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圖像塊平坦測(cè)度與系數(shù)掃描方式選擇
圖像塊平坦測(cè)度與系數(shù)掃描方式選擇 山東大學(xué)電子工程系 陳默 李維釗摘要：本文介紹了圖像塊平坦測(cè)度的概念，提出圖像的水平測(cè)度和垂直測(cè)度，并在此基礎(chǔ)上提出了簡單有效的掃描方式選擇策略。
關(guān)鍵詞：圖像塊 平坦測(cè)度 掃描模式 H.263
1． 問題的提出
在眾多的圖像編碼建議中，如H.261/H.263幀內(nèi)圖像編碼都需要通過DCT變換，將圖象從空間的表達(dá)式/空間域轉(zhuǎn)化為頻譜表達(dá)式/頻率域。這樣變換后，只需要少量的數(shù)據(jù)點(diǎn)就可以表示圖象。并且DCT產(chǎn)生的系數(shù)很容易被量化，可獲得好的塊壓縮。在量化后，圖像矩陣中的大多數(shù)DCT系數(shù)都被截取為零值。在這些圖像塊的DCT系數(shù)的游程編碼前，一般都要按一定并且可選的方式對(duì)系數(shù)進(jìn)行重新排列，排列的目的是增加游程編碼的效率，使得盡可能多的零相連。在H.263建議中，在高級(jí)幀內(nèi)編碼模式中給出了一些指導(dǎo)性的建議和掃描的順序，但是建議本身并不提供如何實(shí)際地選擇系數(shù)掃描模式。而且是不是只有在高級(jí)幀內(nèi)編碼模式中才能應(yīng)用多種掃描模式，建議并未指明。
本人在實(shí)際的視頻壓縮編碼研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，掃描方式的選擇與圖像的平坦測(cè)度有直接的關(guān)系，并且通過平坦測(cè)度測(cè)定和圖像塊方差可以簡單地確定系數(shù)掃描方式。并且正確選擇率較高。同時(shí)把這一掃描模式選擇推廣到任何幀內(nèi)編碼宏塊。
2． 塊的平坦測(cè)度
塊的平坦測(cè)度（Flatness measurement）指塊的像素在水平和垂直兩個(gè)方向上的綜合分布特點(diǎn)。假定塊的大小為 大小。塊的平坦測(cè)度定義如下：
其中和分別是塊的垂直和水平平坦測(cè)度，a、b是比例因子，它們的作用是調(diào)節(jié)水平和垂直平坦測(cè)度以獲得子塊的綜合平坦測(cè)度。一般,和分別定義如下：
其中：和定義如下：
其中FM（）為相鄰像素平坦測(cè)度函數(shù)，定義如下：
T是控制閾值，控制閾值的確定由人類視覺系統(tǒng)對(duì)于像素亮度變化的敏感度決定。一般而言，閾值可以由實(shí)驗(yàn)的出。對(duì)于控制閾值的選擇是獲得優(yōu)良編碼性能的關(guān)鍵，控制閾值的選擇依賴于圖像塊本身的起伏特性,圖像的起伏特性可以由圖像像素的方差表征。如果圖像的像素的方差較大，則閾值也要較大，否則，方差較小，閾值也小。方差的計(jì)算可以由下式完成：
其中：
在實(shí)際計(jì)算時(shí)可以簡化為：
得到方差后就可以用實(shí)驗(yàn)的方法獲得控制閾值T，本人在實(shí)驗(yàn)中得到的經(jīng)驗(yàn)公式為：
另外控制閾值與量化參數(shù)也有一定的關(guān)系，直觀的分析表明，控制閾值大，子塊的平坦度小，控制閾值小，子塊的平坦度大，，因?yàn)榭刂崎撝蹬c圖像的方差為線性關(guān)系。通過對(duì)HVS(Human Visual System)的分析，HVS對(duì)平坦區(qū)域比對(duì)非平坦區(qū)域更加敏感，因此如果一個(gè)塊的平坦測(cè)度較大，就要采用精細(xì)量化，反之則采用粗糙量化。通過平坦度和控制閾值的關(guān)系我們可以調(diào)整量化參數(shù)，從而有效地分配碼位，達(dá)到較好的圖像質(zhì)量。
3． 系數(shù)掃描方式的選擇策略
可以通過測(cè)度圖像塊的平坦測(cè)度來決定對(duì)于子塊的掃描方式。在H.263標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)幀內(nèi)編碼方式中有三種掃描方式：ZigZag Scan（暫且稱之為Z形掃描）、Alternate-Horizontal Scan(稱之為輪流水平掃描) 和Alternate-Vertical Scan(稱之為輪流垂直掃描)。但是我們可以把這種做法推廣到一般的編碼塊中。一般而言，對(duì)于原始圖像塊采用這種掃描選擇策略獲得的較好的編碼性能，而幀差信號(hào)的分布隨機(jī)性較大，一般適合Z形掃描。當(dāng)然，如果采用也可以在一定程度上提高編碼效率。
Z形掃描 子塊中所有頻率分量都比較均勻，這種情況適合Z形掃描。掃描路徑見圖1。
輪流水平掃描 如果塊中包含較強(qiáng)的水平頻率分布，也就是非零DCT系數(shù)主要集中垂直方向的低頻部分。表現(xiàn)在像素亮度上則是塊在垂直方向上較為平坦。掃描路徑見圖2。
輪流垂直掃描 如果子塊中包含較強(qiáng)的垂直頻率分布，也就是非零DCT系數(shù)主要集中水平方向的低頻部分。表現(xiàn)在像素亮度上則是塊在水平方向上較為平坦。掃描路徑見圖3。
具體確定掃描方式的策略如下：
1） 如果水平平坦測(cè)度和垂直平坦測(cè)度之差小于DIST，采用ZigZag掃描。否則轉(zhuǎn)2。之所以采取這種方案是因?yàn)閹缀跻话胍陨系膱D像塊適合ZigZag掃描。
2） 如果水平平坦測(cè)度和垂直平坦測(cè)度之差大于等于DIST，則選擇較小的平坦測(cè)度作為掃描的方式。例如，水平測(cè)度小于垂直測(cè)度，就選擇水平掃描方式。
DIST稱為測(cè)度失真，它表征在平坦度測(cè)定過程中可能出現(xiàn)的誤差。這里有個(gè)問題就是如何確定DIST，DIST一般在通過實(shí)驗(yàn)得到，量化參數(shù)和圖像方差
決定它的取值，其值一般在[5，9]中間取值。通過DIST的選取能明顯提高掃描模式的選擇的正確率。DIST值取得大，有利于ZigZag掃描的正確選擇，而DIST取值小，有利于另外兩種掃描的正確選擇。
以上對(duì)于DIST的選擇是靜態(tài)的。另外，可以設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)，，其中是圖像的垂直和水平平坦測(cè)度，是圖像的方差，Q是圖像的量化參數(shù)。
由于平坦程度的測(cè)定比較粗糙，控制閾值的確定也只是從統(tǒng)計(jì)意義上得出，因此通過上述方法得到的掃描模式不可能保證總是效率最好的編碼，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)相反的情況，但是將上述方法應(yīng)用于幀內(nèi)編碼宏塊時(shí)命中率一般大于65%。
方差的計(jì)算量較大，難以在實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用。但是考慮到原始圖像的連續(xù)性可以計(jì)算宏塊的方差，在實(shí)際操作時(shí)只抽取部分像素作為樣本，從而減少算量。例如可以采用下圖的方法在計(jì)算圖像的方差是可以采取隔行列，這樣獲得方差計(jì)算量可以減少到1/4，計(jì)算出的方差用于四個(gè)子塊的平坦度測(cè)定。通過對(duì)方差以及平坦測(cè)度的計(jì)算可以明顯看出其算法規(guī)律性強(qiáng)，適合于利用MMX技術(shù)指令實(shí)現(xiàn)，從而大大提高速度。
一般將平坦度測(cè)定用于幀內(nèi)編碼的圖像宏塊中，而在幀間編碼的宏塊中統(tǒng)一采用ZigZag掃描，因?yàn)椋瑤g編碼圖像宏塊像素分布隨機(jī)性大，采用其他兩種類型的掃描策略編碼效果不明顯，并且采用上述掃描方式選擇方法命中率較低，而復(fù)雜的選擇策略顯著影響編碼速度。
通過對(duì)6000幀圖像中所有的I宏塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到下表
方法平均位數(shù)（Bit） 單純Z形掃描 18.97 平坦測(cè)度選擇掃描 16.63 掃描方式對(duì)編碼性能的影響4． 總結(jié)
通過平坦測(cè)度來選擇掃描模式具有簡單、有效和可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，便于在實(shí)際應(yīng)用中采用。
參考文獻(xiàn)：
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