【摘要】：基于感興趣區(qū)域模式的視頻壓縮編碼近年來成為視頻壓縮、計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。從廣義上來講,視頻中的感興趣區(qū)域指視頻幀中引起人們注意的像素部分區(qū)域。它通常包括視頻中運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)、色彩變化的區(qū)域。感興趣區(qū)域視頻編碼的關(guān)鍵思想在于,對(duì)這部分區(qū)域以較小的量化步長進(jìn)行壓縮編碼,以獲得較高的編碼精度。而對(duì)于非感興趣區(qū)域部分,則采用較大的量化步長進(jìn)行粗糙編碼,以降低整體編碼輸出的比特。依據(jù)人體視覺系統(tǒng)的要求,感興趣區(qū)域視頻編碼的目的是將特定的感興趣區(qū)域在解碼端得以清晰的呈現(xiàn),而對(duì)于非感興趣區(qū)域,人們的關(guān)注點(diǎn)并不在這部分,因此并沒有必要完全保證這部分的編碼質(zhì)量。換句話說,在某種特定應(yīng)用場(chǎng)景下,為盡可能減小編碼速率,僅保留感興趣區(qū)域部分的編碼精度以達(dá)到不影響人們對(duì)視頻內(nèi)容理解的目的。本文設(shè)計(jì)了一套基于感興趣區(qū)域率失真優(yōu)化的視頻編碼通信系統(tǒng),該系統(tǒng)包括感興趣區(qū)域提取模塊、感興趣區(qū)域視頻編碼率失真模塊與感興趣區(qū)域視頻流傳輸模塊。設(shè)計(jì)這套系統(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)低比特視頻流通信同時(shí)不影響對(duì)視頻內(nèi)容的理解。圍繞這一系統(tǒng)展開,本文主要研究這三大模塊中的三個(gè)核心技術(shù):感興趣區(qū)域提取技術(shù)、感興趣區(qū)域視頻編碼的率失真優(yōu)化技術(shù)、感興趣區(qū)域視頻流在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸技術(shù)。其中,感興趣區(qū)域提取技術(shù)主要研究如何從視頻幀數(shù)據(jù)中提取感興趣區(qū)域,它主要指運(yùn)動(dòng)的區(qū)域以及一些特定的目標(biāo)物體。這一部分區(qū)域作為視頻幀的前景部分,而其它區(qū)域則作為背景部分。感興趣區(qū)域視頻編碼的率失真優(yōu)化技術(shù)主要解決視頻編碼中的速率和失真權(quán)衡的問題。即給定一組視頻序列,使得速率受限制的約束條件下,該組序列的失真達(dá)到最小。在解決這一優(yōu)化問題時(shí),如何建立恰當(dāng)準(zhǔn)確的速率失真模型是其中的關(guān)鍵部分。速率失真模型可對(duì)感興趣區(qū)域編碼模式下的速率、失真進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。通過速率失真模型列出率失真優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件,并對(duì)其進(jìn)行求解,得到視頻組序列每幀的比特分配方案,進(jìn)而設(shè)計(jì)速率控制策略。感興趣區(qū)域視頻流傳輸技術(shù)主要以異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)為背景,通過對(duì)視頻幀中編碼單元的編碼信息進(jìn)行封裝,組成網(wǎng)絡(luò)層的傳輸單元并將這些傳輸單元分配到不同屬性的無線信道進(jìn)行傳輸。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)哪Ｊ饺曰诙说蕉说膫鬏斈Ｊ?然而終端具有多家鄉(xiāng)接入屬性。通常上講,終端具有多元化網(wǎng)絡(luò)接入單元接口,可同時(shí)接入不同屬性的無線網(wǎng)絡(luò)。感興趣區(qū)域編碼模式下的視頻流傳輸力圖保證包含感興趣區(qū)域信息的傳輸單元能夠具有較少的傳輸失真與解碼失真。同時(shí),視頻流的傳輸需滿足實(shí)時(shí)性要求。對(duì)于超過時(shí)延截止部分的視頻流分組則會(huì)被丟棄以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。此外,傳輸過程中引入信道差錯(cuò)控制編碼技術(shù),通過引入額外監(jiān)督位降低誤碼率,并盡可能滿足感興趣區(qū)域部分信息得以完整的解碼與重建。本文針對(duì)上述內(nèi)容,對(duì)感興趣區(qū)域視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入詳細(xì)的研究,主要內(nèi)容包括:(1)研究了感興趣區(qū)域提取技術(shù)。結(jié)合傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理理論以及當(dāng)前流行的深度學(xué)習(xí)理論。本文分別提出了兩種新的感興趣區(qū)域提取檢測(cè)方法:級(jí)聯(lián)模型算法與基于文本主題模型的邊界框修正算法。其中,級(jí)聯(lián)檢測(cè)算法四個(gè)級(jí)聯(lián)步驟:全局運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,運(yùn)動(dòng)塊提取,多層像素分割和模型更新。前面兩個(gè)步驟提取前景運(yùn)動(dòng)塊并形成運(yùn)動(dòng)遮罩,后面兩個(gè)步驟移除屬于運(yùn)動(dòng)遮罩內(nèi)背景的像素,并更新背景模型的顏色分布。另外,提出了基于塊到像素的檢測(cè)思路以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)靈活性。所提出的方法的另一個(gè)好處是它可以嵌入視頻編解碼器中以進(jìn)行實(shí)時(shí)ROI檢測(cè)和編碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法在檢測(cè)精度和時(shí)間消耗方面都實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的性能。文本主題模型的邊界框修正算法屬于機(jī)器學(xué)習(xí)算法。它包含兩個(gè)階段:模型訓(xùn)練與驗(yàn)證。在訓(xùn)練階段,它將檢測(cè)目標(biāo)圖像的特征點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換成文本信息。在文檔主題生成模型(Latent Dirichlet Allocation,LDA)的基礎(chǔ)上,本文提出了一個(gè)具有單詞共現(xiàn)先驗(yàn)的主題模型,其中圖像特征之間的共現(xiàn)信息被充分利用。在驗(yàn)證階段,本文提出了一種基于邊界框(Anchor-box)的修正算法,該算法可以從一些傳統(tǒng)算法中快速檢測(cè)與預(yù)訓(xùn)練主題模型相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果,并具有快速檢測(cè)時(shí)間。對(duì)各種數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)表明,所提出的方法可以在效率和計(jì)算成本方面提高檢測(cè)性能。它對(duì)于顏色,光照,尺度等不同的物體也具有魯棒性。有趣的是,所提出的方法可以與許多快速但有失準(zhǔn)確性的感興趣區(qū)域提取算法相結(jié)合,并增強(qiáng)了系統(tǒng)模型的靈活性。(2)研究了感興趣區(qū)域視頻壓縮的率失真優(yōu)化與速率控制技術(shù)。本文提出了一種基于DCT殘差系數(shù)的混合分布與徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適合感興趣區(qū)域編碼模式下的速率失真模型。通過將編碼單元分類為不同的深度、紋理特征來對(duì)其速率失真進(jìn)行建模。在此之后,利用所提出的速率失真模型,列出率失真優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件,并根據(jù)凸優(yōu)化理論對(duì)其進(jìn)行求解。同時(shí),設(shè)計(jì)針對(duì)感興趣區(qū)域編碼模式下的速率控制策略。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,所提出的方法在解碼重構(gòu)的視覺質(zhì)量,速率失真性能和比特率精度等方面取得了相應(yīng)的改進(jìn)。它針對(duì)感興趣區(qū)域部分取得了較高的編碼精度,同時(shí)保持編碼緩沖器穩(wěn)定輸出,失真滿足在可控范圍內(nèi)。(3)研究了感興趣區(qū)域編碼模式下視頻流在無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸技術(shù)。本文提出了一種基于感興趣編碼模式視頻傳輸框架,該框架基于多家鄉(xiāng)接入終端的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。它包含感興趣區(qū)域提取模塊和幀分離器的模塊,其中編碼單元被分類封裝到網(wǎng)絡(luò)傳輸單元中。該框架還包括監(jiān)視每個(gè)通信路徑狀態(tài)的信道監(jiān)視器,并將反饋信號(hào)發(fā)送至視頻流控制器來進(jìn)行分組調(diào)度控制。本文提出了用于信道狀態(tài)預(yù)測(cè)的深度學(xué)習(xí)方法。為了解決視頻流分組傳輸問題,本文設(shè)計(jì)了適用于感興趣區(qū)域編碼模式下的視頻流傳輸?shù)乃俾适д婺Ｐ?并制定傳輸調(diào)度策略。該策略傳輸延遲和失真之間尋求平衡點(diǎn)。它還保證具有ROI內(nèi)容的數(shù)據(jù)包在具有足夠帶寬和低損耗的路徑上進(jìn)行傳輸。通過與其他傳輸方法的比較的模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提出的方案在視頻傳輸質(zhì)量,端到端延遲以及播放流暢度方面均取得了良好的效果。
【圖文】：

邐緒論邐逡逑這取決于編碼單元?jiǎng)澐值牟呗�。將劃分好的ＣＴＵ通入感興趣區(qū)域提取模塊（ＲＯＩ逡逑Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｕｌｅ），可以標(biāo)識(shí)ＣＴＵ中的ＣＵ結(jié)構(gòu)，確定哪些ＣＵ是包含感興趣信逡逑息的，哪些是包含非感興趣信息的，即分為ＲＯＩ－ＣＵ與ｎＲＯＩ－ＣＵ。逡逑１

邐ｄ．５）逡逑其中ｃ／（0為／時(shí)刻實(shí)際的編碼速率，ｍ（0為／時(shí)刻的信道速率。感興趣區(qū)域視頻逡逑編碼速率控制流程如圖３所示，輸入視頻通入編碼器進(jìn)行壓縮編碼，，輸出視頻流逡逑Ｉｆ逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN919.81;TN914

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本文編號(hào)：2706970