基于JPEG的固定背景视频压缩算法研究

admin管理员组

文章数量:1532708

2023年12月25日发(作者：)

２０１２年９月　计算机工程与设计　ＣＯＭＰＵＴＥＲ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　Ｓｅｐｔ．２０１２　第３３卷第９期　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．９　基于ＪＰＥＧ的固定背景视频压缩算法研究　彭　强，钟俊　（四川大学电气信息学院，四川成都６１００６５）　摘要：为了对固定背景视频进行压缩并获得较高的压缩比，在ＪＰＥＧ静止图像压缩标准的基础上提出了一种新的应用于　固定背景视频压缩的算法。对第一帧图像进行ＪＰＥＧ格式的压缩并保存量化后的离散余弦变换系数，对第一帧后的每一帧图　像，在进行离散余弦变换和量化后，先同存储器内的第一帧图像的离散余弦变换系数进行异或运算再进行熵编码。通过使用　该算法和Ｈ．２６４视频压缩标准对同一段固定背景视频进行压缩并比较压缩后的数据量，表明了该算法具有较高的压缩比。　关键词：固定背景视频；压缩；联合图像专家组；离散余弦变换；熵编码；Ｈ．２６４　中图法分类号：ＴＰ３９１　文献标识号：Ａ　文章编号：１０００—７０２４（２０１２）０９—３４９８—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｏ１＂１　ＪＰＥＧ——ｂａｓｅｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｆｉｘｅｄ——ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｖｉｄｅｏ　ＰＥＮＧ　Ｑｉａｎｇ，ＺＨＯＮＧ　Ｊｕｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００６５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｃｏｍｐｒｅｓｓ　ｖｉｄｅｏｓ　ｗｉｔｈ　ｆｉｘｅｄ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｈｉｇｈ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ，ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｕｓｅｄ　ｏｎ　ｆｉｘｅｄ－　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｖｉｄｅｏ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＪＰＥＧ　ｓｔｉｌｌ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｆｏｒｅｍｏｓｔ　ｆｒａｍｅ　ｉｓ　ｃｏｍ—　ｐｒｅｓｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ＪＰＥＧ　ｆｏｒｍａｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＤＣＴ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｔｏｒｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｆｒａｍｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ＸＯＲ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｔｏｒｅｄ　ＤＣＴ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｒｅｍｏｓｔ　ｆｒａｍｅ　ａｆｔｅｒ　ＩＸ３Ｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｅｎｔｒｏｐｙ　ｃｏｄｉｎｇ　ｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｆｒａｍｅｓ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　Ｈ．２６４　ｖｉｄｅｏ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐｒｅｓｓ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｆｉｘｅｄ－ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｖｉｄｅｏ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｉｔ’Ｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｘｅｄ－ｂａｅｋｇｒｏｕｎｄ　ｖｉｄｅｏ；ｃｏｍｐｒｅｓｓ；ＪＰＥＧ；ＩＸ２Ｔ；ｅｎｔｒｏｐｙ　ｅｎｃｏｄｉｎｇ；Ｈ．２６４　０引　言　监控录像、工业设备的人机交互界面、电脑操作演示，　从这些应用场景中采集的视频有一个共同的特点：视频在　一改动而得到的。仿真表明，将这种算法应用于固定背景视　频的压缩时可以大大减小压缩后数据量。在实际应用中，　固定背景视频的背景图像在保持一段时间后可能会转换为　另一幅背景。为简单起见，本文仅讨论单一背景的视频。　对于具有多幅背景的视频，可将其视为多个单一背景视频　的顺序组合。　段较长的时间内背景图像保持固定不变，在此期间，视　频中只有少量的非背景部分在发生变化。我们将这类视频　称为固定背景视频０－２３。在实际应用中，固定背景视频的例　子还有很多。目前，对该类视频压缩方法的研究主要还是　采用较流行的多媒体视频压缩标准，如ＭＰＥＧ４和Ｈ．２６４　１　ＪＰＥＧ静止图像压缩标准　ＪＰＥＧ（ｊｏｉｎｔ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｅｘｐｅｒｔｓ　ｇｒｏｕｐ）标准是目前　等¨３　］。然而，这类压缩标准是针对自由变化的多媒体视频　而设计的，当应用于固定背景视频时，由于忽略了背景的　固定不变性，会产生大量的数据冗余，浪费存储资源和传　输带宽＿５］。为了在保证清晰度的前提下进一步提高对固定　背景视频压缩的压缩比，需要提出专门针对该类视频的压　缩算法。本文提出了一种新的固定背景视频压缩算法，该　使用最为广泛的一种静止图像压缩技术，其优点是压缩比　高，算法复杂度低　］。ＪＰＥＧ标准分为两类：基于差分脉冲　编码（ＤＰＣＭ）与熵编码的无失真编码系统；基于离散余　弦变换（Ｄ（、Ｔ）和熵编码的限失真编码系统。限失真编码　系统又分为顺序编码、渐进编码和分成编码３种模式。本　文中介绍的固定背景视频压缩算法利用的是顺序模式的限　失真编码系统。图１为该系统编码器和解码器的处理步骤。　算法是在现有ＪＰＥＧ静止图像压缩标准的基础上做一定的　收稿日期：２０１１—０９—０９；修订日期：２０１１—１２—１２　一　作者简介：彭强（１９８８一），男，四川成都人，硕士研究生，研究方向为数字图像处理；钟俊（１９７２一），男，重庆人，博士，副教授，硕士　生导师，研究方向为通信中的信号处理、扩频通信、通信中的图像处理。Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｅｎｇｑｉａｎｇｐｅｔｅｒ＠１６３．ｃｏｍ　

第３３卷第９期　彭强，钟俊：基于ＪＰＥＧ的固定背景视频压缩算法研究　・３５０１・　变。视频的时长为５分钟，帧率为１帧／ｓ，分辨率为７９８×　５９４，大小为３５．６　ＭＢ。使用从ｗｗｗ．ｈ２６４ｅｎｃｏｄｅｒ．ｃｏｒｎ下　载的Ｈ．２６４编码器对其进行压缩口　，编码设置选择“Ｎｏｒ—　ｅｒａｌ　Ｑｕａｌｉｔｙ（ｓａｍｅ　ｓｉｚｅ　ｗｉｔｈ　ｓｏｕｒｃｅ）”，即以标准清晰图的　要求对视频进行Ｈ．２６４的压缩，压缩后的数据量为８．６Ｏ　ＭＢ，由此可以计算出压缩后的平均码率为１１４６．７Ｋｂｉｔ／ｓ．。　采用ＪＰＥＧ－ｂａｓｅｄ　ＦＢＶＣ对该视频进行压缩（其中量化表采　用ＪＰＥＧ标准的推荐值），第一帧图像压缩后的数据量为　１２７ＫＢ，以后的每一帧压缩后的数据量都在１２ＫＢ左右，由　此可以计算出压缩后的平均码率为１１１．３Ｋｂｉｔ／ｓ，仅为前者　的１／１０左右，并且清晰度明显优于前者。　图６　固定背景视频的界面　５结束语　本文针对固定背景视频，在ＪＰＥＧ静止图像压缩标准　的基础上提出了一种新的有损压缩算法。该算法将ＪＰＥＧ　编码算法分解为有损处理和无损处理前后两部分，对第一　帧图像进行ＪＰＥＧ格式的压缩，对第一帧后的每一帧图像，　在进行ＦＤＣＴ变换和量化后，先同存储器内的第一帧图像　的Ｉ）ＣＴ系数进行异或运算再进行熵编码。实验表明，采用　该算法压缩的静止背景视频，在变化区域附近不会出现明　显的噪声。本文还将该算法同Ｈ．２６４视频压缩编码的压缩　比进行了比较，仿真表明，当应用于固定背景视频时，该　算法的压缩比明显高于Ｈ．２６４。　参考文献：　［１］ＨＯＵ　Ｗｅｉ，ＬＵ　Ｙａｎ－ｌｉｎ，ＺＨＥＮＧ　Ｈｅ－ｒｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｓｅｇｍｅｎｔａ—　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｆｉｘｅｄ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｖｉｄｅｏ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｆｌｏｗ　［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２００８，１８（９）：　１９１—１９３（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．［侯伟，卢炎麟，郑河荣，等．固定背　景下的视频分割及在交通视频流的应用口］．计算机技术与发　展，２００８，１８（９）：１９１—１９３．］　［２］ＹＡＯ　Ｘｉａｏｍｉｎｇ，ＱＩＡＮ　Ｑｉｎｇｑｕａｎ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｖｉｄｅｏ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｐｒｅｓｅｔ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｖｉｓｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｓｕｒ—　ｖｅｉｌｌａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｍａｇｅ　ａｎｄ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ，２００５，　１０（８）：１０４２—１０４６（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．［姚孝明，钱清泉．基于视　觉的交通监控系统固定背景区段视频传输的研究［Ｊ］．中国图　象图形学报，２００５，１０（８）：１０４２—１０４６．］　［３２　ＬＶ　Ｘｉａｎ－ｆｅｎｇ，ＪＩＡＮＧ　Ｃｈａｏ－ｇｅｎ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｖｉｄｅｏ　ｓｕｒ—　ｖｅｉｌｌａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｈ．２６４［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ　Ｃｏｍ—　ｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００７，１６（８）：４６—４８（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．［吕先　锋，蒋朝根．基于Ｈ．２６４的数字视频监控系统终端设计［Ｊ］．　铁路计算机应用，２００７，１６（８）：４６—４８．］　［４］ＧＡＯ　Ｊｗ，ＪＩＡ　ＫＢ．Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｖｉｄｅｏ　ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｈ．２６４［Ｊ］．Ｆｉｒｓｔ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，２００９，１（１）：２８２—２８６．　［５］ｚＨＡ０　Ｇｕａｎｇ－ｓｈｅｎｇ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈ．２６４／ＡＶｃ　（ＦＲＥｘｔ）ａｔ　ｌｏｗ　ｂｉｔ—ｒａｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅ—　ｓｉｇｎ，２００８，２９（２）：３９４—３９７（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［赵光胜．　Ｈ．２６４／ＡＶＣ（ＦＲＥｘｔ）在低码率下的性能研究［Ｊ］．计算机　工程与设计，２００８，２９（２）：３９４—３９７．］　［６］ＨＵ　Ｙａｈ，ＬＯＵ　Ｓｈｕｑｉｎ，ＬＩ　Ｂｉｎｇ．Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＪＰＥＧ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒｍａｔ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｆｏｒ－　ｍａｒｉｏｎ，２００７（５）：１３５—１３７（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［胡延，娄淑琴，　李冰．ＪＰＥＧ图像压缩方法的研究［Ｊ］．中国科技信息，２００７　（５）：１３５—１３７．］　［７］ＳＵＮ　Ｘｕｅ－ｙａｎ．Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｎｔｒｏｐｙ　ｃｏｄｉｎｇ　ｆｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｅｉｆａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４，４（６）：　８６—８７（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．［孙学岩．熵编码的压缩编码原理与方法　［Ｊ］．潍坊学院学报，２００４，４（６）：８６—８７．］　［８］ＬＩ　Ｙｏｎｇ－ｔｉｎｇ，ＱＩ　Ｙｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＸＩＡＯ　Ｚｈｉ－ｙｕｎ．Ｆａｓｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　２一Ｄ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｃｏｓｉｎｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０，４６（２）：１８１—　１８３（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．［李永亭，齐咏生，肖志云．基于量化的二　维ＤＣＴ优化算法研究［Ｊ］．计算机工程与应用，２０１０，４６　（２）：１８１—１８３．］　［９］ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｏｕ－ｊｕｎ，ＣＨＥＮ　Ｙｉｎ－ｊｉｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｖｉｄｅｏ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉ—　ｖｅｒｓｉｔｙ，２００７，３７（３）：３７９—３８３（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［张首君，陈　银杰．数字视频信号的压缩编码原理［Ｊ］．西北大学学报，　２００７，３７（３）：３７９—３８３．］　［１ｏ３　ＷＥＮ　Ｓｈａｎ，ＬＩ　Ｂａｏ－ｑｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｈａｉ．Ｉｍａｇｅ　ｌｏｓｓｌｅｓｓ　ｄｅｃｏｍ—　ｐｏｓｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＪＰＥＧ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｅＤｓｉｇｎ，２００７，２８（２Ｏ）：４９６８—４９７０（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［文　山，李葆青，刘海．基于ＪＰＥＧ的图像无损分区压缩［Ｊ］．　计算机工程与设计，２００７，２８（２Ｏ）：４９６８—４９７０．］　［１１］ＧＡＯ　Ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ　Ｙａｏ，ＬＩＵ　Ｄａｎ．Ｐａｃｋｅｔ　ｌｏｓｓ－ｌｅｓｓ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｃｏｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，２０１０，３１（１５）：３４４７—３４５０（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［高健，　陈耀，刘旦．分组无损图像压缩编码方法［Ｊ］．计算机工程　与设计，２０１０，３１（１５）：３４４７—３４５０．］　［１２］ＰＡＮ　Ｃｈａｏ，ＬＩ　Ｈｅ－ｐｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｉ￣－ｆａｎｇ，Ｂｉｔｍａｐ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｒｕｎ　ｌｅｎｇｔｈ　ｅｎｃｏｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２１（３）：１２０—１２３（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．［潘超，李　和平，陈定方．基于行程编码的位图压缩方法的研究［Ｊ］．湖　北工业大学学报，２００６，２１（３）：１２０—１２３．］　［１３］Ｈ．２６４　Ｅｎｃｏｄｅｒ　１．０［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１—０５—０２］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．　ｈ２６４ｅｎｃｏｄｅｒ．ｃｏｍ．　

本文标签： 视频压缩背景编码研究