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随着空间探测领域的迅速发展,空间多媒体数据的编码传输已逐渐成为一个具有重要意义的研究课题。空间图像、视频通信是人类进行宇航活动的重要保障。研究人员也期望获得图像、视频等多媒体数据以充实各种科学仪器的测量数据。空间通信具有距离远、环境复杂、存在可变时延、传输错误率高、空间网络异构、资源和星载设备处理能力有限等特点。适合空间通信的图像、视频编码算法应具备良好的时域、空域可伸缩性和质量可控性,以适应空间通信的带宽动态变化。
国际空间数据系统顾问委员会(CCSDS,Consultative Committee of SpaceData Systems)于2006年制定了基于小波变换的图像编码标准:IDC(Image DataCompression)。该算法编码效率高,编码复杂度较低,能够提供良好的质量可控性,适应于空间通信的资源受限环境。但在视频编码方面,现有的一些国际编码标准大都采用离散余弦变换(DCT,Discrete Cosine Transform),没有考虑空间通信的特点,不适用于空间网络中的可靠视频传输。因此,研究和开发基于小波变换的高性能可伸缩性视频编码算法具有理论意义和应用前景。
本文首先介绍了小波变换的理论基础以及两种常用的小波变换形式:提升小波和整型小波。随后,本文分析和讨论了可伸缩性小波编码理论以及当前小波域图像、视频编码研究的进展及特点,重点介绍了基于小波变换和位平面技术的CCSDS IDC标准。在此基础上,本文引入运动补偿时域滤波,提出了一种基于CCSDS IDC标准的三维小波视频编码算法,并研究了算法中的两项关键技术。
本文主要工作和创新点如下:
1、提出了一种基于CCSDS IDC标准的三维小波视频编码算法。该算法采用Harr小波运动补偿时域滤波去除运动序列的时域相关性,使用CCSDS IDC标准进行帧内小波变换和子带编码得到质量可控和时域可伸缩性码流。实验结果表明,该算法具有良好的编码效率、质量可控性和时域可伸缩性,能够适应空间通信网带宽的动态变化,满足空间通信对视频编码的要求。
2、结合时域Harr小波运动补偿时域滤波的特点,提出了一种自适应帧分组算法。该算法采用合并子帧组的方式实现最大帧组的时域小波变换。在合并的过程中,依据运动补偿的效果以确定是否合并子帧组,从而将最大帧组划分为合适的独立子帧组,实现动态分组。实验结果表明,该算法能够在少量增加复杂度的情况下,根据运动变化情况自适应地确定帧组大小。
3、研究了运动补偿时域滤波中多连接像素的更新算子对视频序列重建质量的影响,通过数学分析给出了最佳重建质量更新算子和最少质量波动更新算子。