基于人眼視覺系統(tǒng)特性的圖像壓縮算法及實現的關鍵技術研究
發(fā)布時間：2021-06-26 22:36
計算機和半導體技術的迅猛發(fā)展,引領著信息時代的跨越式前進。大數據信息時代,圖像數據占據了相當大的比重,在追求高分辨率,高幀頻的同時,也面臨海量數據傳輸與存儲的挑戰(zhàn)。為此許多圖像的編碼標準相繼被提出,其中視頻編碼聯合組（JCT-VC）發(fā)布的高效視頻編碼標準（HEVC）,無論在視頻還是圖像編碼方面都有著優(yōu)異的性能表現�？紤]到人眼是大部分圖像信息的最終接收端,而傳統(tǒng)的編碼標準并沒有考慮人眼的視覺系統(tǒng)（HVS）特性,圖像編碼時會殘留大量的視覺冗余信息,不能夠充分發(fā)揮HEVC編碼標準的最佳性能。因此,在圖像編碼時融入人眼的視覺特性具有理論研究意義和現實應用價值。選題研究的目標是在有限的存儲空間和傳輸帶寬的條件下獲得感知質量最佳的編碼圖像,研究的重點是實現如何將HEVC編碼標準和HVS特性結合在一起以獲得最佳的圖像編碼表現。研究工作基于HVS特性模型（包括恰可察失真和感興趣區(qū)域模型）,定義了一種數學意義上的像素感知失真測度,以估測圖像像素的感知失真。并將定義的像素感知失真評價方法移植到HEVC中代替默認的客觀像素失真評價方法,創(chuàng)建HEVC編碼標準和HVS特性的關聯。HEVC編碼標準和HVS特性的聯...
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)吉林省
【文章頁數】：124 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
H.265/HEVC視頻標準框架[51]
第2章HEVC編碼和人眼視覺特性13圖2.22N×2NCU的PU劃分方式Figure2.2PUdivisionin2N×2NCU2.1.2相關的編碼技術2.1.2.1幀內預測技術幀內預測屬于空域預測，統(tǒng)計結果表明，同一幀圖像中鄰近的像素具有極強的相關性，數值比較接近。同時，幀內預測也屬于線性預測，用若干的臨近已編碼像素疊加表示待預測的像素，可以逼近像素的準確值。利用這兩種性質，是幀內預測編碼的主要理論依據。HEVC具有極高的幀內編碼性能，一方面歸功于上面提到的靈活的編碼樹劃分方式，另一方面則歸功于其諸多的預測模式。PU作為預測的基本單元，它有35種預測模式，如圖2.3所示，HEVC包括平面（Planar）預測、直流（DC）預測和33種角度預測。Planar模式是針對紋理平滑區(qū)域設計的，對預測變化趨勢一致的區(qū)域可以有很好的效果，DC模式是針對圖像的平坦區(qū)域設計的，可以很好的降低角度預測時的復雜度。33種角度預測模式的角度是以格數刻度計算的，設計思想基于人眼的主觀特性，它在豎直和水平方向相對比較密集，在偏離豎直和水平方向相對比較稀疏，符合人眼對垂直或者水平的變化敏感，而對傾斜角度的敏感性相對較弱的事實。一般情況下，完成HEVC幀內預測需要三步：準備參考像素、對參考像素執(zhí)行平滑濾波操作、根據參考像素計算待預測像素值的大校
基于人眼視覺系統(tǒng)特性的圖像壓縮算法及實現的關鍵技術研究14圖2.3幀內預測模式和角度Figure2.3Modeandangleinintraprediction為了保證得到的預測像素的相對準確性，HEVC做了很多技術保障工作。參考像素的準確性直接關系預測像素的準確性。首先，從五個位置準備參考像素（左下，左，左上，上，右上，當然這也是為了符合35種預測模式的需要），并嚴格規(guī)定了參考像素的填充方式；接著，為了使用左下方的參考像素，HEVC采用Z掃描的順序編碼圖像塊；最后，還要對填充的參考像素執(zhí)行平滑濾波操作，而且針對不同的預測塊的大小，HEVC還采用了不同的平滑濾波方式，切實有效地減少了噪聲對于預測的影響，提高了預測精度和效率。關于色度塊的預測[51]，采用和亮度塊預測相同的方法，在這里不過多介紹。2.1.2.2變換量化技術變換是基于轉換塊TU的，通常將CU到TU的劃分稱為殘差四叉樹（RQT），原因在于變換的對象是預測圖像與原始圖像的像素殘差。變換是一種數學運算，每個函數的應用都有特定的意義，HEVC在執(zhí)行幀內的4×4亮度殘差變換時使用了離散正弦變換（DST），這是根據像素的空間相關性決定的。數據統(tǒng)計顯示：對于深度為8的灰度圖像，臨近像素的差值，超過80%的信號小于20，體現了極強的像素的相關性，同時也說明了這種相關性和距離的關系，距離越近，相關性越強，反之距離越遠，相關性越弱。在幀內預測過程中，存在確定的規(guī)律，離
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種高靈活性HEVC幀內編碼器前端設計[J]. 陸彥珩,王利鳴,曾曉洋,范益波. 復旦學報(自然科學版). 2017(01)
[2]人眼亮度和色度對比敏感視覺特性的測量及其模型研究[J]. 姚軍財. 應用光學. 2016(06)
[3]Region-of-interest based rate control for UAV video coding[J]. 趙春蕾,戴明,熊晶瑩. Optoelectronics Letters. 2016(03)
[4]HEVC靜態(tài)圖像壓縮與JPEG 2000性能比較與分析[J]. 林子明,梁利平. 電視技術. 2015(13)
[5]基于FPGA的Prewitt邊緣檢測算子的實現[J]. 方惠蓉. 哈爾濱師范大學自然科學學報. 2015(02)
[6]H.264/AVC碼率控制中初始量化參數的估計[J]. 趙春蕾,戴明,孫麗娜,孫樂,孫崇尚,張晶,馮磊. 光學精密工程. 2014(09)
[7]Prewitt圖像邊緣檢測及邊緣細化的FPGA實現[J]. 謝昭莉,白穎杰. 電子技術應用. 2010(06)
[8]視覺過程中的光電轉換問題[J]. 蔡浩然. 生物化學與生物物理進展. 1975(03)
博士論文
[1]基于多模態(tài)技術的顯示圖像質量和視覺舒適度評價研究[D]. 賈立秀.東南大學 2019
[2]圖像質量評價及其在圖像去噪中的應用研究[D]. 楊光義.武漢大學 2018
[3]基于視覺感知特性的圖像質量評價方法研究[D]. 詹憶冰.中國科學技術大學 2018
[4]H.265/HEVC視頻編碼率失真優(yōu)化技術研究[D]. 賀競.西安電子科技大學 2017
[5]仿人眼光學系統(tǒng)與視覺注意機理研究[D]. 梁丹.浙江大學 2017
[6]視頻編碼中率失真優(yōu)化技術相關研究[D]. 李維.西安電子科技大學 2014
[7]面向高性能視頻編碼標準的率失真優(yōu)化技術研究[D]. 李斌.中國科學技術大學 2013
本文編號：3252229
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)吉林省
【文章頁數】：124 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
H.265/HEVC視頻標準框架[51]
第2章HEVC編碼和人眼視覺特性13圖2.22N×2NCU的PU劃分方式Figure2.2PUdivisionin2N×2NCU2.1.2相關的編碼技術2.1.2.1幀內預測技術幀內預測屬于空域預測，統(tǒng)計結果表明，同一幀圖像中鄰近的像素具有極強的相關性，數值比較接近。同時，幀內預測也屬于線性預測，用若干的臨近已編碼像素疊加表示待預測的像素，可以逼近像素的準確值。利用這兩種性質，是幀內預測編碼的主要理論依據。HEVC具有極高的幀內編碼性能，一方面歸功于上面提到的靈活的編碼樹劃分方式，另一方面則歸功于其諸多的預測模式。PU作為預測的基本單元，它有35種預測模式，如圖2.3所示，HEVC包括平面（Planar）預測、直流（DC）預測和33種角度預測。Planar模式是針對紋理平滑區(qū)域設計的，對預測變化趨勢一致的區(qū)域可以有很好的效果，DC模式是針對圖像的平坦區(qū)域設計的，可以很好的降低角度預測時的復雜度。33種角度預測模式的角度是以格數刻度計算的，設計思想基于人眼的主觀特性，它在豎直和水平方向相對比較密集，在偏離豎直和水平方向相對比較稀疏，符合人眼對垂直或者水平的變化敏感，而對傾斜角度的敏感性相對較弱的事實。一般情況下，完成HEVC幀內預測需要三步：準備參考像素、對參考像素執(zhí)行平滑濾波操作、根據參考像素計算待預測像素值的大校
基于人眼視覺系統(tǒng)特性的圖像壓縮算法及實現的關鍵技術研究14圖2.3幀內預測模式和角度Figure2.3Modeandangleinintraprediction為了保證得到的預測像素的相對準確性，HEVC做了很多技術保障工作。參考像素的準確性直接關系預測像素的準確性。首先，從五個位置準備參考像素（左下，左，左上，上，右上，當然這也是為了符合35種預測模式的需要），并嚴格規(guī)定了參考像素的填充方式；接著，為了使用左下方的參考像素，HEVC采用Z掃描的順序編碼圖像塊；最后，還要對填充的參考像素執(zhí)行平滑濾波操作，而且針對不同的預測塊的大小，HEVC還采用了不同的平滑濾波方式，切實有效地減少了噪聲對于預測的影響，提高了預測精度和效率。關于色度塊的預測[51]，采用和亮度塊預測相同的方法，在這里不過多介紹。2.1.2.2變換量化技術變換是基于轉換塊TU的，通常將CU到TU的劃分稱為殘差四叉樹（RQT），原因在于變換的對象是預測圖像與原始圖像的像素殘差。變換是一種數學運算，每個函數的應用都有特定的意義，HEVC在執(zhí)行幀內的4×4亮度殘差變換時使用了離散正弦變換（DST），這是根據像素的空間相關性決定的。數據統(tǒng)計顯示：對于深度為8的灰度圖像，臨近像素的差值，超過80%的信號小于20，體現了極強的像素的相關性，同時也說明了這種相關性和距離的關系，距離越近，相關性越強，反之距離越遠，相關性越弱。在幀內預測過程中，存在確定的規(guī)律，離
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種高靈活性HEVC幀內編碼器前端設計[J]. 陸彥珩,王利鳴,曾曉洋,范益波. 復旦學報(自然科學版). 2017(01)
[2]人眼亮度和色度對比敏感視覺特性的測量及其模型研究[J]. 姚軍財. 應用光學. 2016(06)
[3]Region-of-interest based rate control for UAV video coding[J]. 趙春蕾,戴明,熊晶瑩. Optoelectronics Letters. 2016(03)
[4]HEVC靜態(tài)圖像壓縮與JPEG 2000性能比較與分析[J]. 林子明,梁利平. 電視技術. 2015(13)
[5]基于FPGA的Prewitt邊緣檢測算子的實現[J]. 方惠蓉. 哈爾濱師范大學自然科學學報. 2015(02)
[6]H.264/AVC碼率控制中初始量化參數的估計[J]. 趙春蕾,戴明,孫麗娜,孫樂,孫崇尚,張晶,馮磊. 光學精密工程. 2014(09)
[7]Prewitt圖像邊緣檢測及邊緣細化的FPGA實現[J]. 謝昭莉,白穎杰. 電子技術應用. 2010(06)
[8]視覺過程中的光電轉換問題[J]. 蔡浩然. 生物化學與生物物理進展. 1975(03)
博士論文
[1]基于多模態(tài)技術的顯示圖像質量和視覺舒適度評價研究[D]. 賈立秀.東南大學 2019
[2]圖像質量評價及其在圖像去噪中的應用研究[D]. 楊光義.武漢大學 2018
[3]基于視覺感知特性的圖像質量評價方法研究[D]. 詹憶冰.中國科學技術大學 2018
[4]H.265/HEVC視頻編碼率失真優(yōu)化技術研究[D]. 賀競.西安電子科技大學 2017
[5]仿人眼光學系統(tǒng)與視覺注意機理研究[D]. 梁丹.浙江大學 2017
[6]視頻編碼中率失真優(yōu)化技術相關研究[D]. 李維.西安電子科技大學 2014
[7]面向高性能視頻編碼標準的率失真優(yōu)化技術研究[D]. 李斌.中國科學技術大學 2013
本文編號：3252229
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