具有抗誤碼能力的水下視頻圖像高效編碼方法研究.pdf

1、隨著科學技術(shù)的發(fā)展與進步,海洋的探測與開發(fā)日益成為科學研究的重點。海洋探測與開發(fā)主要包括海洋環(huán)境監(jiān)測、深?？碧?、水下施工等作業(yè)。在深海觀測作業(yè)中,目前最常用的方法是基于水下機器人(ROVs/AUVs)的視頻圖像觀測,因為圖像信息是水下機器人深海近距離觀測作業(yè)的主要信息之一。但是,如何將水下機器人獲取的海量視頻信息實時傳輸?shù)剿婀ぷ髡臼菍崿F(xiàn)深海觀測作業(yè)的障礙之一。水下機器人通過水聲信道傳輸水下視頻圖像信息時,必須對視頻圖像信息進行壓縮處理

2、,使其適應水聲信道中窄帶寬、高誤碼率的傳輸特性。因此,本文根據(jù)水下視頻圖像與水聲信道傳輸?shù)奶攸c,對水下視頻圖像的抗誤碼高效壓縮編碼進行了研究,主要完成的研究工作包括以下兩個部分:
　　 (1)水下靜態(tài)圖像的抗誤碼高效壓縮編碼算法。為抵抗水聲信道的傳輸差錯,提出了一種具有較高抗誤碼能力的水下圖像高效編碼算法。該算法首先根據(jù)水下圖像的特點,對圖像進行小波變換預處理以去除其中的視覺冗余。然后,對低頻系數(shù)采用定長量化編碼;對重要高頻系數(shù)

3、采用數(shù)值和位置獨立編碼的方案,其中對重要高頻系數(shù)的數(shù)值提出了變精度定長量化編碼方法,而對重要高頻系數(shù)的位置采用基于位置差降的可逆變長編碼算法。此外,為抵抗水聲信道的傳輸差錯,提出了合理的分割、交織策略和變長編碼塊相對定長信道包的存放策略。最后,對低頻和高頻系數(shù),分別提出了相應的差錯檢測和掩蓋算法。實驗結(jié)果表明:該算法能夠抵抗低于20％的丟包差錯,低于2％的隨機比特差錯和低于2.5％的突發(fā)差錯。同時,圖像編碼的壓縮比可以高于70:1,具有

4、較高的壓縮效率。
　　 (2)具有抗誤碼能力的水下視頻高效壓縮編碼算法。該算法主要由幀內(nèi)編碼模塊和幀間編碼模塊組成。在幀間模塊中,利用靜態(tài)圖像抗誤碼高效壓縮方法對各視頻序列組中首個I幀進行編碼處理,增強I幀的抗誤碼能力,為后面的幀重建提供較為理想的參考幀。而在幀間模塊中,對幀間運動估計與運動補償過程獲得的運動估計與殘差信息進行合理的分組交織編碼,以有效阻止錯誤的擴散。對其中的殘差信息進行基于位置差降的可逆編碼方法進行壓縮,并根據(jù)

5、其重要性程度進行不同處理,有效增強其抵抗誤碼的能力。解碼時,提出了有效的錯誤檢測與錯誤掩蓋處理算法,以增強碼流的抗誤碼性能。此外,對于場景切換、攝像機快速運動等異常情況,提出了檢測與處理方法,以保證編碼算法適應各種復雜的視頻編碼環(huán)境。實驗結(jié)果表明:該方法能夠抵抗低于20％的丟包差錯,低于1.2％的隨機比特差錯和低于1.8％的突發(fā)差錯。同時,視頻編碼的壓縮比可以高于120:1。
　　 本文研究是水下機器人視頻圖像觀測的關(guān)鍵技術(shù)之一