加权块匹配算法实现MPEG-2视频编码输出码流中的差错隐蔽

1、The MPEG-2 StandardThe quality of MPEG-1 compressed video at 1.2Mbps has been found unacceptable for most entertainment applications. Subjective tests indicate that CCIR601 video can be compressed with excellent quality at 4-6Mbps. MPEG-2 is intended as a compatible extension of MPEG-1 to serve a wi

2、de range of applications at various bit-rates (2-20Mbps) and resolutions. Main features of the MPEG-2 syntax are:(1) it allows for interlaced inputs ,higher definition inputs, and alternative subsampling of the chroma channels,(2) it offers a scalable bit stream ,and (3) it provides improved quantiz

3、ation and coding options.Considering the practical difficulties with the implementation of the full syntax on a single chip, subsets of the full syntax have been specified under five “profiles”, and high profile. Furthermore, a number of “levels” have been introduced within these profiles to impose

4、constraints on some of the video parameters ISO 93. It is important to note that the MPEG-2 standard has not yet been finalized. The syntax of the Main Profile was frozen in March 1993. However, work in other profiles is still ongoing. It is likely that the all-digital HDTV compression algorithm wil

5、l conform with one of the profiles in MPEG-2.MPEG-2 MacroblocksA macroblock(MB) refers to four 8×8luminance blocks and the spatially associated chroma blocks. MPEG-2 allows for three chroma subsampling formats, 4：2：0 (same as MPEG-1), 4：2：2 (chroma subsampled in the horizontal direction only),a

6、nd 4：4：4 (no chroma subsampling). Therefore, in MPEG-2 a MB may contain 6(4luma,1Cr,and 1Cb),8(4 luma,2Cr,and 2Cb),or 12(4luma, 4Cr,and 4Cb) 8×8blocks.Coding Interlaced VideoMPEG-2 accepts both progressive and interlaced inputs. If the input is interlaced, the output of the encoder consists of

7、a sequence of fields that are separated by the field period. There are two options in coding interlaced video :(1) every field can be encoded independently (field pictures); or (2) two fields may be encoded together as a composite frame (frame pictures). It is possible to switch between frame pictur

8、es and field pictures on a frame-to-frame basis. Frame encoding is preferred for relatively still images; field encoding may give better results when there is significant motion. In order to deal with interlaced inputs effectively, MPEG-2 supports: two new picture formats: frame-picture and field-pi

9、cture; field/frame DCT option per MB for frame pictures, and new MC prediction modes for interlaced video.摘要一个独特的差错隐蔽程序被提出以恢复由于解码一个错误的MPEG-2输出码流引起的丢失宏块。加权块匹配算法（WBMA）是在传统的块匹配算法的基础上完善而成的。不同于传统的块匹配算法即丢失宏块的像素同相同位置的当前图像比较，加权系数也被相应校准以更好的工作在光滑或突变的区域范围内。实验结果显示这种新的算法优于传统算法，尤其对运动矢量大或结构复杂的混合序列特别适用。1. 介绍 在MPEG-

10、2视频接收器中，传输错误不可避免出现在物理信道中。例如：全球广播信道和异步传输网络中。为了克服这一问题，许多学者已经研发出错误隐蔽技术。这些技术基本上可氛围时间预测隐蔽和空间预测隐蔽。有资料已经显示，在邻近宏块运动的情况下，用时间预测隐蔽比空间预测隐蔽的效果好。然而，这样却要占用大量的存储空间。因为整个画面的运动矢量应该被储存。另一个问题是平滑运动矢量的假设根本不现实。最近，一种块匹配算法被提出以恢复丢失宏块的运动矢量。在文献中介绍过，重叠块的补偿与边匹配标准合并来完成块加工。因为丢失宏块的像素不可被利用，而边匹配同丢失宏块周围的块像素可一起被执行。这个边匹配标准利用了像素值跨越块时的平滑性。

11、当跨越块时没有大的像素值变化出现时，BMA就可以很好的工作在此区域内。然而，当邻近像素值突变时，比如：当采用不恰当的错误隐蔽方法时，在边或角的周围就会出现错误的运动矢量和错误的块匹配恢复，此时，针对混合交错序列时它的优点明显下降。因为分割的不同场之间的相互作用是很小的。加权匹配标准旨在研究可靠的运动矢量。这个方法仍基于块匹配算法之上。然而不同于传统的BWA，即丢失宏块的块像素直接和当前帧中宏块的匹配作比较，加权匹配算法是通过计算跨越宏块时的相互作用将加权系数做适当校准，以克服以上提到的问题。2. 构想的错误隐蔽技术假设通过变长解码过程已经知道损坏的块位置（变长解码是检测在编码输出码流中的 句法

12、错误或语义规则错误的）。通常，MPEG-2标准认为这些问题是由于插入了一些开始代码（尤其是片单元）引起的。如果变长解码器在编码输出码流中检测到错误的代码或句法错误，这个错误隐蔽程序就被执行，直到检测下一片的开始代码。因此，错误的继续蔓延就可以在一个片内被抑制，甚至在一个有很多错误的片内有像素丢失的情况下也起作用。在这篇论文中，宏块的的隐蔽是通过恢复这些宏块的运动矢量，再用运动补偿的宏块在当前帧代替它们来实现的。用x（i,j）和x（i,j）分别代表样本帧和当前帧下的亮度像素的位置（i,j）。（Vx，Vy）是丢失块的运动矢量，N是块的尺寸。图1表示了加权块匹配算法的构想。最佳匹配运动矢量是通过下列

13、等式最小化被发现的： （1）SR是运动矢量的搜索范围，那么这个设想的等价方程式被定义为： （2） （i,j）指的是一个丢失宏块的左上角的位置，W（m）是在第K个邻快的加权系数，M是块中对比线的个数。考虑到邻块之间在水平和垂直方向上的空间相互作用，可利用的邻近像素被用来确定加权系数。首先，当M=2时，后块的加权系数可表示为： E代表了数学期望值，它的值可通过采用抽样方法来估算。例如，采样，同理可得，左块，前块和右块的加权系数可定义为当块信号之间的相互作用增加时，较大的加权系数就会被分配。具有帧图像格式的交错混合序列，其像素值无论是在奇场还是偶场都有很大的相互作用。因此，在相同场之间使用匹配标准就

14、非常有效了。所以，构想示意图选择了 W1(1)0, W1(2)1, W3(1)0 和 W3(2)1.那么公式（2）的总体差异可通过让加权与空间相互作用相一致来校准。如果存在周围块的运动矢量，为了快速搜索这些运动矢量，根据多样的码形搜索范围将局限在一个适当的范围内。因为空间邻块的运动矢量数据有很大的相互作用。后宏块和前宏块的运动矢量数据被用来进行最初的猜测如表1所示的那样。表一显示了P图像中各种运动类型的搜索范围。在B图像的情况下，可利用的邻块平均运动矢量也可被用来进行最初的猜测。在构想图中中，只用很少的存储空间就可以储存红蒯地 运动矢量。这个构想的算法可概述如下：算法步骤1. 确定宏块的丢失位

15、置和可利用的邻块；步骤2. 利用公式（2）（6）计算加权系数；步骤3. 在±SR的搜索范围内限定初始运动矢量，找出将公式（1）最小化时的运动矢量；步骤4. 利用估算出的运动矢量复原丢失的宏块。3. 实验结果这个构想的算法同传统错误隐蔽算法（如块匹配算法，修订后的块匹配算法和时间预测隐蔽算法）随机码错误在率为到范围内被插入到MPEG-2视频输出码的低等级，隐蔽在高等级比如序列头部或图像头部是不适合的。测试视频序列是“足球”和“花园”它们分辨率是720×400，60场/每秒色度取样格式（YUV）为4：2：0。检测序列是已经形成I图像、P图像，传码率为6Mbits/每秒，GOP头

16、大小为15，隐蔽运动矢量不可被利用。完全搜索块匹配算法和构想算法的搜索范围分别是±15和±7。用公式，来测量估算执行的均方差（MSE）。这里M×N是帧大小，I（i,j）是没有传输错误的解码帧，IEC是有错误隐蔽的解码帧。表2示意了各种错误隐蔽的平均MSE。在图2描述的编码序列构想信噪比（PSNR）中可以看出构想的WBMA 在MSE方面比传统错误隐蔽算法要显著优异。图中I图像和P图像分别有2-4个片错误。PSNR用来测量。“足球”和“花园”序列的BER分别是。构想算法比传统算法的信噪比要好的多，尤其在场快速移动时。构想算法的信噪比大概比传统算法的信噪比高出2-3dB

17、。4. 结论一个独特的错误隐蔽算法已经提出，目的是为了更好的恢复由于不可避免的传输错误引起的宏块丢失。一种新的加权匹配标准应用在丢失宏块周围那些可利用的块像素上，以搜索较好的掩盖运动矢量。根据空间相似点加权系数被不断地校准。模拟实验显示这个构想的技术比当前的隐蔽技术要优异，尤其对运动矢量大或结构复杂的交错混合序列特别适用。MPEG-2标准 在大多数娱乐应用中，MPEG-1以1.2Mbps的速率压缩出的视频图像质量是不可接受的。主观测试表明，CCIR601视频图像以4-6Mbps的速率压缩能够达到相当好的图像质量。MPEG-2是MPEG-1的兼容扩展，广泛应用在各种速率（2-20Mbps）和各种

18、分辨率情况下的场合。MPEG-2语法的主要特点是：（1）提供隔行扫描输入、高清晰度输入和色度通道的交替二次采样；（2）提供一个可调节的位流；（3）提供改进的量化和编码选项。考虑到在一块芯片上实现全部语法的实际困难，因此只把全部的语法的部分子集规约在五类下面，这五类为简单类、基本类、SNR可调类、空间可调类和增强类。此外，在这些类中又划分成许多“级”，以对一些视频图像参数提出限制。值得注意的是MPEG-2标准并没有完成。基本类的语法于1993年3月冻结，然而，关于其他类的工作仍在进行当中。很有可能全数字化HDTV压缩算法会和MPEG-2中的某个类一致。MPEG-2宏块一个宏块指的是4个8×8的亮度块和在空间上相对应的色度块。MPEG-2提供了三种色度二次采样的格式：4：2：0（和MPEG-1相同）、4：2：2（色度仅在水平方向进行二次采样）和4：4：4（色度不进行二次采样）。因此，在MPEG-2中，一个MB可以有6个（4个亮度块、1个Cr块）、8个（4个亮度块、2个Cr块和2个Cb块）或12个（4个亮度块、4个Cr块和4个Cb块）8&#