摘  要： 針對(duì)快速場(chǎng)景變換環(huán)境中基于壓縮感知的分布式視頻編碼所存在的問(wèn)題，提出了一種基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)分組與壓縮感知的分布式視頻編碼方法。對(duì)采集的視頻幀在基本分組的基礎(chǔ)上插入一個(gè)自適應(yīng)分組分離器，通過(guò)設(shè)定門限閾值實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)視頻場(chǎng)景變換的動(dòng)態(tài)調(diào)整分組。實(shí)驗(yàn)表明，與基本分組方法重構(gòu)效果相比，采用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)分組方法的重構(gòu)效果有了較大改進(jìn)，其峰值信噪比也有大大改善和提高，有效地解決了視頻幀中場(chǎng)景變化較快造成的關(guān)鍵信息邊緣紋理?yè)p失的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)；分布式視頻編碼；壓縮感知；圖像組

　分布式視頻編碼[1-2]DVC（Distributed Video Coding）是多媒體視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)[3-4]MVSN（Multimedia Video Sensor Networks）中視頻信號(hào)處理常用的一種技術(shù)。由于受到帶寬和能耗等條件的限制，為了使編碼端（多媒體視頻傳感器節(jié)點(diǎn)）對(duì)視頻信息的編碼復(fù)雜度降低，傳統(tǒng)的基于奈奎斯特采樣定理的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)并不適用于多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、低能耗的要求。近年來(lái)信號(hào)與信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)壓縮感知[5-6]CS（Compressive Sensing）技術(shù)的出現(xiàn)，由于其以全新的采樣技術(shù)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)了采樣和壓縮同時(shí)進(jìn)行，大大減少了采樣率，從而降低了編碼端的運(yùn)算復(fù)雜度。Guillemot C[7]等人提出一種分布式視頻編碼方法來(lái)解決視頻信號(hào)的編碼問(wèn)題，利用分布式視頻編碼大大降低了編碼端的運(yùn)算復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了編碼端的簡(jiǎn)單、低功率的要求。但這種方法還是采用的傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣，其采集的海量數(shù)據(jù)使得性能并不高，如果應(yīng)用到MVSN中將使得編碼復(fù)雜度極高，實(shí)用性差。周燕[8]等人提出把壓縮感知CS應(yīng)用到MVSN的視頻信息處理中，減少視頻信號(hào)稀疏分解過(guò)程的計(jì)算量和存儲(chǔ)量，但遺憾的是未采用DVC技術(shù)，所以重構(gòu)幀的峰值信噪比（PSNR）不高，效果不佳。Pereira F[9]等人提出一種基于CS的分布式視頻編碼框架，這種方法具有兩大優(yōu)點(diǎn)：（1）在信號(hào)的稀疏處理上，利用每一幀對(duì)首幀的差值，得到稀疏視頻信號(hào)，再利用CS低壓縮采用率進(jìn)行采樣處理，最后恢復(fù)的視頻信號(hào)效果得到改善；（2）使CS幀在低采樣率的情況下也可以良好地恢復(fù)重構(gòu)。然而其缺點(diǎn)也十分明顯，一旦視頻信號(hào)中場(chǎng)景變化較快，其重構(gòu)視頻幀的效果將大打折扣。汪瀅[10]提出了一種基于基本圖像組GOP（Group of Picture）和壓縮感知的分布式視頻編碼，即把所有采集幀進(jìn)行GOP分組，然后再對(duì)每一個(gè)GOP組分別進(jìn)行處理，從而在一定程度上改善了重構(gòu)效果，具有一定的場(chǎng)景變換適用性，然而不足之處是分組顯得單調(diào)固定，不具備靈活變換性。針對(duì)以上問(wèn)題，本文在研究總結(jié)前人所做工作的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新穎的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)圖像組分組的CS分布式視頻編碼方法，這種方法首先繼承了基本分組法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了基本分組法造成的組數(shù)固定、不靈活的缺點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定門限閾值T來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像組分組的目的。實(shí)驗(yàn)仿真表明：（1）重構(gòu)后的峰值信噪比（PSNR）得到大大改善和提高，重構(gòu)效果非常良好；（2）具有場(chǎng)景變化的適用性。
1 基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)圖像分組的CS分布式視頻處理機(jī)制
　本文首先介紹Pereira F[9]等人提出的基于差值處理的CS分布式視頻編碼方法（差值法），以及汪瀅[10]的基本圖像組和壓縮感知的分布式視頻編碼方法（基本分組法），最后提出一種自適應(yīng)分組的CS分布式視頻編碼方法（動(dòng)態(tài)分組法），并與上面兩種方法對(duì)比證明所提出的動(dòng)態(tài)分組法的優(yōu)勢(shì)。
1.1 差值法與基本分組法
　圖1所示為基于差值法處理的CS分布式視頻編碼框架，在這種框架下，首先對(duì)第1幀x1標(biāo)定為關(guān)鍵幀（KEY幀），即基本層。第2幀到最后一幀（x1，…，xj）標(biāo)定為WZ幀，然后再對(duì)采集的視頻幀從第2幀開(kāi)始，每幀都對(duì)第1幀進(jìn)行作差值處理，其產(chǎn)生的差值（Δx1，…，Δxj）也叫做增強(qiáng)層，同時(shí)采用CS技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，在恢復(fù)端對(duì)首幀基本層采用傳統(tǒng)的CS重構(gòu)技術(shù)，對(duì)增強(qiáng)層采用聯(lián)合稀疏解碼（JSM-1）模型[11]進(jìn)行重構(gòu)。最后再進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加運(yùn)算即可得到重構(gòu)視頻信號(hào)。

　圖2所示為基本圖像組分組的原理及框架結(jié)構(gòu)，其基本流程是：首先對(duì)原始視頻信號(hào)進(jìn)行固定GOP分組，然后再對(duì)每一個(gè)GOP組分別進(jìn)行處理，對(duì)每一GOP組的幀圖像的處理方法采用上面介紹的差值法進(jìn)行處理，最后再對(duì)每一個(gè)GOP分組的幀信息進(jìn)行合并疊加得到總體的重構(gòu)視頻信號(hào)?？梢钥闯?，用這種基本分組方法得到的每一個(gè)GOP，其所含有的視頻幀數(shù)相對(duì)固定，即每一分組的視頻幀數(shù)相等，因此還是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的根據(jù)視頻場(chǎng)景變換的動(dòng)態(tài)調(diào)整GOP分組的目的。

1.2 動(dòng)態(tài)分組法
　針對(duì)第1.1節(jié)基本分組法所造成的GOP組數(shù)固定、不靈活的缺點(diǎn)，提出了一種自適應(yīng)動(dòng)態(tài)圖像分組法，簡(jiǎn)稱為動(dòng)態(tài)分組法。圖3所示為所提出的基于自適應(yīng)分組和壓縮感知的分布式視頻編碼框架圖，與基本分組方法相比，在基本分組的基礎(chǔ)上插入一個(gè)自適應(yīng)分組分離器，目的是為了真正意義上實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)視頻場(chǎng)景變換的動(dòng)態(tài)調(diào)整GOP分組的目的。



　對(duì)每一幀視頻信號(hào)，首先從橫向看，使用差值法隨著視頻幀數(shù)增大，PSNR值逐漸下降，效果比較差。比較基本分組法和動(dòng)態(tài)分組法，（1）首先從分組上進(jìn)行比較，由于設(shè)置的GOP=5，所以基本分組每一個(gè)GOP就比較固定，自始至終都以5個(gè)一組劃分開(kāi)來(lái)，從而在分組上單調(diào)呆板，不具有靈活性，而所提出的動(dòng)態(tài)分組法在分組上就顯得動(dòng)態(tài)靈活了很多；（2）再?gòu)闹貥?gòu)效果（PSNR）上進(jìn)行比較，雖然少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)的PSNR相同外，動(dòng)態(tài)分組法整體效果的PSNR值要明顯高于基本方法的整體效果的PSNR值，尤其在WZ幀上，動(dòng)態(tài)分組的主要目的就是改善WZ幀的重構(gòu)效果。
　差值方法模糊化了圖像的重要關(guān)鍵信息，所以重構(gòu)出來(lái)的效果就很差，foreman序列是人物表情變化（即場(chǎng)景變化）比較大序列，所以差值法和基本分組方法整體重構(gòu)效果不理想，因此證明了所提出的動(dòng)態(tài)分組方法具有良好的場(chǎng)景變化適應(yīng)性。
　從主觀評(píng)價(jià)上來(lái)看，由于第30幀圖像恰好為WZ幀，比較用上面敘述的三種不同的方法對(duì)第30幀進(jìn)行重構(gòu)，得到的峰值信噪比PSNR值，如表1所示，可以看出所提出動(dòng)態(tài)分組方法的優(yōu)勢(shì)，其PSNR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前兩種。再比較圖像的紋理視覺(jué)效果，如圖5所示。

　從圖5中可以看出，（d）幀圖像的圖像紋理均比（b）、（c）好。首先與（b）比較，可以發(fā)現(xiàn)（b）圖像中效果特別差，里面的關(guān)鍵人物幾乎不見(jiàn)了，這樣就失去了圖像的重要信息了；再與（c）比較，發(fā)現(xiàn)（c）圖像中人物邊緣出現(xiàn)白斑，由于人物是不斷運(yùn)動(dòng)的，具有動(dòng)態(tài)特征，而基本分組并不具備這種動(dòng)態(tài)特性，所以最后重構(gòu)的效果會(huì)比較差；從（d）中可以看出采用本文所提出的基于自適應(yīng)分組方法所重構(gòu)的視頻幀（d）圖像的效果良好，人物也清晰可見(jiàn)，邊緣紋理也比較理想。同樣測(cè)試hall序列等也有類似的效果。
　利用本文提出的基于自適應(yīng)分組與壓縮感知的分布式視頻編碼方法，重構(gòu)后的視頻幀整體效果良好，峰值信噪比大大改善，能夠適用于視頻場(chǎng)景變化劇烈的場(chǎng)合。門限閾值的選擇是本文自適應(yīng)算法的關(guān)鍵，本文中采用的是簡(jiǎn)單但行之有效的求列向量均值的方法設(shè)置門限閾值，下一步的研究方向可以針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景在自適應(yīng)算法復(fù)雜性和重構(gòu)效率之間權(quán)衡，選擇其他智能算法來(lái)優(yōu)化閾值，進(jìn)而達(dá)到更完善的分組目的。
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