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　　篇一

　　[計算機]影象塊平坦測度與係數掃描方式選擇

　　關鍵詞：影象塊 平坦測度 掃描模式 H.263

　　1. 問題的提出

　　在眾多的影象編碼建議中，如H.261/H.263幀內影象編碼都需要通過DCT變換，將圖象從空間的表示式/空間域轉化為頻譜表達式/頻率域。這樣變換後，只需要少量的資料點就可以表示圖象。並且DCT產生的係數很容易被量化，可獲得好的塊壓縮。在量化後，影象矩陣中的大多數DCT係數都被擷取為零值。在這些影象塊的DCT係數的遊程編碼前，一般都要按一定並且可選的方式對係數進行重新排列，排列的目的是增加遊程編碼的效率，使得儘可能多的零相連。在H.263建議中，在高階幀內編碼模式中給出了一些指導性的建議和掃描的順序，但是建議本身並不提供如何實際地選擇係數掃描模式。而且是不是隻有在高階幀內編碼模式中才能應用多種掃描模式，建議並未指明。

　　本人在實際的視訊壓縮編碼研究和應用中發現，掃描方式的選擇與影象的平坦測度有直接的關係，並且通過平坦測度測定和影象塊方差可以簡單地確定係數掃描方式。並且正確選擇率較高。同時把這一掃描模式選擇推廣到任何幀內編碼巨集塊。

　　2. 塊的平坦測度

　　塊的平坦測度***Flatness measurement***指塊的畫素在水平和垂直兩個方向上的綜合分佈特點。假定塊的大小為 大小。塊的平坦測度定義如下：

　　其中和分別是塊的垂直和水平平坦測度，a、b是比例因子，它們的作用是調節水平和垂直平坦測度以獲得子塊的綜合平坦測度。一般,和分別定義如下：

　　其中：和定義如下：

　　其中FM******為相鄰畫素平坦測度函式，定義如下：

　　T是控制閾值，控制閾值的確定由人類視覺系統對於畫素亮度變化的敏感度決定。一般而言，閾值可以由實驗的出。對於控制閾值的選擇是獲得優良編碼效能的關鍵，控制閾值的選擇依賴於影象塊本身的起伏特性,影象的起伏特性可以由影象畫素的方差表徵。如果影象的畫素的方差較大，則閾值也要較大，否則，方差較小，閾值也小。方差的計算可以由下式完成：

　　其中：

　　在實際計算時可以簡化為：

　　得到方差後就可以用實驗的方法獲得控制閾值T，本人在實驗中得到的經驗公式為：

　　另外控制閾值與量化引數也有一定的關係，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，，因為控制閾值與影象的方差為線性關係。通過對HVS***Human Visual System***的分析，HVS對平坦區域比對非平坦區域更加敏感，因此如果一個塊的平坦測度較大，就要採用精細量化，反之則採用粗糙量化。通過平坦度和控制閾值的關係我們可以調整量化引數，從而有效地分配碼位，達到較好的影象質量。

　　3. 係數掃描方式的選擇策略

　　可以通過測度影象塊的平坦測度來決定對於子塊的掃描方式。在H.263標準的高階幀內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，對於原始影象塊採用這種掃描選擇策略獲得的較好的編碼效能，而幀差訊號的分佈隨機性較大，一般適合Z形掃描。當然，如果採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 如果塊中包含較強的水平頻率分佈，也就是非零DCT係數主要集中垂直方向的低頻部分。表現在畫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的垂直頻率分佈，也就是非零DCT係數主要集中水平方向的低頻部分。表現在畫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*** 如果水平平坦測度和垂直平坦測度之差小於DIST，採用ZigZag掃描。否則轉2。之所以採取這種方案是因為幾乎一半以上的影象塊適合ZigZag掃描。

　　2*** 如果水平平坦測度和垂直平坦測度之差大於等於DIST，則選擇較小的平坦測度作為掃描的方式。例如，水平測度小於垂直測度，就選擇水平掃描方式。

　　DIST稱為測度失真，它表徵在平坦度測定過程中可能出現的誤差。這裡有個問題就是如何確定DIST，DIST一般在通過實驗得到，量化引數和影象方差

　　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，有利於ZigZag掃描的正確選擇，而DIST取值小，有利於另外兩種掃描的正確選擇。

　　以上對於DIST的選擇是靜態的。另外，可以設計一個函式，，其中是影象的垂直和水平平坦測度，是影象的方差，Q是影象的量化引數。

　　由於平坦程度的測定比較粗糙，控制閾值的確定也只是從統計意義上得出，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，有時候會出現相反的情況，但是將上述方法應用於幀內編碼巨集塊時命中率一般大於65%。

　　方差的計算量較大，難以在實時應用中使用。但是考慮到原始影象的連續性可以計算巨集塊的方差，在實際操作時只抽取部分畫素作為樣本，從而減少算量。例如可以採用下圖的方法在計算影象的方差是可以採取隔行列，這樣獲得方差計算量可以減少到1/4，計算出的方差用於四個子塊的平坦度測定。通過對方差以及平坦測度的計算可以明顯看出其演算法規律性強，適合於利用MMX技術指令實現，從而大大提高速度。

　　一般將平坦度測定用於幀內編碼的影象巨集塊中，而在幀間編碼的巨集塊中統一採用ZigZag掃描，因為，幀間編碼影象巨集塊畫素分佈隨機性大，採用其他兩種型別的掃描策略編碼效果不明顯，並且採用上述掃描方式選擇方法命中率較低，而複雜的選擇策略顯著影響編碼速度。

　　通過對6000幀影象中所有的I巨集塊進行統計，得到下表

　　方法平均位數***Bit*** 單純Z形掃描 18.97 平坦測度選擇掃描 16.63 掃描方式對編碼效能的影響

　　4. 總結

　　通過平坦測度來選擇掃描模式具有簡單、有效和可操作性強的特點，便於在實際應用中採用。

　　參考文獻：

　　1. 賈志科，崔慧娟，唐昆，馮重熙。"H.263活動影象編碼器位元速率控制研究"，1997，通訊學報。

　　2. Sung Deuk Kim,Jaeyoun Yi,Hyun Mun Kim,and Jong Beom Ra."IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO THCHENOLOGY",FEBRUARY 1999,VOLUME 9,NUMBER 1.

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