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摘要: 在视频通信中，视频编码技术不但要有高的编码效率而且其生成的码流要有多种可伸缩性。在此研究领域，涌现出许多新的编码思想和技术，其中基于小波变换的视频编码算法就是很有发展前景的技术之一。本文对小波变换视频编码算法进行分类研究，对比分析算法各自的优缺点，指出小波视频编码算法的研究方向。
关键字:三维小波变换, 视频编码, 可伸缩性，运动估计
中图法分类号:TP391.41
A Study of Video Coding Based on Wavelet Transform
Jia Dong-Shun Zhang Zheng-Bing Deng Hui-Ping
（Electron &Information College of Yangtze University ,Jingzhou Hubei 434023 )
Abstract： In video communication,video coding technology demand not only more higher coding efficiency but also many kinds of scalablities.In this study area,there are a lot of new coding thought and technology,in which wavelet-based video coding algorithm is the one of technology with development prospects. In this paper,different kinds of these algorithms are studied and advantagement and disadvantagement of each kind of algorithm.Then ,point out the research direction.of video coding based on wavelet transform.
Keywords: 3-D wavelet transform, video coding,scalablity ,motion estimation
引言
由于小波变换在空间（时间）和频率域上具有局部分析能力，这是DCT所不具备的，因此基于小波变换的图象编码的算法研究进行地如火如荼。目前基于小波变换的静态图象压缩算法已经被JPEG2000所采纳，这也是小波变换优于DCT的一个佐证。基于小波变换的视频图象压缩的算法很多，该领域的研究也是十分火热。因此研究基于小波变换的视频图象编码算法就非常有意义。
小波视频图象编码
小波视频图象编码算法大体上可以分为三类：空间域运动补偿的小波方法(MC-DWT)、基于变换域运动补偿的小波视频编码(DWT—MC)、三维小波视频编码(3DWC)。
空间域运动补偿的小波方法(MC-DWT)
MC-DWT算法在空间域进行运动估计和运动补偿，对残差图象以及帧内编码采用小波变换进行编码。MC-DWT算法在结构上与当前流行标准中所使用的视频编码方法是很相似的，在运动估计，运动补偿，运动矢量的处理上是基本相同的；不同之处在于MC-DWT算法用小波变换代替了DCT变换，在对残差信号编码时采用的是针对小波系数的统计特性专门设计的编码算法。MC-DWT算法的编码框图如图1[1]所示。
由于运动补偿后的残差图象不同于传统的自然图象，若采用一般图象的小变换编码不能显著地提高压缩效率。这种方法的另一个缺点是预测误差帧中存在明显的块边界，这对DCT变换编码来说影响不是很大，因为DCT变换是以块为基础的，而且变换块与运动估计，补偿块是对齐的，但对小波变换编码来说却是致命的，因为DWT是对整个帧进行的，这些块边界将被认为是帧的细节，于是高频子带将存在很多非零系数，对这些系数的编码不仅增加了码率，而且会增加失真。对此的一个解决方法是使用重叠块运动补偿[2]（OBMC）。OBMC可以很好地克服残差帧中的块效应。通过重叠块运动补偿后的残差趋向平滑，使之适于小波变换编码。
基于变换域运动补偿的小波视频编码(DWT—MC)
DWT-MC算法首先对图象进行小波变换，在变换域中进行帧间运动估计和
运动补偿，对残差信号再进行编码，其原理框图如图2所示。
由于小波分解内在的多分辨特性，使得在小波域中很容易地进行多分辨运动估计和运动补偿。同传统的空间域运动估计相比节省大量的搜索时间。多分辨率运动估计(MRME)[3]最初是由Zhang等人提出的，并成功地将MRME算法应用于视频压缩中。但是不幸的是由于小波变换不具有空间不变性，这使得在小波域内无法达到精确地估计而导致大量的补偿误差。实验证明Zhang的算法只适应于中高比特率的视频压缩，在低码率条件下的压缩性能不佳。
三维小波视频编码(3DWC)
在视频编码应用研究中，三维小波视频编码当前的研究热点之一，这不仅是因为具有局部时频特性的小波基更能捕捉视频图象的非平稳信息，可以获得更高的压缩比编码，更重要的是三维小波分解所提供的多分辨数据结构为支持可伸缩编码提供了一个良好条件。这正是计算机网络和无线网络中视频应用所需要的。所谓的伸缩性是指改变一个已压缩码流的分辨率和或码率以满足在视频压缩时不能预见的要求的能力，伸缩性包括空间分辨率可伸缩、时间分辨率可伸缩、码率/信噪比(SNR)可伸缩、解码复杂可伸缩等以及它们的组合。
三维小波编码可以看作是二维小波编码在三维空间中的一个推广。根据去除时间冗余方式的不同，可以将三维小波视频编码方法分为不含运动估计补偿和包含运动估计补偿的三维小波视频编码两类。
不含运动估计补偿三维小波视频编码算法
这类方法采用时间轴方向的一维小波变换技术去除时间冗余信息，而不采用运动估计补偿技术。与 MPEG 中的帧组(GOP, Group Of Pictures)概念相同，把连续 16 帧输入图像作为一个图像组。一个 GOP 中的各帧处于同一位置处的各个像素点构成了一个一维序列，然后进行一维帧间小波变换；再对分解后得到的高频子帧和低频子帧进行空间域的二维小波分解，这种帧间一维变换和帧内二维变换构成了三维小波变换。由于不对输入图像进行分块处理，因此重建图像没有块效应。图 3 所示的是这种三维小波变换的示意图。
包含运动估计补偿的三维小波视频编码算法
包含运动估计补偿的三维小波视频编码方法（又称为帧间小波编码方法）将运动补偿技术和时间一维变换结合起来，同时采用运动估计补偿和时域一维小波分解两种技术去除时间冗余信息，因此可以获得非常好的性能。含运动估计补偿的3-D小波视频编码框图见下图4。
对于视频编码，一般采取帧间运动估计运动补偿和帧内小波变换相结合的方法，只要在静止图象编码基础之上考虑运动补偿和内插就可以实现动态图象的编码。因为对于视频序列来说，相邻两幅图象之间的变化很小，只需对两幅图象的差值进行编码，在解码后与第一幅图象叠加便可得到后一幅的图象。同时，由于运动估计的计算复杂度太大、耗时太多，多数运动估计算法是在减少时间相关性、空间相关性和单调陷落性等方面上作研究。
结语
空间域运动补偿的小波方法(MC-DWT)，由于在空域上进行运动补偿的缺点在于运动矢量的可伸缩处理影响空域可伸编码的压缩效率。
基于变换域运动补偿的小波视频编码(DWT—MC)算法，由于在频域上进行运动补偿则因为将完备小波系数转为完备变换系数而增加计算复杂度。
不含运动估计补偿的三维小波变换可以避免运动补偿而提供完全可伸缩性，研究结果表明，对于运动平缓的序列，在相同码率条件下，该方法的解码质量比 MPEG-2 好。但是对于运动剧烈的序列来说，因为没有经过运动估计补偿，直接沿时间轴方向进行小波分解，不能很好去除时间冗余，所以得到的重建图像质量会大大下降，即编码效率却远不及前述方法。
含运动补偿三维小波可扩展视频编码方法具有良好的发展前景，受到人们的广泛关注。由于能够充分去除时域冗余信息，这种方法在相同编码条件下，可以获得比传统的非可扩展编码方法更优的编码性能，同时小波变换的多分辨率特性能够提供多种可扩展方式。这类方法是小波视频编码的研究重点。
关键字:三维小波变换, 视频编码, 可伸缩性，运动估计
中图法分类号:TP391.41
A Study of Video Coding Based on Wavelet Transform
Jia Dong-Shun Zhang Zheng-Bing Deng Hui-Ping
（Electron &Information College of Yangtze University ,Jingzhou Hubei 434023 )
Abstract： In video communication,video coding technology demand not only more higher coding efficiency but also many kinds of scalablities.In this study area,there are a lot of new coding thought and technology,in which wavelet-based video coding algorithm is the one of technology with development prospects. In this paper,different kinds of these algorithms are studied and advantagement and disadvantagement of each kind of algorithm.Then ,point out the research direction.of video coding based on wavelet transform.
Keywords: 3-D wavelet transform, video coding,scalablity ,motion estimation
引言
由于小波变换在空间（时间）和频率域上具有局部分析能力，这是DCT所不具备的，因此基于小波变换的图象编码的算法研究进行地如火如荼。目前基于小波变换的静态图象压缩算法已经被JPEG2000所采纳，这也是小波变换优于DCT的一个佐证。基于小波变换的视频图象压缩的算法很多，该领域的研究也是十分火热。因此研究基于小波变换的视频图象编码算法就非常有意义。
小波视频图象编码
小波视频图象编码算法大体上可以分为三类：空间域运动补偿的小波方法(MC-DWT)、基于变换域运动补偿的小波视频编码(DWT—MC)、三维小波视频编码(3DWC)。
空间域运动补偿的小波方法(MC-DWT)
MC-DWT算法在空间域进行运动估计和运动补偿，对残差图象以及帧内编码采用小波变换进行编码。MC-DWT算法在结构上与当前流行标准中所使用的视频编码方法是很相似的，在运动估计，运动补偿，运动矢量的处理上是基本相同的；不同之处在于MC-DWT算法用小波变换代替了DCT变换，在对残差信号编码时采用的是针对小波系数的统计特性专门设计的编码算法。MC-DWT算法的编码框图如图1[1]所示。
由于运动补偿后的残差图象不同于传统的自然图象，若采用一般图象的小变换编码不能显著地提高压缩效率。这种方法的另一个缺点是预测误差帧中存在明显的块边界，这对DCT变换编码来说影响不是很大，因为DCT变换是以块为基础的，而且变换块与运动估计，补偿块是对齐的，但对小波变换编码来说却是致命的，因为DWT是对整个帧进行的，这些块边界将被认为是帧的细节，于是高频子带将存在很多非零系数，对这些系数的编码不仅增加了码率，而且会增加失真。对此的一个解决方法是使用重叠块运动补偿[2]（OBMC）。OBMC可以很好地克服残差帧中的块效应。通过重叠块运动补偿后的残差趋向平滑，使之适于小波变换编码。
基于变换域运动补偿的小波视频编码(DWT—MC)
DWT-MC算法首先对图象进行小波变换，在变换域中进行帧间运动估计和
运动补偿，对残差信号再进行编码，其原理框图如图2所示。
由于小波分解内在的多分辨特性，使得在小波域中很容易地进行多分辨运动估计和运动补偿。同传统的空间域运动估计相比节省大量的搜索时间。多分辨率运动估计(MRME)[3]最初是由Zhang等人提出的，并成功地将MRME算法应用于视频压缩中。但是不幸的是由于小波变换不具有空间不变性，这使得在小波域内无法达到精确地估计而导致大量的补偿误差。实验证明Zhang的算法只适应于中高比特率的视频压缩，在低码率条件下的压缩性能不佳。
三维小波视频编码(3DWC)
在视频编码应用研究中，三维小波视频编码当前的研究热点之一，这不仅是因为具有局部时频特性的小波基更能捕捉视频图象的非平稳信息，可以获得更高的压缩比编码，更重要的是三维小波分解所提供的多分辨数据结构为支持可伸缩编码提供了一个良好条件。这正是计算机网络和无线网络中视频应用所需要的。所谓的伸缩性是指改变一个已压缩码流的分辨率和或码率以满足在视频压缩时不能预见的要求的能力，伸缩性包括空间分辨率可伸缩、时间分辨率可伸缩、码率/信噪比(SNR)可伸缩、解码复杂可伸缩等以及它们的组合。
三维小波编码可以看作是二维小波编码在三维空间中的一个推广。根据去除时间冗余方式的不同，可以将三维小波视频编码方法分为不含运动估计补偿和包含运动估计补偿的三维小波视频编码两类。
不含运动估计补偿三维小波视频编码算法
这类方法采用时间轴方向的一维小波变换技术去除时间冗余信息，而不采用运动估计补偿技术。与 MPEG 中的帧组(GOP, Group Of Pictures)概念相同，把连续 16 帧输入图像作为一个图像组。一个 GOP 中的各帧处于同一位置处的各个像素点构成了一个一维序列，然后进行一维帧间小波变换；再对分解后得到的高频子帧和低频子帧进行空间域的二维小波分解，这种帧间一维变换和帧内二维变换构成了三维小波变换。由于不对输入图像进行分块处理，因此重建图像没有块效应。图 3 所示的是这种三维小波变换的示意图。
包含运动估计补偿的三维小波视频编码算法
包含运动估计补偿的三维小波视频编码方法（又称为帧间小波编码方法）将运动补偿技术和时间一维变换结合起来，同时采用运动估计补偿和时域一维小波分解两种技术去除时间冗余信息，因此可以获得非常好的性能。含运动估计补偿的3-D小波视频编码框图见下图4。
对于视频编码，一般采取帧间运动估计运动补偿和帧内小波变换相结合的方法，只要在静止图象编码基础之上考虑运动补偿和内插就可以实现动态图象的编码。因为对于视频序列来说，相邻两幅图象之间的变化很小，只需对两幅图象的差值进行编码，在解码后与第一幅图象叠加便可得到后一幅的图象。同时，由于运动估计的计算复杂度太大、耗时太多，多数运动估计算法是在减少时间相关性、空间相关性和单调陷落性等方面上作研究。
结语
空间域运动补偿的小波方法(MC-DWT)，由于在空域上进行运动补偿的缺点在于运动矢量的可伸缩处理影响空域可伸编码的压缩效率。
基于变换域运动补偿的小波视频编码(DWT—MC)算法，由于在频域上进行运动补偿则因为将完备小波系数转为完备变换系数而增加计算复杂度。
不含运动估计补偿的三维小波变换可以避免运动补偿而提供完全可伸缩性，研究结果表明，对于运动平缓的序列，在相同码率条件下，该方法的解码质量比 MPEG-2 好。但是对于运动剧烈的序列来说，因为没有经过运动估计补偿，直接沿时间轴方向进行小波分解，不能很好去除时间冗余，所以得到的重建图像质量会大大下降，即编码效率却远不及前述方法。
含运动补偿三维小波可扩展视频编码方法具有良好的发展前景，受到人们的广泛关注。由于能够充分去除时域冗余信息，这种方法在相同编码条件下，可以获得比传统的非可扩展编码方法更优的编码性能，同时小波变换的多分辨率特性能够提供多种可扩展方式。这类方法是小波视频编码的研究重点。
