基于動(dòng)態(tài)跳幀和運(yùn)動(dòng)矢量修正的視頻轉(zhuǎn)換編碼方法研究

孫雪紅

（陜西中醫(yī)藥大學(xué)陜西咸陽 712046）

隨著時(shí)代的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)以及各種新型的通信技術(shù)、終端類型不斷的涌現(xiàn)出來。隨之而來便是大量具備不同性能客戶機(jī)的出現(xiàn)，包括手機(jī)和平板電腦等[1]。例如，在體育領(lǐng)域，隨著4G移動(dòng)通訊技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，手機(jī)應(yīng)用逐漸發(fā)展到現(xiàn)在更容易被用戶所吸取和接受的視頻形式。一些網(wǎng)絡(luò)體育頻道還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的手機(jī)客戶端，越來越多的人們開始選擇利用手機(jī)對(duì)各種體育相關(guān)的比賽視頻進(jìn)行觀看。受到人們實(shí)際需求的影響，為了更好的對(duì)各種資源進(jìn)行共享，相關(guān)的客戶機(jī)需要能夠通過無線的方式與Internet進(jìn)行連接，但是，從帶寬角度進(jìn)行分析，Internet與無線網(wǎng)絡(luò)之間存在十分明顯的差異。在相應(yīng)的傳輸碼率方面，也存在較大的區(qū)別。

1 基于降低時(shí)間分辨率模型的運(yùn)動(dòng)估值分析

針對(duì)Internet與無線網(wǎng)絡(luò)之間在傳輸碼率方面存在較大區(qū)別這一情況，為了實(shí)現(xiàn)順利的連接和資源共享，還需要在Internet和客戶機(jī)之間設(shè)置一定的代理轉(zhuǎn)換器[2]。

圖1 在不同的客戶機(jī)和Intemet服務(wù)器之間的代理服務(wù)器

進(jìn)行視頻編碼轉(zhuǎn)化的時(shí)候，借助一定的代理轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同編碼的有效轉(zhuǎn)換。通常情況下，利用一定的轉(zhuǎn)換編碼器，可以結(jié)合人們的視覺需求，對(duì)一定的視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。視頻編碼轉(zhuǎn)換流程如圖2所示，由圖2可以了解到，在進(jìn)行視頻編碼轉(zhuǎn)化的時(shí)候，首先需要借助一定的前端編碼器，對(duì)一定的源視頻流進(jìn)行處理。之后，利用一定的視頻編碼轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)換后的視頻流予以輸出，最終被一定的接收端解碼器所接收。因此，從本質(zhì)角度進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)換編碼指的是一種將已被編碼的信號(hào)向另一種編碼信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程[3]。

圖2 視頻編碼轉(zhuǎn)換流程示意圖

由于終端接收設(shè)備具有多樣性，實(shí)時(shí)處理能力及顯示器的分辨率受到一定的限制，當(dāng)終端接收高分辨率的視頻時(shí)，就需要降低視頻的分辨率，以適應(yīng)終端的要求[4]。此外，有時(shí)僅僅增大量化步長無法滿足降低比特率的需要，通過降低視頻的分辨率，能夠達(dá)到降低比特率的目的。

圖3 降低視頻分辨率的轉(zhuǎn)換編碼流程示意圖

視頻圖像存在很強(qiáng)的相關(guān)性，且視頻數(shù)據(jù)中存在著數(shù)量巨大的冗余信息。是以會(huì)議電視標(biāo)準(zhǔn)圖像序列為例，在某連續(xù)三幀圖像中，在相鄰幀間差值的平均值，高于一定域值的像素?cái)?shù)在整幅圖像像素總數(shù)中占據(jù)了很大的比例（見表1）[5]。因此，需要對(duì)視頻進(jìn)行一定的壓縮處理。

表1 幀間差值高于一定閾值的像素?cái)?shù)目在圖像像素總數(shù)所占比例統(tǒng)計(jì)

但是，不同的視頻在壓縮方面所參照的標(biāo)準(zhǔn)不同，對(duì)于一些視頻，在進(jìn)行壓縮的時(shí)候所使用的標(biāo)準(zhǔn)比特流相對(duì)較低。這對(duì)這些視頻，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換編碼的過程中，往往需要進(jìn)行一定的跳幀，進(jìn)而對(duì)所產(chǎn)生的碼流予以有效的控制，將其控制在不超過信道帶寬的范圍之內(nèi)[6]。但是，在具體的跳幀過程中，大多數(shù)情況下，為獲得理想的跳幀效果，需要對(duì)視頻幀予以完全的解壓縮處理。這一情況下，便需要對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量予以重新的運(yùn)動(dòng)估值。但是，在重新估值之后，會(huì)直接影響到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換編碼工作的開展。以降低時(shí)間分辨率模型為例，具體的操作過程中，需要集合不同相鄰幀之間的具體運(yùn)動(dòng)矢量情況來對(duì)當(dāng)前幀以及先前非跳幀之間的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行相應(yīng)的估算[7]。具體的估算過程中，如果按照重新對(duì)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量實(shí)施匹配搜索的方式來予以實(shí)現(xiàn)，則會(huì)導(dǎo)致極大的計(jì)算量，嚴(yán)重影響到操作效率和操作進(jìn)度。針對(duì)上述問題，還需要對(duì)原碼流中的各種有用信息予以全面的分析和有效利用，以切實(shí)提高碼率轉(zhuǎn)換的效率，并最大程度降低實(shí)際計(jì)算量[8]。具體進(jìn)行降低時(shí)間分辨率轉(zhuǎn)換編碼的時(shí)候，可能需要結(jié)合實(shí)際情況和操作需求，排除當(dāng)前幀中宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量所指向的參考幀。相應(yīng)的參考幀便無法被直接利用，為解決這一問題，便需要借助一定的方法對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量予以合成[9]。當(dāng)前，在具體的合成過程中可選擇結(jié)合實(shí)際情況使用不同的方法，目前應(yīng)用較多的主要為3種方法，即前向向量法和前向主向量選擇法（FDVS）以及雙線性內(nèi)插法。

在實(shí)際的視頻轉(zhuǎn)換過程中，針對(duì)一個(gè)實(shí)際的圖像序列，在一定的情況不需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償操作。這一過程中，可選擇應(yīng)用前向向量法[10]。例如，如果經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的相鄰視頻幀中有50%～70%以上的宏塊在編碼時(shí)，存在較大運(yùn)動(dòng)的可能性較大，則可以不進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。在這一情況下，便可以對(duì)前一幀中相同宏塊的輸入運(yùn)動(dòng)矢量予以直接選用，繼而合成新的運(yùn)動(dòng)矢量。

2 降低時(shí)間分辨率模型下的動(dòng)態(tài)跳幀與動(dòng)態(tài)修正運(yùn)動(dòng)矢量

跳幀數(shù)與解碼序列的平滑程度之間存在著十分密切的聯(lián)系，通過合理的對(duì)跳幀數(shù)進(jìn)行控制，可以獲得較為平滑的解碼序列。為達(dá)到這一效果，可選擇按照一種動(dòng)態(tài)的跳幀機(jī)制來對(duì)跳幀數(shù)進(jìn)行合理的控制。在實(shí)際生活中，不同的視頻在幀與幀之間的運(yùn)動(dòng)情況方面存在極大的差異[11]。但是，這些幀與幀之間在相互間運(yùn)動(dòng)矢量方面是確定和已知的。為此，在進(jìn)行分析的時(shí)候，可以結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置一個(gè)明確的閾值。在不同的閾值情況下，相應(yīng)的視頻序列中丟幀的情況也各不相同。以該閾值為參照依據(jù)，對(duì)視頻中不同的幀進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)最大累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行計(jì)算。以動(dòng)態(tài)跳幀機(jī)制相關(guān)原理進(jìn)行分析，對(duì)于相鄰的兩個(gè)編碼幀而言，相互之間的跳幀數(shù)目處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)。在對(duì)需要重建的幀進(jìn)行分析，并注意以跳幀數(shù)為參考依據(jù)，進(jìn)而對(duì)需要重建的幀進(jìn)行分析，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)矢量修正的搜索范圍進(jìn)行明確[12]。

算法實(shí)現(xiàn)過程一共分為兩個(gè)步驟：

1）第一步：確定第一個(gè)編碼幀，將其設(shè)定為非跳視頻幀。之后，對(duì)該非跳幀下一幀，即第二幀到該幀的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行計(jì)算，并將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。如果計(jì)算和比較結(jié)果顯示，累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量高于閾值，則對(duì)第二幀進(jìn)行編碼操作。之后，再次進(jìn)行非跳幀選擇，以第二幀作為非跳幀繼續(xù)進(jìn)行下一幀的計(jì)算操作[13]。重復(fù)上述操作，將計(jì)算結(jié)果與閾值進(jìn)行和判定。

2）第二步：如果經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)所得出的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量高于閾值，則需要將第二幀排除在外。之后，選擇以第三幀為計(jì)算對(duì)象，對(duì)其到第一編碼幀的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量實(shí)施計(jì)算。分析相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，如果得出的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量依然低于閾值，則需要對(duì)上述操作予以再次重復(fù)，按照上述相同的步驟對(duì)第四幀進(jìn)行計(jì)算。之后，再次對(duì)得出的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量與閾值進(jìn)行比較，直至所得到的累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量高于閾值為止[14]。在得到高于閾值的運(yùn)動(dòng)矢量之后按照第一步步驟進(jìn)行操作。此時(shí)，分別在X方向、y方向?qū)塾?jì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行計(jì)算，并得出相應(yīng)的最大值。之后，以相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，最終獲得運(yùn)動(dòng)矢量的具體動(dòng)態(tài)修正范圍。

整個(gè)過程在下列代碼中有所表示：

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文的觀點(diǎn)，進(jìn)行一定的仿真實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)中，選擇對(duì)QC1F格式的Miss序列實(shí)施仿真。Miss序列權(quán)值與跳幀數(shù)的關(guān)系如圖4所示。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，Miss序列中權(quán)值與跳幀數(shù)之間存在一定的關(guān)系，W的取值范圍為0～l。而且，在該值大于0.l的時(shí)候，丟幀數(shù)不再隨著閥值的增大而增大。在本次實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)在Miss序列中，一共包含了100幀圖像。以動(dòng)態(tài)跳幀機(jī)制為依據(jù)，設(shè)定丟失的幀數(shù)一共為50幀。以前向向量法合成運(yùn)動(dòng)矢量為基礎(chǔ)，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量分修正搜索范圍予以動(dòng)態(tài)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)每編碼一幀丟棄兩幀，則100幀圖像中丟失的總數(shù)量一共為50幀。通過動(dòng)態(tài)修正可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過處理之后，每幀均平均提高了1.331 0 dB，順利實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跳幀。對(duì)重構(gòu)之后的不同幀圖像進(jìn)行分析，比較其在圖像質(zhì)量方面的情況。經(jīng)比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過跳幀處理之后，第4幀與第4幀原始圖像之間存在一定的區(qū)別，但整體差異較小，圖像未出現(xiàn)明顯的失真情況[15]。但是，在經(jīng)過重構(gòu)之后，被重構(gòu)的第34幀與第34幀的原始圖像進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)基本不存在差異，保持了較為一致的圖像視覺效果（見圖5）。結(jié)合上述結(jié)果也可以了解到，視頻轉(zhuǎn)化編碼的過程中，在實(shí)施動(dòng)態(tài)跳幀操作的時(shí)候，在注意整體操作效率的同時(shí)，也注意合理的控制圖像質(zhì)量，以保證視頻的視覺效果[16]。為達(dá)到這一目的，還需要在操作過程中結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)相應(yīng)的閾值予以合理的設(shè)定。

圖4 Miss序列權(quán)值與跳幀數(shù)的關(guān)系分析示意圖

圖5 第0幀到第4幀動(dòng)態(tài)跳幀與運(yùn)動(dòng)矢量修正情況

4 結(jié)束語

總之，日常生活中結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行視頻轉(zhuǎn)換編碼的過程中，可以針對(duì)不同幀與幀之間累計(jì)運(yùn)動(dòng)矢量的具體大小，按照一定的動(dòng)態(tài)跳幀機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體的動(dòng)態(tài)跳幀轉(zhuǎn)換編碼過程中，為更好的調(diào)整修正運(yùn)動(dòng)矢量的范圍，還可以進(jìn)行一定的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)矢量修正。經(jīng)仿真研究也可以證實(shí)，能夠有效提高圖像的信噪比，獲得了理想的轉(zhuǎn)換編碼效果。