一种适用于时域错误隐藏的边界匹配算法[1]

关键词： 错误隐藏； 运动矢量； 边界匹配算法； 边缘匹配
Ａ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｅｒｒｏｒ ｃｏｎｃｅａｌｍｅｎｔ
ＨＡＮ Ｈｅ Ｍｉｎ，ＧＵＯ Ｂａｏ Ｌｏｎｇ， ＺＨＡＯ Ｌｉａｎ Ｆｅｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉｄｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ′ａｎ ７１００７１ ， Ｃｈｉｎａ）
+２
２
｜Ｇ（ｘ， ｙ）｜＝ Ｇｘ （ｘ， ｙ）＋Ｇｙ （ｘ， ｙ）
（６）
#ｇ（ｘ，
ｙ）＝ ａｒｃｔａｎ （
Ｇｙ（ｘ， Ｇｘ（ｘ，
ｙ） ｙ）
）
（７）
设 定 阈 值 Ｔ， 当 ｜Ｇ（ｘ， ｙ）｜ 大 于 Ｔ 时 ， 像 素 （ｘ， ｙ）为 边 缘
点。边缘方向与梯度方向垂直， 其斜率表达式为：
ｓ（ｘ， ｙ）＝－
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｅｒｒｏｒ ｃｏｎｃｅａｌｍｅｎｔ ； ｍｏｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ； ｂｏｕｎｄａｒｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ； ｅｄｇｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ
在视频通信中， 当视频码流在传输过程中丢失或受 到破坏时， 势必影响传输图像的质量， 导致解码器端重 建 的 视 频 信 号 的 失 真 。在 混 合 编 码 框 架 中 ， 由 于 帧 间 、帧 内预测以及熵编码等技术的采用， 解码错误会在时间和 空间上扩散， 不仅破坏当前解码帧， 而且会影响到后续 帧 ， 严 重 降 低 主 观 视 觉 效 果 ［１－ ２］。 在 这 种 情 况 下 ， 可 在 解 码器端对受损宏块进行错误隐藏， 从而在不产生网络拥 塞 和 延 时 问 题 的 同 时 大 幅 提 高 重 建 图 像 的 质 量 ［３］。
邻 域 可 用 预 测 运 动 矢 量 均 值 、邻 域 可 用 预 测 运 动 矢 量 中
ｃｏｓｔｐｒｏ（ｉ ）＝! ×ｃｏｓｔｔｅｍｐｏｒａｌ（ｉ ）＋（１ － ! ）ｃｏｓｔｓｐａｔｉａｌ（ｉ ）
（２） 值 ， 候 选 集 中 所 得 匹 配 误 差 最 小 的 预 测 矢 量 即 为 恢 复 出
择的矢量获得的补偿效果并不是最佳的， 如图 ２ 所示。
边缘点数，
Ｐ ＩＮ１ ｊ
为第
ｊ
个边缘点，
ｎ$ ｊ１、ｎ$ ｊ２
为第
ｊ
个边缘点
的 边 缘 方 向 。 " 为 Ｓｏｂｅｌ 算 子 ：
－%
&
１
０
１( )
１ %
&
２
１( )
&
)
&
)
" ｘ＝
－&
&
２
０
２
，)
)
" ｙ＝
& &
０
０
０) )
（５）
&
)
&
)
－ １ ０ １ &&
当帧间图像发生错误时， 一般采用时域错误隐藏方 法， 即利用图像序列的连续性， 恢复受损块的运动矢量 并用其运动补偿块来代替受损块进行错误隐藏。其中， 恢复运动矢量主要利用运动矢量的空间和时间的相关 性 。参 考 文 献［４］列 举 了 一 系 列 运 动 矢 量 恢 复 方 法 ， 如 采 用 零 矢 量 、参 考 帧 相 应 宏 块 运 动 矢 量 、邻 域 宏 块 运 动 矢 量 的 均 值 、邻 域 宏 块 运 动 矢 量 的 中 值 等 。 为 了 获 得 最 优 的 运 动 矢 量 ， 参 考 文 献 ［５］提 出 更 为 精 确 的 边 界 匹 配 算 法 ＢＭＡ （ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ） ， 通 过 计 算 补 偿 块
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ ： Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｅｒｒｏｒ ｃｏｎｃｅａｌｍｅｎｔ， ａ ｎｅｗ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ｏｆ ｂｏｕｎｄａｒｙ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅｄ ｒｅｇｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ － ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｅｄｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｗｅｌｌ ｒｅ－ ｃｏｖｅｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．
))
’

*
－ １ &&
’
－２
－ １ )) *
如 图 ３ 所 示 ， 通 过 Ｓｏｂｅｌ 算 子 在 受 损 块 内 部 边 界 三
像素宽的像素条上移动并在每个位置计算对应中心
像素的梯度值， 可以得到受损块边界各像素的水平与
垂 直 梯 度 ： Ｇｘ （ｘ ， ｙ） 、Ｇｙ （ｘ ， ｙ） ， 相 应 梯 度 矢 量 的 幅 度 和 方向角为：
匹配准则能够准确地将最佳的矢量与其他矢量区分开来， 块的可用性进行相应调整。预测矢量候选集包括： 零矢
因 此 ， 本 文 在 匹 配 准 则 中 引 入 了 加 权 的 边 界 匹 配 误 差 。 基 量 、参 考 帧 相 应 宏 块 运 动 矢 量 、邻 域 可 用 预 测 运 动 矢 量 、
于时空域平滑特征， 将边界误差的衡量分为两部分：
计算机技术与应用 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
一种适用于时域错误隐藏的边界匹配算法＊
韩合民， 郭宝龙， 赵连凤 （西 安 电 子 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院 ， 陕 西 西 安 ７１００７１）
摘 要： 针对错误隐藏过程中传统边界匹配算法对边缘匹配的局限性， 提出一种基于时域与空域 平滑性的边界匹配算法。该算法引入加权的边界匹配误差： 时域误差用于衡量时域的连续性； 空域误 差则反映边缘的连续性。实验结果表明， 该算法有效解决了存在多方向边缘穿越受损区域情况下最 优矢量的选择问题， 使得恢复后的图像在边界处具有较好的连续性。
位置的匹配关系
来 分 配 "ｎ$ｊ１ 权 重 大 小 。 重 复 上 一 步 操 作 ， 再 次 对 当 前 边 缘
点 外 围 三 点 进 行 局 部 边 缘 点 检 测 ， 根 据 ｎ$ｊ２ 与 检 测 到 的 边 缘 点 位 置 的 匹 配 关 系 来 分 配 "ｎ$ｊ２ 权 重 大 小 。由 于 充 分 考 虑
的内外边界像素变化差值来选择候选集中最优的运动 矢 量 用 于 受 损 块 重 建 ， 这 一 方 法 由 于 其 简 单 、易 实 现 等 优 点 已 被 Ｈ．２６Ｌ 的 验 证 模 型 所 采 纳 ［６］。
然 而 ， 基 于 ＢＭＡ 的 错 误 隐 藏 算 法 仅 着 重 于 空 域 平 滑性的利用， 且在存在倾斜边缘穿越受损块的情况下对 最优矢量的选择并不十分有效。针对这一问题， 本文提 出 一 种 结 合 时 域 与 空 域 平 滑 性 的 边 界 匹 配 算 法 。边 界 误 差的衡量分为两部分： 时域误差定义为当前帧受损块与 参考帧补偿块外边界相应像素绝对差值和； 空域误差则 基于边缘的连续性， 定义为边界区域范围内边缘的平均 变化。实验结果表明， 该算法较好地适用于相邻宏块间 存在多方向边缘的情况， 从而使得恢复后的图像在边界 处具有较好的连续性。 １ 边 界 匹 配 算 法 （ ＢＭＡ）
ｒ ｘ ＋ ＭＶ ｘ ， ｙ ０ － １ ＋ ＭＶ ｙ
ｃ ｘ， ｙ０ ＋Ｎ
ｒ ｘ ＋ ＭＶ ｘ ， ｙ ０ ＋ Ｎ ＋ ＭＶ ｙ
ｙ０＋ Ｎ－ １
＋ ! ［ Ｐ － Ｐ ＋ Ｐ － Ｐ ］ ｙ＝ｙ０
ｃ ｘ０ － １ ， ｙ
ｒ ｘ０ － １ ＋ ＭＶｘ ， ｙ＋ ＭＶｙ
ｃ ｘ０ ＋Ｎ， ｙ
ｒ ｘ０ ＋ Ｎ＋ ＭＶｘ ， ｙ＋ ＭＶｙ
Ｇｘ（ｘ， Ｇｙ（ｘ，
ｙ） ｙ）
＝ ｔａｎ#ｓ （ｘ ，
ｙ）
（８）
则ｎ$（ｘ， ｙ）＝１∠#ｓ（ｘ，
ｙ）。获 取 边 缘 点
Ｐ ＩＮ１ ｊ
信息后，
对边缘点外围
三点进行局部边缘点检测，
得到边缘点
Ｐ ＩＮ２ ｊ
及边缘方向
ｎ$ ｊ２。 基 于 边 缘 的 连 续 性 ，
可 根 据 ｎ$ｊ１
与
Ｐ ＩＮ２ ｊ
了边缘的特征， 沿边缘走向来衡量当前恢复区域的平滑
２ 基于时空域平滑性的边界匹配算法
性 ， 本 文 算 法 可 以 有 效 克 服 ＢＭＡ 对 边 缘 匹 配 的 局 限 性 。
为了从预测矢量候选集中选择最佳的运动矢量， 要求
与 ＢＭＡ 算 法 相 同 ， 本 文 提 出 的 匹 配 函 数 应 视 邻 域
１２０ 欢迎网上投稿 ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ
《电子技术应用》２００８ 年第 １ 期
计算机技术与应用 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｃｏｓｔｔｅｍｐｏｒａｌ ＝
ｘ０ ＋ Ｎ － １
! ［ Ｐ － Ｐ ＋ Ｐ － Ｐ ］ ｘ＝ｘ０
ｃ ｘ， ｙ０ － １
（１）
式 中 ， ｘ０、ｙ０ 为 当 前 受 损 块 左 上 角 像 素 坐 标 ， ＭＶｘ、ＭＶｙ 分 别 为 当 前 预 测 矢 量 的 两 个 分 量 ， Ｐｃ 与 Ｐｒ 分 别 为 当 前 帧