面向wmsn的多模式壓縮視頻感知編解碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種面向無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessMultimediaSensor Networks，WMSN)的視頻編解碼改進(jìn)方案，尤其涉及一種面向WMSN的新型視頻編碼方法，屬 于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 麗SN視頻節(jié)點感知的信息豐富，可以用于固定場景的全方位監(jiān)測，且監(jiān)測視頻圖 像的背景變化極為緩慢，使得WMSN視頻數(shù)據(jù)存在較大的時空冗余，而這些冗余數(shù)據(jù)在編碼 過程中大部分被丟棄，極大地浪費了有限的WMSN資源。
[0003] 在MPEG-X及H. 26X標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼方案中，采用基于塊的運動估計、運動補償?shù)?技術(shù)來提高編碼效率，從而使其在相同的編碼比特率條件下能獲得更高的視覺質(zhì)量。但這 加重了編碼端的計算負(fù)擔(dān)，不能滿足WMSN視頻節(jié)點低計算量、低能耗的需求。因此，典型視 頻編碼方案不適用于上述領(lǐng)域。
[0004] 壓縮感知（CS)理論將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與壓縮合二為一，不需要復(fù)雜的編碼過程。 在視頻信號處理過程中，CS適合處理單幀圖像處理，而分布式壓縮感知（DCS)理論研究的 是多個信號間存在相關(guān)性，可以用于對視頻幀序列進(jìn)行聯(lián)合稀疏、聯(lián)合恢復(fù)。因此，將CS與 DCS引入視頻編碼，能簡化編碼步驟、降低編碼的復(fù)雜度，并在保證視覺質(zhì)量的前提下獲得 更高的編碼效率，從而達(dá)到降低無線視頻傳感器節(jié)點能耗目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種面向WMSN的多模式壓縮視頻感知編碼與解碼 方法，可以在保證視覺質(zhì)量的前提下獲得更高的編碼效率，從而降低無線視頻傳感器節(jié)點 的能源消耗。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0007] 在編碼端，根據(jù)視頻的時空相關(guān)性，采用自適應(yīng)分組器對視頻進(jìn)行對視頻進(jìn)行分 組，再采用四叉樹圖像分割法將圖像組內(nèi)的每幅圖像分割為四個大小相同的圖像塊，并構(gòu) 成四個圖像塊組，將圖像塊組依次送入多模式稀疏編碼器；然后，對圖像塊進(jìn)行預(yù)處理，圖 像塊組的第一個圖像塊被設(shè)置為關(guān)鍵圖像塊（KB塊），剩余的圖像塊為非關(guān)鍵圖像塊（NKB 塊）；同時，在多模式稀疏編碼器中，NKB塊被分為三種類型：跳過塊（SKIP塊）、分布式壓縮 感知塊（DCS塊）、壓縮感知塊（CS塊）；再根據(jù)塊的類型及編號對圖像塊組進(jìn)行二次分組； 最后，將KB塊、SKIP塊、DCS塊和CS塊分別送入相應(yīng)的編碼器進(jìn)行編碼。在解碼端中，根據(jù) 圖像塊的不同編碼方式，分別重構(gòu)出相應(yīng)的圖像塊，再按圖像塊的編號恢復(fù)各圖像塊組；然 后，對四個圖像塊組進(jìn)行復(fù)接，以恢復(fù)出相應(yīng)的G0P組。
[0008] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：面向WMSN的多模式壓縮視頻感知編碼與解碼方 法，其特征是包括以下步驟：
[0009] 1)多模式稀疏編碼
[0010] la)該方法首先將圖像塊組內(nèi)的第一個圖像塊設(shè)置為KB±夬，剩余圖像塊設(shè)置為 NKB塊，并計算其差異值。具體公式如下：
[0011]
[0012] 其中，i，j代表圖像塊橫縱坐標(biāo)；H，L分別為圖像塊的高度與寬度；KB(i，j)代表KB塊，NKBi(i，j)代表第i個NKB塊。
[0013]lb)根據(jù)公式⑴得到的M/ID"值，將圖像塊組內(nèi)所有的NK塊分為：SKIP塊、DCS 塊、CS塊三種類型。具體公式如下：
[0014]
[0015] 其中，1\與T2是實驗預(yù)先設(shè)定的門限值。
[0016] lc)根據(jù)圖像塊分類結(jié)果對NKB塊再次進(jìn)行分組，最后得到三組新的圖像塊組，分 別為SKIP組，DCS組，CS組。
[0017] Id)二次分組完畢后，將KB塊、SKIP塊組、DCS塊組和CS塊組分別送入多模式稀 疏編碼器進(jìn)行編碼，具體操作內(nèi)容如下：
[0018] (1)采用較高采樣率的CS方法對KB塊進(jìn)行用采樣，并將采樣值與編碼模式信息、 位置信息打包送入解碼端。
[0019] (2)對于SKIP組內(nèi)的圖像塊，不進(jìn)行編碼操作，只傳送對應(yīng)的編碼模式信息與位 置信息。
[0020] (3)對于DCS組內(nèi)的圖像塊，首先將其分別與對應(yīng)的KB塊求殘差；然后，對所有的 殘差圖像塊進(jìn)行聯(lián)合稀疏，并在同一測量基?下進(jìn)行測量，再將所得到的測量值與編碼模 式信息、位置信息打包送入解碼端。
[0021 ] (4)采用較低采樣率的塊CS方法對CS組內(nèi)的圖像塊進(jìn)行采樣，并將得到的測量值 與編碼模式信息、位置信息打包送入解碼端。
[0022] 2)多模式解碼
[0023] 2a)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，得到各圖像塊的測量值、編碼模式信息與位置信 息。
[0024] 2b)采用CS技術(shù)恢復(fù)KB塊，并將其保存在存儲器中。
[0025] 2c)采用不同的解碼方法對相應(yīng)類型的NKB塊進(jìn)行恢復(fù)，具體操作內(nèi)容如下：
[0026] (1)利用已重構(gòu)出的KB塊替代SKIP組中對應(yīng)位置的圖像塊。
[0027] (2)借助DCS技術(shù)，利用所獲取的聯(lián)合稀疏觀測值重構(gòu)殘差圖像塊組，再將殘差圖 像塊與對應(yīng)位置的KB塊相加，以恢復(fù)出DCS圖像塊組。
[0028] (3)采用字典學(xué)習(xí)方法，從重構(gòu)出的KB塊中生成當(dāng)前圖像塊組的稀疏字典，再利 用稀疏字典恢復(fù)出CS組中的圖像塊。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0030] (1)采用固定圖像分組方式，在場景發(fā)生變化時會將相關(guān)性不強的視頻幀劃在同 一組，這會導(dǎo)致組內(nèi)視頻幀間的時空相關(guān)不強，從而降低視頻編碼效率；本發(fā)明提出的動態(tài) 視頻幀分組方法優(yōu)化了視頻幀分組結(jié)構(gòu)，更好地利用了視頻幀間的時空相關(guān)性，從而有效 地解決了上述問題。
[0031] (2)根據(jù)圖像塊的特征，將其劃分成KB±夬、SKIP塊、DCS塊和CS±夬，并采用多模式 稀疏編碼器對各類圖像塊分別進(jìn)行編碼，可以在保證視覺質(zhì)量的前提下獲得更高的編碼效 率。
[0032] (3)與典型的視頻編碼方案相比，本方案能簡化編碼步驟、降低編碼的復(fù)雜度，并 在保證視覺質(zhì)量的前提下獲得更高的編碼效率，從而達(dá)到降低無線視頻傳感器節(jié)點能耗目 的。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0034] 圖2是DCS編解碼結(jié)構(gòu)框圖。
[0035] 圖3是基于K-SVD的CS編解碼結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0036] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明 作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0037] 在編碼端，其編碼過程如下：
[0038] 步驟1 :對視頻序列分組
[0039] 1)選取視頻序列第一幀為關(guān)鍵幀。
[0040] 2)選擇一幀非關(guān)鍵幀，采用公式（3)，計算當(dāng)前非關(guān)鍵幀與關(guān)鍵幀的平均絕對誤 差。具體公式如下：
[0041 ]
[0042] 其中KF代表關(guān)鍵幀，NKFjf表非關(guān)鍵幀；H，L分別為非關(guān)鍵幀的高度與寬度；i，j 分別表示像素點的橫縱坐標(biāo)。
[0043] 3)將值與門限值T(T為實驗獲取的經(jīng)驗值）進(jìn)行比較。
[0044] 4)當(dāng)細(xì)Df<r時，則重復(fù)步驟2)、3);當(dāng)継麵f>J時，則確定一個G0P。
[0045] 5)重復(fù)步驟1)至步驟4)的過程，直至所有圖像分組完畢。
[0046] 步驟2 :采用四叉樹圖像分割法將圖像組內(nèi)的每幅圖像分割為四個大小相同的圖 像塊，并構(gòu)成四個圖像塊組，將圖像塊組依次送入多模式稀疏編碼器。
[0047] 步驟3 :將圖像塊組內(nèi)的第一個圖像塊設(shè)置為KB塊，剩余圖像塊設(shè)置為NKB塊，并 計算其差異值。具體公式如下：
[0048]
[0049] 其中，i，j代表圖像塊橫縱坐標(biāo)；H，L分別為圖像塊的高度與寬度；KB(i，j)代表 KB塊，NKBi(i，j)代表第i個NKB塊。
[0050] 步驟4 :根據(jù)公式⑷得到的編以值，將圖像塊組內(nèi)所有的NK塊分為：SKIP塊、 DCS塊、CS塊三種類型。具體公式如下：
[0051]
[0052] 其中，1\與T2是實驗預(yù)先設(shè)定的門限值。
[0053] 步驟5 :根據(jù)步驟4的分類結(jié)果，對NKB塊再次進(jìn)行分組，最后得到三組新的圖像 塊組，分別為SKIP組，DCS組，CS組；并將KB塊、SKIP塊組、DCS塊組和CS塊組分別送入多 模式稀疏編碼器進(jìn)行編碼，具體操作內(nèi)容如下：
[0054] 1)對KB塊的編碼方式：假設(shè)KB塊是NxXN^的視頻信號，構(gòu)造一個M一凡維的 觀測矩陣；使用觀測矩陣對KB塊進(jìn)行測量，得到一個MkXNy維的觀測信號yk;再將yk與編 碼模式信息、位置信息打包送入解碼端。
[0055] 觀測信號yk計算公式如下：
[0056] yk=?xKB=①WxKB (6)
[0057] 其中，Mk<<Nx，?為觀測矩陣，W為稀疏基，O為高斯測量矩陣；知8為KB塊。
[0058] 2)對SKIP組內(nèi)圖像塊的編碼方式：不進(jìn)行編碼操作，只傳送對應(yīng)的編碼模式信息 與位置信息。
[0059] 3)對DCS組內(nèi)圖像塊的編碼方式：首先將其分別與對應(yīng)的KB塊求殘差；然后，對 所有的殘差圖像塊進(jìn)行聯(lián)合稀疏，并在同一測量基?下進(jìn)行測量，再將所得到的測量值與 編碼模式信息、位置信息打包送入解碼端。下面結(jié)合圖2的編碼端部分，對所述方法步驟進(jìn) 行詳細(xì)闡述。
[0060] 3a)假設(shè)圖像塊組經(jīng)二次分組后，重新得到的DCS組