摘? 要： 介紹了小波" title="小波">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" 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title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換在靜態(tài)圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮、實(shí)時(shí)連續(xù)媒體流" title="媒體流">媒體流等多媒體業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，并結(jié)合ADV611芯片提出一套音視頻數(shù)據(jù)采集壓縮的方案。為進(jìn)一步提高媒體服務(wù)質(zhì)量，在本方案中根據(jù)實(shí)際情況提出了幀間壓縮和碼率控制兩種解決方法。

　　關(guān)鍵詞： 小波變換? 圖像壓縮? 實(shí)時(shí)連續(xù)媒體流? 碼率控制? 幀間編碼?

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　　隨著網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)多媒體業(yè)務(wù)需求的大量增加，基于Internet的音視頻數(shù)據(jù)采集、壓縮技術(shù)成為各種多媒體業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的基本要求，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(H.26X、MPEG-4等)來(lái)實(shí)現(xiàn)低碼率及甚低碼率下的多媒體數(shù)據(jù)壓縮、傳輸及存儲(chǔ)。而國(guó)內(nèi)外各大網(wǎng)絡(luò)軟硬件廠商紛紛出臺(tái)相應(yīng)的解決方案。在這些標(biāo)準(zhǔn)、方案中，小波變換使信號(hào)的低頻長(zhǎng)時(shí)特性和高頻短時(shí)特性同時(shí)得到處理，有效地克服了傅氏變換在處理非平穩(wěn)復(fù)雜圖像信號(hào)時(shí)所存在的局限性，因而在各種多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域受到了廣泛的重視^[1,2]。本文將以此為基礎(chǔ)對(duì)小波變換這一工具應(yīng)用到圖像壓縮、實(shí)時(shí)連續(xù)媒體流等領(lǐng)域做一些有益的嘗試與探討。

1 小波變換在圖像壓縮中的應(yīng)用

　　小波變換以其特有的變換特性在圖像壓縮領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如JPEG-2000、MPEG-4靜態(tài)圖像壓縮都采用了小波變換的方式。對(duì)于小波變換在靜態(tài)圖像壓縮中的應(yīng)用已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對(duì)此做出了論述，此處不再贅述。以下只討論應(yīng)用價(jià)值更為廣闊的小波算法的硬件實(shí)現(xiàn)。

1.1 小波算法的硬件實(shí)現(xiàn)

??? 美國(guó)AD公司的ADV611數(shù)字視頻編解碼芯片是一款低價(jià)、單片、多功能、全數(shù)字的CMOS超大規(guī)模集成電路，片內(nèi)集成了視頻接口、主機(jī)接口和SRAM，可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域^[5]。以下將從內(nèi)部框圖和算法分析兩個(gè)方面介紹該芯片的使用情況。

1.1.1內(nèi)部框圖

　　圖1是ADV611的內(nèi)部框圖，大致可以分為六個(gè)模塊，其中較有特色的部分是清晰窗口和量化控制兩部分。清晰窗口(Quality Box)是將用戶感興趣的部分圖像采用壓縮比" title="壓縮比">壓縮比較小的方式編碼，而對(duì)其余背景區(qū)域則加大壓縮比。這種方式可認(rèn)為是小波編碼在空間可伸縮性的一種應(yīng)用。量化控制是為了滿足不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬，不同的服務(wù)質(zhì)量而設(shè)定的改變編碼碼率的參量。通過(guò)設(shè)置不同比特每象素值(Bit Per Pixel)而改變編碼碼流的數(shù)據(jù)量，滿足不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬。圖2是采用與ADV611相同壓縮算法的軟件模擬結(jié)果。表1是算法效果統(tǒng)計(jì)。

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　　其中圖2(a)是原始圖像(720×486×24位1025K)，(b1)、(b2)、(b3)是比特每象素值分別為1、0.5、0.1時(shí)的恢復(fù)圖樣。從數(shù)據(jù)中可以看出隨著比特每象素值的降低，壓縮后數(shù)據(jù)量隨之降低，而恢復(fù)圖像與原圖的PSNR降低并不多。

1.1.2 算法分析

　　ADV611內(nèi)部的小波變換采用雙正交9-7小波基。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明雙正交9-7小波基在圖像處理中是一種較好的小波基，目前多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)小波壓縮的算法，一般都采用這種小波基。ADV611芯片中的小波算法生成的Mallat框圖如圖3所示。

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　　在量化階段ADV611采用可程控的量化方式。在量化順序上采用先低頻后高頻的順序(ADV611沒(méi)有采用零樹(shù)編碼)，如對(duì)圖3量化的順序?yàn)镠、F、G、E、C、D、B、A。在量化系數(shù)的選取上充分考慮人類視覺(jué)特性給定了每個(gè)Mallat塊的參考量化系數(shù)如圖4。圖5顯示的是編/解碼端相應(yīng)的量化方法，圖中的BW是Mallat塊的參考量化系數(shù)。

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　　對(duì)量化后的數(shù)據(jù)ADV611采用游程編碼與霍夫曼編碼相結(jié)合的方式進(jìn)行熵編碼，以達(dá)到高壓縮比的目的。一般來(lái)說(shuō)游程編碼和霍夫曼編碼屬于無(wú)損壓縮，壓縮比都不高，但在小波變換及系數(shù)量化后會(huì)出現(xiàn)大量的連零系數(shù)，這時(shí)采用游程編碼與霍夫曼編碼相結(jié)合的方式能達(dá)到很高的壓縮比^[3]。

2 小波變換在媒體流壓縮中的應(yīng)用

　　很多對(duì)小波變換的研究?jī)H停留在靜態(tài)圖像上，沒(méi)有就此深入下去。筆者希望小波變換這種方式不僅在靜態(tài)圖像上，還要在連續(xù)媒體流上得到更為廣闊的應(yīng)用?；谛〔ㄗ儞Q本身的特點(diǎn)以及ADV611芯片的特性，將從以下兩個(gè)方面提出改進(jìn)方案以使系統(tǒng)更加適用于連續(xù)媒體流業(yè)務(wù)。

2.1 基于小波變換系數(shù)的幀間算法

　　靜態(tài)圖像小波壓縮是通過(guò)減少圖像本身的空間冗余性，達(dá)到壓縮效果的編碼方法，屬于幀內(nèi)壓縮。在處理連續(xù)媒體流時(shí)應(yīng)注意到幀間相似性是很大的，即幀與幀之間有著很大的時(shí)間冗余性，減少這種冗余可以達(dá)到更高的壓縮比，使碼流適合于更低比特的信道傳輸。在處理這一問(wèn)題上國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一般采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑢?shí)現(xiàn)幀間壓縮^[4]。在綜合考慮ADV611硬件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出一種對(duì)小波變換后系數(shù)估計(jì)補(bǔ)償?shù)乃惴?。具體的原理圖如圖6所示。

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　　其中小波變換與熵編碼是由ADV611硬件實(shí)現(xiàn)的。編碼后的數(shù)據(jù)延時(shí)一幀后進(jìn)入存儲(chǔ)器，與后一幀系數(shù)數(shù)據(jù)相減，求殘差數(shù)據(jù)，并對(duì)殘差數(shù)據(jù)重編碼，包括二次量化、霍夫曼編碼等。解碼端反操作即可。

　　實(shí)現(xiàn)這種算法要求具有兩個(gè)先題條件:(1)小波變換的穩(wěn)定性。對(duì)同一幀圖像兩次小波變換后生成的碼流是相同的，那么當(dāng)其中一幀圖像發(fā)生輕微變化時(shí)，編碼生成后的碼流也只是發(fā)生少量變化，從而殘差數(shù)據(jù)將會(huì)有大量的連零數(shù)據(jù)出現(xiàn);(2)編碼后碼流數(shù)據(jù)量較小，考慮到硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)要求有存儲(chǔ)器存儲(chǔ)前一幀變換后的系數(shù)，如果碼流數(shù)據(jù)量太大將不適合硬件的實(shí)現(xiàn)(此處應(yīng)該注意的是連續(xù)兩幀之間熵編碼后數(shù)據(jù)量不一定相同，對(duì)缺少的數(shù)據(jù)補(bǔ)零處理)。利用news序列的前8幀做測(cè)試序列，得到的幀間相關(guān)性結(jié)果如表2所示。

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　　以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明小波變換后系數(shù)存在著極大的幀間相關(guān)性。熵編碼后相關(guān)性降低，但仍然較高，可以充分應(yīng)用這種相關(guān)性。進(jìn)行幀間壓縮。在硬件實(shí)現(xiàn)方案中，由于采用ADV611芯片，接口的輸出碼流是經(jīng)過(guò)熵編碼后的數(shù)據(jù)，幀間壓縮的效果沒(méi)有如圖6中虛線所示流程的壓縮效果好，但仍然可以進(jìn)一步提高視頻序列的壓縮比。

2.2 基于小波變換的碼率控制

　　當(dāng)前連續(xù)媒體流業(yè)務(wù)中越來(lái)越多地考慮對(duì)客戶的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題，QoS的提出要求對(duì)編碼碼率的控制更加靈活，以適應(yīng)不同的用戶需求和不同的信道狀況。利用ADV611中可程控的量化方式就可以方便地達(dá)到碼率控制的目的。其原理框圖如圖7所示。B/P是比特每象素的設(shè)置，通過(guò)軟件監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[5]，并按照一定的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律實(shí)時(shí)更改壓縮過(guò)程中的B/P設(shè)置，以完成對(duì)碼率的控制。

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3 實(shí)現(xiàn)方案

　　開(kāi)發(fā)小組在充分地進(jìn)行理論研究及實(shí)現(xiàn)方案論證的基礎(chǔ)上，應(yīng)用小波壓縮算法、按照MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的思路提出了一套音視頻采集壓縮傳輸?shù)慕鉀Q方案。硬件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖如圖8所示。

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　　主要分為六個(gè)模塊:(1)音視頻捕捉模塊，包括音視頻的獲取及量化;(2)壓縮/解壓縮模塊，該模塊是本方案中最重要的模塊，實(shí)現(xiàn)音視頻的編/解碼及同步;(3)接入模塊，該模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸，為了進(jìn)一步減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)，采用硬件打包發(fā)送的方式;(4)軟件控制模塊，該模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，及時(shí)將分析后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)結(jié)果通知硬件板卡;(5)控制單元模塊，該模塊是系統(tǒng)的處理、時(shí)序等管理控制中心，還根據(jù)軟件模塊得到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)及時(shí)地控制編碼過(guò)程完成碼率控制過(guò)程;(6)總線接口模塊，采用PCI總線方式與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。

　　在上述系統(tǒng)壓縮/解壓縮模塊中，采用ADV611壓縮芯片，并結(jié)合2.1中提出的小波變換系數(shù)的幀間算法，簡(jiǎn)略地實(shí)現(xiàn)視頻序列的幀間壓縮;同時(shí)按照控制單元的速率控制參數(shù)完成碼率控制的過(guò)程。

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參考文獻(xiàn)

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