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一种基于位平面和位运动估计的视频数据压缩算法

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复旦学报（自然科学版） 2024年第1期63卷 115-121,133,I0002页

作者：王铖伃严利民上海大学机电工程与自动化学院上海200444 上海大学微电子研究与开发中心上海200444

高分辨率和高刷新率使得带宽传输的压力加倍。通常,视频压缩被用来解决这个问题。但传统的视频压缩方法不根据位平面进行编码和解码,会增加存储区域的成本。因此本文首先介绍了一种位恰可察觉失真(BJND)模型,计算了结合视点因子的位平... 详细信息

高分辨率和高刷新率使得带宽传输的压力加倍。通常,视频压缩被用来解决这个问题。但传统的视频压缩方法不根据位平面进行编码和解码,会增加存储区域的成本。因此本文首先介绍了一种位恰可察觉失真(BJND)模型,计算了结合视点因子的位平面恰可察觉失真模型的阈值,并将亮度因子和纹理因子的恰可察觉失真(JND)阈值映射到位平面上,综合得出了位恰可察觉失真模型。然后提出了一种基于位运动估计算法的视频压缩方案。该方案使改进后的搜索范围不仅包括时间维度,还包括灰度维度。根据人眼的视觉特点和概率统计分析,方案新增了补充匹配块来替代残差数据,从而保证了压缩比的恒定性。实验结果表明,所提方案对低5位平面压缩具有最佳的综合效果,压缩比为1.38,数据传输量恒定,且恢复后的图像与原始图像并无明显差异,更加符合人眼的直观感受。

关键词：视频压缩恰可察觉失真模型位平面运动估计算法

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图像结构保持的高鲁棒性数字水印算法研究

图像结构保持的高鲁棒性数字水印算法研究

作者：张允明山东师范大学

学位级别：硕士

随着互联网科技的发展以及电子可视设备的普及,越来越多的数字图像内容可以通过互联网平台实现高效的传输分享,在给用户提供极大便利的同时,也带来数字图像的安全性问题。如何实现数字图像的版权保护、数字认证及数据跟踪,受到越来越多... 详细信息

随着互联网科技的发展以及电子可视设备的普及,越来越多的数字图像内容可以通过互联网平台实现高效的传输分享,在给用户提供极大便利的同时,也带来数字图像的安全性问题。如何实现数字图像的版权保护、数字认证及数据跟踪,受到越来越多的关注。数字水印算法作为一种保护数字图像版权的有效工具,广泛应用于图像文件的追踪溯源,已经成为网络空间安全领域的研究热点。数字水印技术是将版权信息或来源信息作为水印,嵌入到数字图像载体中的一种信息隐藏技术,通常它可以以一种人类视觉不可感知的方式携带标识信息。尽管数字图像可能受到一定的信号处理攻击,人们还是可以从数字图像载体中提取出水印信息来进行数字版权归属、认证、溯源等。水印图像的质量、水印信息嵌入容量以及算法的鲁棒性是衡量数字水印技术的三个重要指标,各项指标之间存在难以解决的制衡问题,如何使算法各方面性能平衡稳固提升一直是水印技术发展的重要难点。本文主要针对数字图像水印算法中的高鲁棒性进行研究。主要研究了传统的差值调制算法和基于深度学习框架的水印算法,结合图像结构特征,设计了两类合适的改进算法,有效提升了数字图像水印算法的鲁棒性。主要内容如下:1.提出图像结构掩蔽特征引导的高鲁棒性数字水印算法:首先,利用图像离散余弦变换（Discrete Cosine Transform,DCT）域局部区域的块内外强相关性,定义水平、竖直及对角三个方向作为块间对比方向,在相邻方向块内定义同方向的系数向量进行投影作差,得到待嵌水印的差值量。然后,根据差值的分布范围设置八区间调制,引入恰可察觉失真（Just Noticeable Difference,JND）视觉模型,构造了区间阈值感知偏移量,有效利用视觉冗余,进一步提高算法鲁棒性。最后,算法设计了两个嵌入规则,通过将相邻块向量的投影差值移动到特定的区间来实现水印信息嵌入,同时通过JND参数实现了DCT系数的自适应匹配调整,完成水印信息的嵌入。本文通过实验验证了提出算法在常见信号处理攻击下的鲁棒性,分别对提出的多向相关性对比方法、多系数扩展方法以及JND调制方法进行了消融实验分析,验证了提出的每个改进策略的有效性,并将提出的方法与其他差值调制方法及传统的水印算法相比较,实验结果证明,文中提出的算法具有更高的鲁棒性。2.提出基于图像结构特征学习框架的高鲁棒性水印算法:为了进一步提升算法对联合处理攻击的鲁棒性,并保持水印图像的结构细节信息,本文提出基于图像结构特征学习的鲁棒水印算法。该算法使用卷积神经网络（Convolutional Neural Networks,CNN）分两个阶段分别对编码器和解码器进行训练。第一阶段为无噪声端到端训练阶段,使用生成对抗网络（Generative Adversarial Networks,GAN）提升编码器性能。在上述阶段训练过程中,为有效保持水印图像的结构细节,算法将输入图像划分为不同的图像通道,并对亮度通道进行小波变换,得到图像亮度通道的高低频带,针对图像的亮度和色度通道以及高低频带设计损失函数。在第二个训练阶段中,算法固定编码器参数,并添加噪声层训练解码器。为了使算法在在线网络传输中具备足够的鲁棒性,根据在线网络平台常见的联合攻击设计噪声层。实验结果表明,提出的算法对常见的图像处理操作和联合攻击都具有高鲁棒性。

关键词：数字图像水印图像结构特征恰可察觉失真模型深度学习网络图像安全

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面向微距图像的鲁棒数字水印算法及系统设计

面向微距图像的鲁棒数字水印算法及系统设计

作者：山文倩山东师范大学

学位级别：硕士

随着移动互联网的普及和多媒体技术的飞速发展,移动便携设备采集图像越来越方便。如今,手机设备可以满足微距、超广角等不同拍摄场景的需求,极大的拓展了智能手机摄影的使用场景。微距图像以其丰富的画面细节表现,受到人们喜爱,因此微... 详细信息

随着移动互联网的普及和多媒体技术的飞速发展,移动便携设备采集图像越来越方便。如今,手机设备可以满足微距、超广角等不同拍摄场景的需求,极大的拓展了智能手机摄影的使用场景。微距图像以其丰富的画面细节表现,受到人们喜爱,因此微距图像在互联网上的出现频次越来越多。用户在享受使用微距图像来分享自己的生活和情感乐趣的同时,也面临图像等数字信息被非法复制、篡改等侵权行为。这些侵权行为极大的损害了版权所有者的利益。因此,图像版权保护问题亟待解决。数字水印算法通过在多媒体中嵌入体现版权的信息,能够很好地保护图像版权。数字水印技术具有鲁棒性和不可见性两个重要指标,两者之间的权衡问题是水印算法设计中的巨大挑战。为了进一步均衡数字水印算法性能,恰可察觉失真(Just Noticeable Distortions,JND)模型被越来越多的研究者引入,有效提升了数字水印算法的视觉质量。但是大多数的JND模型水印算法并没有考虑到微距图像分为离焦区域和聚焦区域的视觉特性,导致高估或低估视觉掩蔽因子。因此针对微距图像设计具有特定掩蔽因子的JND模型并应用到量化水印算法中,可以有效提高微距图像水印算法的不可见性和鲁棒性。随着移动互联网的快速发展,移动端使用率远高于PC端,用户对于移动端的数字水印系统的需求与日俱增,因此开发Android端和iOS端数字水印系统具有很大的使用价值。本文主要研究了面向微距图像的鲁棒数字水印算法,通过计算微距图像的清晰度、聚焦值、纹理、方向和颜色特征对视觉掩蔽效应的影响,对JND模型进行改进,引导水印量化嵌入,实现针对微距图像水印算法鲁棒性和不可见性之间的良好权衡。针对移动端设计了Android端和iOS端数字水印系统。主要内容如下:1.面向微距图像的鲁棒数字水印算法本论文针对微距图像对JND模型进行了改进,更好地均衡了微距图像水印算法的性能。针对微距图像的聚焦和清晰度特征,本文提出了一种模糊度掩蔽因子;针对微距图像中的纹理和方向特征,本文采用指数函数模型模拟两个特征的对比度掩蔽效应,提出了一种纹理和方向度量引导的对比度掩蔽因子。在此基础上,本文考虑了图像Cb和Cr通道的色差视觉掩蔽影响,提出了一种颜色复杂度掩蔽因子,并设计了一种新的JND模型。本论文将所提出的JND模型应用到量化水印算法中。实验证明,本文所设计的JND模型在微距图像和普通图像中具有较好的适用性,且能很好的均衡水印算法不可见性和鲁棒性。2.移动端的数字水印系统设计与实现本论文针对Android端和iOS端设计并实现了鲁棒的数字水印系统,该系统综合考虑水印系统的功能和性能需求,设计了包含图像获取、图像预处理、水印预处理、水印嵌入提取、图像保存等多个系统模块,并完成了该系统运行时间测试、不可见性测试、抗社交网络攻击性等方面的性能测试。结果表明,Android端和iOS端数字水印系统能够较好的实现图像版权保护功能,同时具有良好的用户体验。

关键词：鲁棒数字水印恰可察觉失真模型图像模糊度 Android系统 iOS系统

基于立体感知失真模型的3D-JND模型研究

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福建电脑 2016年第5期32卷 102-103,110页

作者：陈勇黄佳禾同济大学计算机科学与技术系上海200240

恰可察觉失真模型能够衡量图像中的视觉冗余信息,在图像压缩及识别等方面应用较广。本文针对立体图像,在平面视觉因素的基础上进一步考虑双目抑制效应,提出更加符合人眼立体视觉感知的非对称3D-JND模型。

关键词：恰可察觉失真模型人眼视觉特性双目抑制效应

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结合人眼视觉关注特性的视频质量评价

光学技术 2016年第4期42卷 351-356页

作者：王朝云郁梅陈芬彭宗举宁波大学信息科学与工程学院浙江宁波315211

考虑到人眼视觉关注特性在视频质量评价(VQA)中所具有的重要作用,提出了一种结合人眼视觉关注特性的视频质量评价方法。首先利用三维Sobel算子以及恰可察觉失真模型得到全局显著图,对全局显著图的每个显著像素点构建结构张量来求取一帧... 详细信息

考虑到人眼视觉关注特性在视频质量评价(VQA)中所具有的重要作用,提出了一种结合人眼视觉关注特性的视频质量评价方法。首先利用三维Sobel算子以及恰可察觉失真模型得到全局显著图,对全局显著图的每个显著像素点构建结构张量来求取一帧的全局质量;然后利用视频运动信息以及人眼中心关注特性求得局部显著图来进行感知加权,得到一帧的局部质量;最后均衡局部与全局质量得到视频中一帧的质量,并采用机器学习的方法获得时域加权模型,对视频帧进行加权,从而得到客观视频质量评价值。在LIVE视频数据库上进行性能测试,得到PLCC(Pearson Linear Correlation Coefficient)为0.827,SROCC(Spearman Rank Order Correlation Coefficient)为0.802,与已有相关算法相比,所提出的VQA方法的评价结果更接近人眼的主观感知。

关键词：视频质量评价人眼感知特性恰可察觉失真模型显著图结构张量机器学习

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感知视频编码及其错误隐藏技术研究

感知视频编码及其错误隐藏技术研究

作者：李承欣福建师范大学

学位级别：硕士

近年来,基于人类视觉特性的感知视频编码技术在视频压缩领域应用中得到高度关注,对于减少视频数据存储和降低信道传输成本具有重要意义,该技术已成为计算机科学、人类视觉工程等领域的一个热门研究方向。本文尝试使用人类视觉注意力模... 详细信息

近年来,基于人类视觉特性的感知视频编码技术在视频压缩领域应用中得到高度关注,对于减少视频数据存储和降低信道传输成本具有重要意义,该技术已成为计算机科学、人类视觉工程等领域的一个热门研究方向。本文尝试使用人类视觉注意力模型和人类视觉敏感度模型来提高视频的压缩效率。若高压缩的视频数据在不稳定的信道传输,则可能会出现传输错误,并导致解码错误而影响主观效果。因此,提高视频码流鲁棒性的错误隐藏技术己成为视频编码技术中热门的研究方向。本文利用视频中的时空域相关性来对丢失的视频数据进行修复,改善视频的主观和客观质量。本文的主要工作如下:首先,本文提出了一种基于显著性协同检测的恰可察觉失真模型,将代表视觉敏感度的恰可察觉失真模型与代表视觉注意机制的显著性检测模型用于视频编码技术。该模型结合像素域和变换域的恰可察觉失真模型的优点,对视频纹理、边界和平坦区域分别估计出较精确的感知模型。同时,基于加权稀疏编码框架的显著性算法用于检测视频中显著性区域来调整恰可察觉失真模型,整合后的模型可以嵌入到视频编码框架中去除视频的冗余数据。实验结果显示,该模型比现有的HM 16.0视频编码软件平均码率节省了 8.82%。其次,本文提出一种基于结构分析的感知视频信号处理模型。该模型先分策略获取视频帧的有序结构分量、无序结构分量和纹理分量进行建模;通过得到的无序结构分量的结构不确定性调节视频帧的时空域显著性区域和对比度掩蔽效应。最后,基于SSJ的感知滤波模块嵌入到视频编码框架HM16.0中去除视频冗余数据。实验结果表明,该模型比HM16.0平均码率节省9.43%。最后,本文提出了一种时空域结合的错误隐藏算法。在空域修复中,算法使用提出的基于块位置自适应策略。该策略主要分析接收块的位置以及帧内宏块划分模式来选择改进的和现有的帧内修复算法。在时域修复中,该算法需要判断周边接收宏块的帧间分割类型,根据分割类型对受损宏块进行区域划分,通过划分模式使用不同的帧间修复模型。实验结果表明,提出的算法与传统方法相比,在客观质量和主观质量都有明显的提高。

关键词：感知视频编码技术恰可察觉失真模型显著性错误隐藏技术

基于HEVC Main 10框架的感知高动态范围视频编码

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基于HEVC Main 10框架的感知高动态范围视频编码

作者：林桥洲西安电子科技大学

学位级别：硕士

传统的标准动态范围（SDR）视频已被广泛应用于各个领域。其能够被广泛应用的主要原因是SDR视频中像素的每个颜色通道能够用一个字节表示,这使得SDR视频便于存储和传输。但是SDR视频只能覆盖有限的亮度动态范围和色域,而真实世界中的亮... 详细信息

传统的标准动态范围（SDR）视频已被广泛应用于各个领域。其能够被广泛应用的主要原因是SDR视频中像素的每个颜色通道能够用一个字节表示,这使得SDR视频便于存储和传输。但是SDR视频只能覆盖有限的亮度动态范围和色域,而真实世界中的亮度范围和色域比SDR成像系统所能捕获的范围要宽很多。高动态范围（HDR）图像和视频克服了SDR视频的这些缺点,更成功地描绘了真实的世界。但是,不同于SDR视频的整型值表示,HDR视频由浮点值表示。这意味着存储和传输HDR视频需要更大的内存和网络带宽。网络带宽的限制阻碍了HDR视频的广泛应用。因此,有必要实现高效的HDR视频编码,以减少对带宽的要求。由于视频信号的最终接收器是人的眼睛,因此,我们利用人类视觉系统（HVS）的特性来去除视觉冗余,以提高HDR视频的编码效率。本文的主要工作有以下几个方面:1.提出了一个具有向后兼容能力的光电转换函数（OETF）。混合对数伽玛（HLG）转换函数具有向后兼容性,并且它的第二部分是对数映射函数。而均匀有理映射函数（URMF）是一种快速、简单的量化技术,它是通过有理量化来近似对数映射函数所得到的。URMF比对数映射函数更加高效并且它符合人类视觉特性,因此,我们用URMF来替换HLG中的对数映射函数以此来生成一个新的光电转换函数。我们所提出的光电转换函数非常高效、具备向后兼容的能力,并且能够提高解码后的HDR视频的视觉质量。2.提出了一种10比特HEVC编码器的优化算法。根据HVS模型,我们提出了一个基于自由能的10比特恰可察觉失真模型（FEJND）。利用该模型为每个编码单元生成基于感知的拉格朗日乘子,然后通过最小化率失真代价来为每个编码单元执行切分与合并。我们提出的优化算法显著的降低了编码所需要的比特数,并成功地提高了解码后的HDR视频的主观感知质量。3.提出了10比特HEVC编码器的进一步优化算法。由于计算FEJND是一个非常耗时的过程,因此,使用FEJND会增加10比特HEVC编码器的时间复杂度。为了克服FEJND模型的缺点,我们设计了一个基于视觉规则性的JND模型（VRJND）。由于该模型计算复杂度低并且能够更好的表示人眼视觉系统,因此,我们使用该模型来指导编码单元的划分与合并。使用了VRJND模型的优化算法能够提升编码效率并且具有较低的时间复杂度。4.提出了一种编码单元快速决策算法。视觉规则性模型不仅能够用来描述人眼视觉系统,也可用于表示图像中的结构信息。在分析了最优编码单元大小与视觉规则性模型的关系之后,我们设计了一个提前终止算法和编码单元大小预测算法来做编码单元的快速决策。该编码单元快速决策算法是一种通用算法,这意味着它不仅能用于普通的HEVC编码器,还能用于10比特的HEVC编码器。

关键词：高动态范围高效视频编码编码器优化人眼视觉系统恰可察觉失真模型