Устройство компрессии видеоданных



Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных
Устройство компрессии видеоданных

 


Владельцы патента RU 2416887:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Цифровые решения" (RU)

Изобретение относится к телевизионным системам, в частности к системам, в которых телевизионный сигнал передается по одному или нескольким параллельным каналам при ширине полосы пропускания каждого канала меньшей, чем ширина спектра телевизионного сигнала, и может быть использовано в устройствах кодирования видеоданных, работающих в реальном масштабе времени. Техническим результатом является увеличение быстродействия устройства за счет снижения вычислительной сложности путем применения фильтрации во временной области на основе КИХ-фильтров и увеличении коэффициента сжатия за счет применения адаптивного вейвлет-преобразования во временной области и обеспечение эффективной компрессии за счет существенного снижения пространственно-временной избыточности данных благодаря применению трехмерного вейвлет-преобразования. Указанный технический результат достигается тем, что устройство компрессии видеоданных состоит из последовательно соединенных блока временной декорреляции, блока двумерного вейвлет-преобразования, блока квантования коэффициентов преобразования, блока энтропийного кодирования. 8 ил.

 

Изобретение относится к телевизионным системам, в частности к системам, в которых телевизионный сигнал передается по одному каналу или нескольким параллельным каналам при ширине полосы пропускания каждого канала меньшей, чем ширина спектра телевизионного сигнала, и может быть использовано в устройствах кодирования видеоданных, работающих в реальном масштабе времени, для обеспечения эффективной компрессии за счет существенного снижения пространственно-временной избыточности данных благодаря применению трехмерного вейвлет-преобразования.

Существующие в настоящее время устройства компрессии видеоданных, использующие вейвлет-преобразование, либо не устраняют временную избыточность соседних кадров видеопоследовательности, либо не могут быть реализованы в качестве систем реального времени из-за высокой вычислительной сложности.

Известно устройство «Wavelet based coding using motion compensated filtering based on both single and multiple reference frames» (патент US 7042046 B2 от 09.03.2006) того же назначения, что и предлагаемое, но не имеющее с ним общих признаков, и состоящее из последовательно соединенных блока разделения (partition), блока оценки движения (motion estimation), блока временной фильтрации (temporal filtering), блока пространственной декомпозиции (spatial decomposition), блока квантования коэффициентов (significance encoding) и блока энтропийного кодирования (entropy encoding), причем выход блока оценки движения соединен со вторым входом блока энтропийного кодирования.

Недостаток данного устройства заключается в большой вычислительной сложности вследствие использования алгоритма Motion Compenstaion Time Filtering для устранения временной корреляции соседних кадров видеопоследовательности, что затрудняет его применение в системах сжатия видеоданных, работающих в реальном времени.

Известно устройство «Signal processing method, picture encoding apparatus and picture decoding apparatus» (патент US 2001/0028404 от 11.10.2001) того же назначения, что и предлагаемое, и состоящее из последовательно соединенных блока вейвлет-преобразования (wavelet transform), блока преобразования коэффициентов (coefficient transform) и блока энтропийного кодирования (entropy coding). По функциональному признаку данное устройство принято за прототип.

Недостатки данного устройства заключаются в низкой эффективности сжатия данных вследствие того, что не ставится и не решается задача устранения временной корреляции между соседними кадрами видеопоследовательности.

Сущностью изобретения является устройство эффективной компрессии видеоданных, использующее адаптивное дискретное вейвлет-преобразование во временной области для снижения временной избыточности соседних кадров видеопоследовательности.

Достигаемый технический результат заключается в существенном увеличении коэффициента сжатия за счет применения адаптивного вейвлет-преобразования во временной области и увеличении быстродействия - за счет использования КИХ-фильтров для обработки видеоданных во временной области.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается тем, что к последовательно соединенным блоку двумерного вейвлет-преобразования, блоку квантования коэффициентов преобразования и блоку энтропийного кодирования подсоединен новый элемент - блок временной декорреляции - причем выход блока временной декорреляции является входом блока двумерного вейвлет-преобразования.

Следовательно, устройство удовлетворяет критерию «новизна».

Сравнение с другими техническими решениями показывает, что предлагаемое устройство обладает повышенным коэффициентом сжатия видеоданных, а также пониженными вычислительные затратами.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами:

фиг.1 - Функциональная схема устройства компрессии видеоданных;

фиг.2 - Функциональная схема блока временной декорреляции;

фиг.3 - Схема преобразования последовательности кадров параллельно-последовательным преобразователем;

фиг.4 - Функциональная схема блока, реализующего один уровень вейвлет-преобразования;

фиг.5 - Пространственно-временная структура входных данных;

фиг.6 - Функциональная схема блока определения номера канала с максимальной энергией;

фиг.7 - Функциональная схема блока двумерного вейвлет-преобразования;

фиг.8 - Схема двухуровневого двумерного вейвлет-преобразования входного кадра.

Устройство компрессии видеоданных (фиг.1) состоит из последовательно соединенных блока временной декорреляции 1, блока двумерного вейвлет-преобразования 2, блока квантования коэффициентов преобразования 3 и блока энтропийного кодирования 4.

Устройство компрессии видеоданных работает по принципу устранения пространственно-временной избыточности за счет применения трехмерного вейвлет преобразования, последующего квантования и статистического (энтропийного) кодирования коэффициентов преобразования и работает следующим образом.

На вход устройства компрессии видеоданных поступает последовательность из 16 кадров. В блоке временной декорреляции 1 осуществляется попиксельное адаптивное вейвлет-преобразование вдоль временной оси. На выходе блока временной декорреляции 1 формируется последовательность из 16 кадров, причем концентрация энергии входного сигнала (последовательности кадров) уменьшается с увеличением номера кадра в выходной последовательности. Выходная последовательность кадров блока временной декорреляции 1 поступает на вход блока двумерного вейвлет-преобразования 2, где происходит вычисление двумерного вейвлет-преобразования для каждого кадра в отдельности. Полученные для каждого кадра коэффициенты вейвлет-преобразования поступают в блок квантования коэффициентов преобразования 3. Для кадров, имеющих больший порядковый номер в выходной последовательности блока временной декорреляции 1, квантование осуществляется грубее, чем для кадров, имеющих меньший порядковый номер. Квантованные коэффициенты поступают на вход блока энтропийного кодирования 4, в котором осуществляется сжатие данных на основе их статического распределения.

Блок временной декорреляции 1 (фиг.2) состоит из параллельно-последовательного преобразователя 9 и последовательно соединенных блока первого уровня вейвлет-преобразования 5, блока второго уровня вейвлет-преобразования 6, блока третьего уровня вейвлет-преобразования 7 и блока четвертого уровня вейвлет-преобразования 8, причем первый А и второй В выходы блока четвертого уровня вейвлет-преобразования 8 соединены с первым А и вторым В входами параллельно-последовательного преобразователя соответственно, второй выход В блока третьего уровня вейвлет преобразования - с третьим входом С параллельно-последовательного преобразователя 9, второй выход В блока второго уровня вейвлет-преобразования 6 - с четвертым входом D параллельно-последовательного преобразователя 9, а второй выход В блока первого уровня вейвлет-преобразования 5 - с пятым входом Е параллельно-последовательного преобразователя 9.

Блок временной декорреляции 1 работает следующим образом. На вход блока первого уровня вейвлет-преобразования 5 поступает последовательность из 16 кадров. В блоке первого уровня вейвлет-преобразования 5 осуществляется попиксельная фильтрация входных данных вдоль временной оси. На первый выход А блока первого уровня вейвлет-преобразования 5 выдается последовательность из восьми кадров, содержащая низкочастотные (информативные) детали входной последовательности, а на втором выходе В - последовательность из восьми кадров, содержащая высокочастотные детали. Последовательность кадров, содержащая низкочастотные детали, подается на вход блока второго уровня вейвлет-преобразования 6. Блоки первого 5, второго 6, третьего 7 и четвертого 8 уровней вейвлет-преобразования работают идентичным образом. Полученные посредством вейвлет-преобразования данные поступают на вход параллельно-последовательного преобразователя 9, где они преобразуются в последовательность кадров в соответствии со схемой на фиг.3.

Блоки первого 5, второго 6, третьего 7 и четвертого 8 уровней вейвлет-преобразования идентичны по своей структуре (фиг.4) и состоят из последовательно соединенных низкочастотного вейвлет-фильтра h1 10 и дециматора 11, последовательно соединенных низкочастотного вейвлет-фильтра h2 12 и дециматора 13, последовательно соединенных низкочастотного вейвлет-фильтра h3 14 и дециматора 15, последовательно соединенных низкочастотного вейвлет-фильтра h4 16 и дециматора 17, последовательно соединенных высокочастотного вейвлет-фильтра g1 18 и дециматора 19, последовательно соединенных высокочастотного вейвлет-фильтра g2 20 и дециматора 21, последовательно соединенных высокочастотного вейвлет-фильтра g3 22 и дециматора 23, последовательно соединенных высокочастотного вейвлет-фильтра g4 24 и дециматора 25, последовательно соединенных блока определения номера канала с максимальной энергией 26 и мультиплексора 27, причем выход дециматора 11 соединен с первым входом А блока определения номера канала с максимальной энергией 26 и первым входом данных А1 мультиплексора 27, выход дециматора 13 - со вторым входом В блока определения номера канала с максимальной энергией 26 и вторым входом данных А2 мультиплексора 27, выход дециматора 75 - с третьим входом С блока определения номера канала с максимальной энергией 26 и третьим входом данных A3 мультиплексора 27, выход дециматора 17 - с четвертым входом D блока определения номера канала с максимальной энергией 26 и четвертым входом данных А4 мультиплексора 27, выход дециматора 19 - с пятым входом данных В1 мультиплексора 27, выход дециматора 27 - с шестым входом данных В2 мультиплексора 27, выход дециматора 23 - с седьмым входом данных ВЗ мультиплексора 27, выход дециматора 25 - с восьмым входом данных В4 мультиплексора 27, а входы низкочастотных вейвлет-фильтров h1 10, h2 12, h3 14, h4 16 и высокочастотных вейвлет-фильтров g1 18, g2 20, g3 22, g4 24 совмещены.

Блоки первого 5, второго 6, третьего 7 и четвертого 8 уровней вейвлет-преобразования идентичны и работают следующим образом. На вход вейвлет-фильтров 10, 72, 14, 16, 18, 20, 22, 24 поступает временной ряд компонентов яркости или цветности пикселей, имеющих одинаковое пространственное положение в обрабатываемой последовательности кадров (фиг.5). В низкочастотных вейвлет-фильтрах происходит выделение наиболее информативных составляющих входного сигнала, а в высокочастотных вейвлет-фильтрах - детализирующей информации [1]. Полученные после фильтрации сигналы прореживаются в два раза и подаются на входы мультиплексора 27. Прореженные выходные сигналы низкочастотных вейвлет-фильтров поступают на вход блока определения номера канала с максимальной энергией 26, который генерирует номер низкочастотного вейвлет-фильтра, выходной сигнал которого обладает максимальной энергией, что соответствует лучшей локализации энергии сигнала в низкочастотной области. Номер канала с максимальной энергией подается на вход адреса Adr мультиплексора 27, который пропускает на свои выходы прореженные выходные сигналы пары вейвлет-фильтров h-g, обладающие лучшей локализацией энергии в низкочастотной области. На выходе А мультиплексора 27 генерируется низкочастотный сигнал, а на выходе В - высокочастотный. Таким образом, в блоках первого 5, второго 6, третьего 7, четвертого 8 уровня осуществляется адаптивное вейвлет-преобразование входной последовательности кадров во временной области, сосредотачивающее энергию сигнала в низкочастотной области.

Блок определения номера канала с максимальной энергией 26 (фиг.6) состоит из четырех идентичных каналов 30-34 и селектора номера канала 34, причем выход первого канала 30 соединен с первым входом А, выход второго канала 31 - со вторым входом В, выход третьего канала 32 - с третьим входом С, а выход четвертого канала 33 - с четвертым входом D селектора номера канала 34; вход первого канала 30 совмещен с первым входом А, вход второго канала 31 - со вторым входом В, вход третьего канала 32 - с третьим входом С, вход четвертого канала - с четвертым входом D блока определения номера канала с максимальной энергией 26.

Первый канал 30 состоит из последовательно соединенных блока возведения в квадрат 28 и накапливающего сумматора 29.

Блок определения номера канала с максимальной энергией 26 работает следующим образом. Каналы 30-33 вычисляют оценку энергии входного сигнала и подают ее значение на вход селектора номера канала 34, который выбирает номер канала с максимальным значением оценки энергии. Первый канал 30 реализует вычисление оценки энергии входного сигнала по формуле:

где x[t] - входной сигнал, N - количество отсчетов после децимации выходного сигнала соответствующего низкочастотного вейвлет-фильтра (для первого уровня вейвлет-преобразования N=8, для второго - N=4, для третьего - N=2, для четвертого N=1).

Сброс накапливающего сумматора 29 происходит в момент начала новой последовательности кадров.

Вейвлет-фильтры h1 10, h2 12, h3 14, h4 16, g1 18, g2 20, g3 22, g4 24 являются КИХ-фильтрами и построены в соответствии с прямой структурой нерекурсивных линейных дискретных систем [2]

Низкочастотный вейвлет-фильтр h1 10 имеет вектор коэффициентов:

bh1=[0,01639; -0,04146; -0,06737; 0,38611; 0,81272; 0,41701; -0,07649; -0,05943; 0,02368; 0,00561; -0,00182; -0,00072]T.

Высокочастотный вейвлет-фильтр g1 18 имеет вектор коэффициентов:

bg1=[-0,00072; 0,00182; 0,00561; -0,02368; -0,05943; 0,07649; 0,41701; -0,81272; 0,38611; 0,06737; -0,04146; -0,01б39]T.

Низкочастотный вейвлет-фильтр h2 12 имеет вектор коэффициентов:

bh2=[0,23038; 0,71485; 0,63088; -0,02798; -0,18703; 0,03084; 0,03288;-0,0106]T.

Высокочастотный вейвлет-фильтр g2 20 имеет вектор коэффициентов:

bg2=[-0,0106; -0,03288; 0,03084; 0,18703; -0,02798; -0,63088; 0,71485, -0.23037]T.

Низкочастотный вейвлет-фильтр h3 14 имеет вектор коэффициентов:

bh3=[0,03222; -0,0126; -0,09922; 0,29786; 0,80374; 0,49762; -0,02963; -0,07577]T.

Высокочастотный вейвлет-фильтр g3 22 имеет вектор коэффициентов:

bg3=[-0,07577; 0,02964; 0,49762; -0,80374; 0,29786; 0,09922; -0,0126;-0,03222]T.

Низкочастотный вейвлет-фильтр h4 16 имеет вектор коэффициентов:

bh4=[0,17678; 0,53033; 0,53033; 0,17678]T.

Высокочастотный вейвлет-фильтр g4 24 имеет вектор коэффициентов:

bg4=[-0,01381; -0,04143; 0,05248; 0,26793; -0,07182; -0,96675; 0,96675; 0,07182; -0,26793; -0,05248; 0,041432; 0,01381]T.

Блок двумерного вейвлет-преобразования 2 (фиг.7) состоит из N идентичных последовательно соединенных каскадов дискретного вейвлет-преобразования 27, 28.

Блок двумерного вейвлет-преобразования 2 работает следующим образом. На вход первого каскада дискретного вейвлет-преобразования 27 поступает кадр видеопоследовательности. Каждый каскад дискретного вейвлет-преобразования осуществляет разбиение кадра на высокочастотные и низкочастотные составляющие путем применения одного уровня дискретного вейвлет-преобразования отдельно к строкам и столбцам по следующему алгоритму:

,

,

где k1 - индекс строки,

k2 - индекс столбца,

W - ширина входного изображения,

Н - высота входного изображения,

L - низкочастотная составляющая (НЧ) сигнала,

Н - высокочастотная составляющая (ВЧ) сигнала,

f[k1, k2] - входное изображение,

z[k1, k2] - выходное изображение,

h=[0.01639; -0,04146; -0,06737; 0,38611; 0,81272; 0,41701; -0,07649; -0,05943; 0,02368; 0,00561; -0,00182; -0,00072]T,

g=[-0,00072; 0,00182; 0,00561; -0,02368; -0,05943; 0,07649; 0,41701; -0,81272; 0,38611; 0,06737; -0,04146; -0,01639]T,

Nh=Ng=12.

На вход следующего каскада дискретного вейвлет-преобразования поступает низкочастотная составляющая выходного сигнала предыдущего каскада, т.е. данные с индексами:

Количество каскадов N дискретного вейвлет-преобразования находится из ограничения:

где Н0 - высота входного кадра, W0 - ширина входного кадра.

Блок квантования коэффициентов преобразования 3 может быть реализован с использованием известного алгоритма векторного квантования коэффициентов вейвлет-преобразования, описанного в [3].

Блок энтропийного кодирования 4 может быть реализован с использованием известного целочисленного алгоритма арифметического сжатия, описанного в [4].

Предлагаемое устройство позволяет эффективно сжимать видеоданные за счет снижения пространственно-временной избыточности данных и обладает низкой вычислительной сложностью благодаря применению КИХ-фильтров для фильтрации видеоданных во временной области и, следовательно, может быть применено в системах кодирования видеоданных, работающих в реальном масштабе времени.

Источники информации

1. В.И.Воробьев, В.Г.Грибунин. Теория и практика вейвлет-преобразования. - СПб: ВУС. 1999, с.44.

2. А.И.Солонина, Д.А.Улахович, С.М.Арбузов, Е.Б.Соловьева. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций. Изд. 2-е испр. и перераб. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - С.155-156.

3. Seung-Kwon P., Lee-Sup К.. A Real-Time Wavelet Vector Quantization Algorithm and Its VLSI Architecture. IEEE transactions on circuits and systems for video technology, vol.10, №3, april 2000.

4. P.G.Howard, J.S.Vitter. Practical Implementations of Arithmetic Coding. Brown University, Department of Computer Science, Technical Report No. 92-18, Revised version, April 1992.

Устройство компрессии видеоданных, состоящее из блока временной декорреляции и последовательно соединенных блока двумерного вейвлет-преобразования, блока квантования коэффициентов преобразования и блока энтропийного кодирования, отличающееся тем, что к последовательно соединенным блоку двумерного вейвлет-преобразования, блоку квантования коэффициентов преобразования и блоку энтропийного кодирования подсоединен блок временной декорреляции, причем выход блока временной декорреляции является входом блока двумерного вейвлет-преобразования, а блок временной декорреляции состоит из параллельно-последовательного преобразователя и последовательно соединенных блока первого уровня вейвлет-преобразования, блока второго уровня вейвлет-преобразования, блока третьего уровня вейвлет-преобразования и блока четвертого уровня вейвлет-преобразования, причем первый и второй выходы блока четвертого уровня вейвлет-преобразования соединены с первым и вторым входами параллельно-последовательного преобразователя соответственно, второй выход блока третьего уровня вейвлет преобразования - с третьим входом параллельно-последовательного преобразователя, второй выход блока второго уровня вейвлет-преобразования - с четвертым входом параллельно-последовательного преобразователя, а второй выход блока первого уровня вейвлет-преобразования - с пятым входом параллельно-последовательного преобразователя, причем блоки первого, второго, третьего, четвертого уровня вейвлет-преобразования являются адаптивными.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам масштабируемого кодирования и декодирования видеосигналов и, в частности, к способам, которые кодируют и декодируют слой повышения качества, получая информацию о движении из базового слоя.

Изобретение относится к обработке видео, в частности к кодированию и декодированию информации, относящейся к методикам видеосжатия. .

Изобретение относится к кодированию изображений и видео. .

Изобретение относится к системам сжатия аудиовизуальных данных, и в частности к основанному на блочном преобразовании сжатию видео и изображений. .

Изобретение относится к сжатию цифрового мультимедиа с помощью преобразования с перекрытием. .

Изобретение относится к области цифровой обработки видеоинформации, а именно к способам кодирования и декодирования изображений, и предназначено для проектирования систем кодирования и декодирования на основе трехмерного дискретного косинусного преобразования видеоданных.

Изобретение относится к области электросвязи, а именно к методам обработки данных с сокращением избыточности передаваемой информации. .

Изобретение относится к системам сжатия видео и, в частности, к фильтру устранения блочности. .

Изобретение относится к системам сжатия видео, и, в частности, к фильтру устранения блочности, используемому в декодере многослойного видео. .

Изобретение относится к способам снижения визуальных искажений в кадре цифрового видеосигнала. .

Изобретение относится к устройству кодирования/декодирования данных изображения. .

Изобретение относится к области цифровой обработки видеоинформации, а именно к способам кодирования и декодирования изображений, и предназначено для проектирования систем кодирования и декодирования на основе трехмерного дискретного косинусного преобразования видеоданных.

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к области выполнения прямого дискретного вейвлет преобразования в системах компрессии видеоданных. .

Изобретение относится к способу имитации зернистости пленки при последующем декодировании закодированных изображений. .

Изобретение относится к технологии имитации зерна пленки в изображении. .

Изобретение относится к технологии моделирования зернистых структур пленки в частотной области. .

Изобретение относится к области телевидения и цифровой обработки видеоинформации, а именно к способам декодирования сжатых видеоданных, и предназначено для проектирования систем декодирования на основе трехмерного дискретного косинусного преобразования (ДКП-3D) видеоданных

Изобретение относится к области электросвязи, а именно к способам сжатия видеоизображений и передачи по цифровым каналам связи

Изобретение относится к технике передачи телевизионных сигналов с использованием кодирования
Наверх