而一切不脫離本發(fā)明的精祌和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其 均因涵蓋在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求
1、一種針對Bayer格式的高清視頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮和編解碼的方法，其特征包含如下步驟視頻壓縮A1讀取輸入的Bayer格式原始視頻流，根據(jù)同步信號將其儲存，等待一幀圖像讀取完成，然后對其進(jìn)行處理。A2對原始圖像幀進(jìn)行重新排列，使得相鄰4個(gè)像素為相同的顏色分量，得到一幀新的圖像。A3對新的一幀圖像矩陣進(jìn)行AMBCT變換，得到一階距矩陣和平均值μ矩陣。A4對一階距α進(jìn)行判斷，根據(jù)設(shè)定的閾值采取相應(yīng)的操作。A5對得到的平均值μ矩陣計(jì)算一階距α′，根據(jù)設(shè)定閾值采取相應(yīng)的操作。視頻解壓縮B1.獲取完整的圖像數(shù)據(jù)幀B2.分離出一階距α矩陣，根據(jù)標(biāo)志位恢復(fù)出1bit圖像矩陣，平均值μ矩陣。B3.根據(jù)一階距α矩陣和平均值μ矩陣得到圖像塊的兩個(gè)系數(shù)。B4.由B3中得到的兩個(gè)系數(shù)以及對應(yīng)的標(biāo)志位對圖像進(jìn)行恢復(fù)。B5.對圖像矩陣進(jìn)行重排列和插值后得到標(biāo)準(zhǔn)的RGB格式視頻信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮編碼方法，其特征還在于在對圖像進(jìn)行變換之前，首先 進(jìn)行重排列，計(jì)算一階距并與閾值進(jìn)行比較后再根據(jù)結(jié)果判斷是否進(jìn)一步計(jì)算，以此減小數(shù) 據(jù)量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所屬的壓縮編碼方法，其特征還在于在對圖像進(jìn)行變換以后，對得 到的平均值/Z矩陣?yán)^續(xù)計(jì)算一階距，并與閾值比較后再根據(jù)結(jié)果判斷是否設(shè)立標(biāo)志位并且舍 棄冗余數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對Bayer格式的高清視頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮和編解碼的方法，將采集到的高清Bayer格式視頻信息傳遞到視頻處理模塊，根據(jù)改進(jìn)后的AMBCT算法對Bayer格式高清視頻信息進(jìn)行壓縮；解壓縮時(shí)首先分離出圖像的一階距，根據(jù)標(biāo)志位恢復(fù)出1bit圖像矩陣，平均值矩陣，根據(jù)一階距和平均值矩陣得到圖像塊的系數(shù)，通過系數(shù)以及對應(yīng)的標(biāo)志位對圖像進(jìn)行恢復(fù)，最后對圖像矩陣進(jìn)行重排列和插值后得到標(biāo)準(zhǔn)的RGB格式視頻信號。本發(fā)明依托于數(shù)字圖像處理技術(shù)，具有壓縮效率高，軟硬件實(shí)現(xiàn)簡單而高效，滿足視頻信息處理實(shí)時(shí)性需要的特點(diǎn)，同時(shí)也保證壓縮后的視頻信息的質(zhì)量。其中改進(jìn)后的AMBCT算法具有速度更快，壓縮效率更高的特點(diǎn)，對傳輸帶寬的要求降低，適合于需要對視頻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮和傳輸?shù)膱龊稀?br> 文檔編號H04N11/04GK101656889SQ200910033508
公開日2010年2月24日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者惠 王, 杰 袁, 陸保國 申請人:南京大學(xué)