【摘要】：如今,數(shù)字化的多媒體技術(shù)在人類社會的各個領(lǐng)域內(nèi)有著極為廣泛的應(yīng)用。在各類數(shù)字多媒體信號當(dāng)中,圖像/視頻等視覺信號逐漸成為人類最主要的信息載體。由于源圖像/視頻信號數(shù)據(jù)量較大,目前大量的圖像/視頻等視覺信號通過有損壓縮編碼技術(shù),變換為壓縮域碼流,實(shí)現(xiàn)了高效的傳輸和存儲。但是壓縮視頻圖像也存在一些問題:一方面,受低分辨率采集設(shè)備、存儲空間或傳輸帶寬的限制,一些壓縮視頻圖像的分辨率較低;另一方面,一些經(jīng)過壓縮感知編碼技術(shù)重建的視頻圖像,其重建質(zhì)量較差。這些低分辨率或壓縮感知重建質(zhì)量低的圖像/視頻信號會影響人們的視覺感受。視頻圖像插值和重建技術(shù)能夠增強(qiáng)壓縮圖像/視頻的分辨率和重建質(zhì)量,提高人們的視覺感受。因此壓縮圖像/視頻的插值和重建技術(shù)是數(shù)字視頻圖像處理領(lǐng)域有實(shí)際意義的研究課題。通過碼流解碼得到的重建圖像/視頻信號可以看作是源圖像/視頻信號的退化信號,從退化信號恢復(fù)源信號的問題具有病態(tài)特性。該問題涉及到視頻編碼技術(shù)和圖像處理等領(lǐng)域。壓縮視頻圖像的碼流在解碼過程中能夠產(chǎn)生指導(dǎo)重建的邊信息,邊信息可以對源信號的退化過程進(jìn)行有效估計(jì)。根據(jù)圖像/視頻等視覺信號的固有特性,自然視頻圖像的先驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵部梢约s束源信號的真實(shí)解空間,將該病構(gòu)性問題轉(zhuǎn)化為適應(yīng)性問題。綜上所述,壓縮圖像/視頻的插值和重建技術(shù)是數(shù)字視頻圖像處理領(lǐng)域有理論意義的研究課題。本文以壓縮碼流邊信息和視頻圖像的先驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鳛槌霭l(fā)點(diǎn),重點(diǎn)針對壓縮視頻圖像的插值問題和壓縮感知視頻圖像的重建問題展開深入的研究。具體研究內(nèi)容分為以下四個部分:第一,提出了一種基于局部自回歸模型和非局部自相似模型的正則化的壓縮圖像插值技術(shù)。通過分析壓縮圖像碼流的邊信息,我們推導(dǎo)出壓縮圖像變換域系數(shù)的置信區(qū)間,并以此提出了基于變換域的軟數(shù)據(jù)精度項(xiàng)�；趫D像的局部和非局部特性,我們聯(lián)合兩種互補(bǔ)的圖像先驗(yàn)?zāi)Ｐ?局部自回歸模型和非局部自相似模型,作為聯(lián)合的正則化約束。不同于傳統(tǒng)的只利用高低分辨率之間幾何二元性的自回歸模型,我們提出了一種自適應(yīng)加權(quán)的在高分辨率圖像上迭代的自回歸模型;而在非局部的自相似模型中,我們用相似塊組變換域的稀疏性來對非局部相似塊組進(jìn)行統(tǒng)一約束。結(jié)合我們提出的軟數(shù)據(jù)精度項(xiàng)和局部非局部聯(lián)合的正則化約束,我們提出壓縮圖像插值的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),并采用分裂布萊格曼方法來求解。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,我們提出的方法相比于一些經(jīng)典的對比方法在主觀和客觀效果上均具有一定的質(zhì)量增益。第二,提出了一種基于方向性的壓縮視頻插值技術(shù)。傳統(tǒng)的源視頻插值技術(shù)直接應(yīng)用于壓縮視頻時,插值視頻效果往往不盡如人意。其原因是忽略了壓縮視頻碼流中的邊信息。通過借鑒視頻幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)和邊緣指導(dǎo)的插值模型,我們提出了基于方向性的壓縮視頻(幀內(nèi)編碼幀和幀間編碼幀)插值技術(shù)。整體壓縮視頻插值框架充分利用壓縮碼流的空域和時域邊信息。對幀內(nèi)編碼幀(I幀)來說,插值濾波器利用了幀內(nèi)方向性紋理的預(yù)測模式信息的指導(dǎo)作用。針對每一個幀內(nèi)方向預(yù)測模式,我們在訓(xùn)練集上(經(jīng)典視頻序列及其對應(yīng)的低分辨率壓縮視頻)訓(xùn)練出相對應(yīng)的優(yōu)化插值濾波器,所以插值濾波器能通過幀內(nèi)方向預(yù)測模式自適應(yīng)選擇。而且,量化因子作為碼流邊信息也參與到插值濾波器的訓(xùn)練與選擇。對幀間編碼幀(P幀和B幀)來說,幀間預(yù)測模式是獲取圖像塊運(yùn)動向量的信息,該向量指向與當(dāng)前塊的紋理相似的參考塊。每一個幀間幀中的插值像素,其插值濾波器由對應(yīng)參考像素的紋理方向決定。第三,提出了一種基于局部結(jié)構(gòu)化隨機(jī)矩陣的圖像壓縮感知重建技術(shù)。通常,高斯隨機(jī)矩陣被廣泛應(yīng)用于壓縮感知技術(shù),但是該矩陣存在以下問題:一是該矩陣是復(fù)雜且非稀疏的矩陣,導(dǎo)致了計(jì)算復(fù)雜度很高且不利于硬件實(shí)現(xiàn);二是該矩陣具有全局隨機(jī)性,導(dǎo)致由其映射產(chǎn)生的測量值也具有高度的全局隨機(jī)性,使得測量值的編碼效率很低。故,我們利用圖像的局部平滑特性,設(shè)計(jì)了具有局部結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)的隨機(jī)采樣矩陣。該矩陣有兩個優(yōu)點(diǎn),一是其高度稀疏,利于硬件實(shí)現(xiàn)且在低碼率下的重建效果優(yōu)于高斯隨機(jī)矩陣;二是測量值的相鄰元素之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性,該相關(guān)性被利用來增強(qiáng)編碼效率。進(jìn)而,我們設(shè)計(jì)了基于局部結(jié)構(gòu)化的隨機(jī)矩陣的整體編碼框架,包括:測量值的生成,測量值的編碼和圖像的壓縮感知重建。在重建時,通過分析壓縮碼流的邊信息,我們提出了一種基于測量值置信區(qū)間的軟解碼重建方法,其在低碼率下相比于傳統(tǒng)的重建方法具有更好的重建效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,我們提出的方法相比于一些經(jīng)典的對比方法在主觀和客觀效果上均具有一定的質(zhì)量增益第四,提出了基于層次幀的時空域結(jié)合的視頻壓縮感知重建技術(shù)。在編碼端,不同于傳統(tǒng)的各幀同采樣率的壓縮感知視頻編碼,我們設(shè)計(jì)了層次幀的采樣策略,在編碼端不同層次的幀采用不同的采樣率,以便于更好的利用空域相關(guān)性來增強(qiáng)視頻的重建質(zhì)量,同時減輕了誤差漂移對視頻重建的影響。在解碼端,我們提出了時空域相結(jié)合的視頻重建技術(shù)。在該時空域模型中,考慮到視頻的時域相關(guān)性和空域相關(guān)性特性,我們將具有相似紋理的時空域的圖像塊組成一個圖像塊組,并將組內(nèi)塊在自適應(yīng)字典下的稀疏表示作為該視頻重建技術(shù)的先驗(yàn)約束。而且,通過分析壓縮碼流的邊信息,我們提出了一種基于測量值置信區(qū)間的軟數(shù)據(jù)精度項(xiàng)。聯(lián)合時空域先驗(yàn)約束和軟數(shù)據(jù)精度項(xiàng),我們提出了正則化的目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而采用分裂布萊格曼方法迭代求解該目標(biāo)函數(shù)。我們提出的方法相比于對比方法在客觀效果上具有一定的質(zhì)量增益。綜上,本文針對壓縮視頻圖像的插值問題和壓縮感知視頻圖像的重建問題提出了以壓縮碼流邊信息和視頻圖像的先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合的插值和壓縮感知重建技術(shù),實(shí)驗(yàn)表明我們提出的方法相比于一些經(jīng)典的對比方法在具有一定的質(zhì)量增益。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41

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本文編號：2415879