摘? 要： 介紹了小波" title="小波">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" 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title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換在靜態(tài)圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮、實時連續(xù)媒體流" title="媒體流">媒體流等多媒體業(yè)務中的應用,，并結合ADV611芯片提出一套音視頻數據采集壓縮的方案,。為進一步提高媒體服務質量，在本方案中根據實際情況提出了幀間壓縮和碼率控制兩種解決方法,。

　　關鍵詞： 小波變換? 圖像壓縮? 實時連續(xù)媒體流? 碼率控制? 幀間編碼?

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　　隨著網絡用戶對多媒體業(yè)務需求的大量增加,，基于Internet的音視頻數據采集,、壓縮技術成為各種多媒體業(yè)務運營的基本要求,，國際標準化組織提出了多種國際標準(H.26X,、MPEG-4等)來實現低碼率及甚低碼率下的多媒體數據壓縮、傳輸及存儲,。而國內外各大網絡軟硬件廠商紛紛出臺相應的解決方案,。在這些標準、方案中,，小波變換使信號的低頻長時特性和高頻短時特性同時得到處理,，有效地克服了傅氏變換在處理非平穩(wěn)復雜圖像信號時所存在的局限性，因而在各種多媒體業(yè)務應用領域受到了廣泛的重視^[1,2],。本文將以此為基礎對小波變換這一工具應用到圖像壓縮,、實時連續(xù)媒體流等領域做一些有益的嘗試與探討。

1 小波變換在圖像壓縮中的應用

　　小波變換以其特有的變換特性在圖像壓縮領域得到了廣泛的應用,。如JPEG-2000,、MPEG-4靜態(tài)圖像壓縮都采用了小波變換的方式。對于小波變換在靜態(tài)圖像壓縮中的應用已經有很多文獻對此做出了論述,，此處不再贅述,。以下只討論應用價值更為廣闊的小波算法的硬件實現,。

1.1 小波算法的硬件實現

??? 美國AD公司的ADV611數字視頻編解碼芯片是一款低價,、單片、多功能,、全數字的CMOS超大規(guī)模集成電路,，片內集成了視頻接口、主機接口和SRAM,，可以廣泛應用于各個相關領域^[5],。以下將從內部框圖和算法分析兩個方面介紹該芯片的使用情況。

1.1.1內部框圖

　　圖1是ADV611的內部框圖,，大致可以分為六個模塊,，其中較有特色的部分是清晰窗口和量化控制兩部分。清晰窗口(Quality Box)是將用戶感興趣的部分圖像采用壓縮比" title="壓縮比">壓縮比較小的方式編碼，而對其余背景區(qū)域則加大壓縮比,。這種方式可認為是小波編碼在空間可伸縮性的一種應用,。量化控制是為了滿足不同的網絡帶寬，不同的服務質量而設定的改變編碼碼率的參量,。通過設置不同比特每象素值(Bit Per Pixel)而改變編碼碼流的數據量,，滿足不同的網絡帶寬。圖2是采用與ADV611相同壓縮算法的軟件模擬結果,。表1是算法效果統(tǒng)計,。

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　　其中圖2(a)是原始圖像(720×486×24位1025K)，(b1),、(b2),、(b3)是比特每象素值分別為1、0.5,、0.1時的恢復圖樣,。從數據中可以看出隨著比特每象素值的降低，壓縮后數據量隨之降低,，而恢復圖像與原圖的PSNR降低并不多,。

1.1.2 算法分析

　　ADV611內部的小波變換采用雙正交9-7小波基。經過大量的實驗證明雙正交9-7小波基在圖像處理中是一種較好的小波基,，目前多個國際標準中有關小波壓縮的算法,，一般都采用這種小波基。ADV611芯片中的小波算法生成的Mallat框圖如圖3所示,。

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　　在量化階段ADV611采用可程控的量化方式,。在量化順序上采用先低頻后高頻的順序(ADV611沒有采用零樹編碼)，如對圖3量化的順序為H,、F,、G、E,、C,、D、B,、A,。在量化系數的選取上充分考慮人類視覺特性給定了每個Mallat塊的參考量化系數如圖4。圖5顯示的是編/解碼端相應的量化方法,，圖中的BW是Mallat塊的參考量化系數,。

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　　對量化后的數據ADV611采用游程編碼與霍夫曼編碼相結合的方式進行熵編碼，以達到高壓縮比的目的,。一般來說游程編碼和霍夫曼編碼屬于無損壓縮,，壓縮比都不高,，但在小波變換及系數量化后會出現大量的連零系數，這時采用游程編碼與霍夫曼編碼相結合的方式能達到很高的壓縮比^[3],。

2 小波變換在媒體流壓縮中的應用

　　很多對小波變換的研究僅停留在靜態(tài)圖像上,，沒有就此深入下去。筆者希望小波變換這種方式不僅在靜態(tài)圖像上,，還要在連續(xù)媒體流上得到更為廣闊的應用,。基于小波變換本身的特點以及ADV611芯片的特性,，將從以下兩個方面提出改進方案以使系統(tǒng)更加適用于連續(xù)媒體流業(yè)務,。

2.1 基于小波變換系數的幀間算法

　　靜態(tài)圖像小波壓縮是通過減少圖像本身的空間冗余性，達到壓縮效果的編碼方法,，屬于幀內壓縮,。在處理連續(xù)媒體流時應注意到幀間相似性是很大的，即幀與幀之間有著很大的時間冗余性,，減少這種冗余可以達到更高的壓縮比,，使碼流適合于更低比特的信道傳輸。在處理這一問題上國際標準一般采用運動估計運動補償的方式,，實現幀間壓縮^[4],。在綜合考慮ADV611硬件實現的基礎上，提出一種對小波變換后系數估計補償的算法,。具體的原理圖如圖6所示,。

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　　其中小波變換與熵編碼是由ADV611硬件實現的。編碼后的數據延時一幀后進入存儲器,，與后一幀系數數據相減,，求殘差數據，并對殘差數據重編碼,，包括二次量化,、霍夫曼編碼等。解碼端反操作即可,。

　　實現這種算法要求具有兩個先題條件:(1)小波變換的穩(wěn)定性,。對同一幀圖像兩次小波變換后生成的碼流是相同的，那么當其中一幀圖像發(fā)生輕微變化時,，編碼生成后的碼流也只是發(fā)生少量變化,，從而殘差數據將會有大量的連零數據出現;(2)編碼后碼流數據量較小,，考慮到硬件實現時要求有存儲器存儲前一幀變換后的系數,，如果碼流數據量太大將不適合硬件的實現(此處應該注意的是連續(xù)兩幀之間熵編碼后數據量不一定相同，對缺少的數據補零處理),。利用news序列的前8幀做測試序列,，得到的幀間相關性結果如表2所示,。

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　　以上實驗數據表明小波變換后系數存在著極大的幀間相關性。熵編碼后相關性降低,，但仍然較高,，可以充分應用這種相關性。進行幀間壓縮,。在硬件實現方案中,，由于采用ADV611芯片，接口的輸出碼流是經過熵編碼后的數據,，幀間壓縮的效果沒有如圖6中虛線所示流程的壓縮效果好,，但仍然可以進一步提高視頻序列的壓縮比。

2.2 基于小波變換的碼率控制

　　當前連續(xù)媒體流業(yè)務中越來越多地考慮對客戶的服務質量問題,，QoS的提出要求對編碼碼率的控制更加靈活,，以適應不同的用戶需求和不同的信道狀況。利用ADV611中可程控的量化方式就可以方便地達到碼率控制的目的,。其原理框圖如圖7所示,。B/P是比特每象素的設置，通過軟件監(jiān)控網絡狀態(tài)[5],，并按照一定的經驗規(guī)律實時更改壓縮過程中的B/P設置,，以完成對碼率的控制。

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3 實現方案

　　開發(fā)小組在充分地進行理論研究及實現方案論證的基礎上,，應用小波壓縮算法,、按照MPEG-4標準的思路提出了一套音視頻采集壓縮傳輸的解決方案。硬件實現的系統(tǒng)框圖如圖8所示,。

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　　主要分為六個模塊:(1)音視頻捕捉模塊,，包括音視頻的獲取及量化;(2)壓縮/解壓縮模塊，該模塊是本方案中最重要的模塊,，實現音視頻的編/解碼及同步;(3)接入模塊,，該模塊完成數據的傳輸，為了進一步減輕主機的負擔,，采用硬件打包發(fā)送的方式;(4)軟件控制模塊,，該模塊實時監(jiān)控網絡狀態(tài)，及時將分析后的網絡狀態(tài)結果通知硬件板卡;(5)控制單元模塊,，該模塊是系統(tǒng)的處理,、時序等管理控制中心，還根據軟件模塊得到的網絡狀態(tài)參數及時地控制編碼過程完成碼率控制過程;(6)總線接口模塊,，采用PCI總線方式與主機交換數據,。

　　在上述系統(tǒng)壓縮/解壓縮模塊中，采用ADV611壓縮芯片,，并結合2.1中提出的小波變換系數的幀間算法,，簡略地實現視頻序列的幀間壓縮;同時按照控制單元的速率控制參數完成碼率控制的過程,。

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參考文獻

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5 T.Chiang and Y. -Q.Zhang.A new rate control scheme using quadratic rate distortion model IEEE

? Trans.On Circuits and System for Video Technology，vol.7,， no.1,， pp.246~250， Feb.1997