計算機圖形處理技術(shù)：寬色域視頻圖像的多路徑并行傳輸方法

于夫（中國人民解放軍 92941部隊 45分隊，遼寧 葫蘆島 125000）

摘??要：為了在控制寬色域視頻圖像多路徑傳輸時延的同時，增強視頻傳輸質(zhì)量，提出寬色域視頻圖像多路徑并行傳輸方法。根據(jù)色域標(biāo)準條件和顏色測量原理，計算并獲得色域邊界的具體數(shù)值。建立寬色域視頻圖像信息之間的擴展映射關(guān)系，在此基礎(chǔ)上分別定義數(shù)據(jù)包中的周期性數(shù)據(jù)幀、非周期性數(shù)據(jù)幀，提高了多路徑環(huán)境中的傳輸穩(wěn)定性。通過發(fā)現(xiàn)節(jié)點并建立鏈接的處理方式，完成視頻圖像的多路徑并行傳輸編碼，實現(xiàn)了寬色域視頻圖像多路徑并行傳輸。實例分析結(jié)果表明，與 Kirsch算子圖像分割法相比，多路徑并行傳輸方法在處理寬色域視頻圖像時始終保持較低的傳輸時延（未超過30 ms），且在實驗過程中顯示帶寬均高于 700 Kb/s，實現(xiàn)了增強視頻傳輸質(zhì)量的目的。

中圖分類號：TN407?34；TN911.73 ??文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004?373X（2022）03?0078?05

0 引 言

在計算機圖形處理領(lǐng)域中，“色域”是顏色特征子集的存在形式。顏色子集最主要的應(yīng)用就是精確地描述一種給定的情況，例如每一幅計算機圖像都必須包含一個完整的色空間。在PC監(jiān)視器應(yīng)用方面，色域定義常常遵循sRGB標(biāo)準，該理論認為在一幅完整的視頻圖像中，顏色涵蓋度數(shù)值并不是越大越好，而是應(yīng)盡可能真實地反映圖像景觀表現(xiàn)形式。sRGB標(biāo)準是由微軟作業(yè)系統(tǒng)提供的色域定義條件，對于監(jiān)視器而言，為真實表達圖像中的景觀目標(biāo)，色域的選擇必須遵循背光原則，由于一部分顏色并不能被人眼直接辨別。所以，從某種程度上來講，色域也可以直接用來描述計算機圖像中的色彩表現(xiàn)強度[1?2]。

視頻傳輸指利用線纜或無線電波傳輸連續(xù)的圖像信號，其中前者被稱為有線視頻傳輸，后者被稱為無線視頻傳輸[3]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷進步，人們對于視頻傳輸?shù)囊笠苍谥饾u提高，不僅要對原始視頻圖像進行高清復(fù)原處理，還必須在播放視頻的同時，注重音頻、文字等其他感官要素之間的同步性。傳統(tǒng)Kirsch 算子圖像分割法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)吞吐量數(shù)值確定視頻模塊的轉(zhuǎn)碼率水平，再根據(jù)級聯(lián)效應(yīng)計算待傳輸視頻圖像的粗粒度特質(zhì)[4]。然而在處理寬色域視頻圖像時，與Kirsch 算子圖像分割法相關(guān)的圖像傳輸時延水平較高，而圖像信息的顯示帶寬數(shù)值卻相對較低。為解決上述問題，本文提出寬色域視頻圖像的多路徑并行傳輸方法。

1 寬色域視頻圖像的擴展映射

寬色域視頻圖像擴展映射關(guān)系的建立包含色域標(biāo)準定義、顏色測量、色域邊界確定三個主要處理環(huán)節(jié)，具體研究方法如下。

1.1 色域標(biāo)準定義

色域能夠反映視頻圖像顏色系統(tǒng)所包含顏色集合的大小。所謂寬色域則是在色域理論上衍生出來的定義參量，對于互聯(lián)網(wǎng)視頻圖像而言，寬色域包含的顏色分類項更多，一般來說，在原始色度圖中符合寬色域定義標(biāo)準的節(jié)點集合始終呈現(xiàn)多邊形表現(xiàn)形式[5?6]。設(shè)ΔE表示視頻圖像色域?qū)挾鹊膯挝蛔兓?，ΔS表示視頻圖像色域廣度的單位變化量，λ表示顏色分類系數(shù)，-W表示視頻圖像中的色差變化均值，聯(lián)立上述物理量，可將視頻圖像的寬色域定義項H表示為：

規(guī)定v，z代表兩個不同的寬色域節(jié)點定義系數(shù)，Iv表示系數(shù)取值為v時的色彩特征量，I表示系數(shù)取值為z時的色彩特征量，Cvz表示視頻圖像中的色域廣度條件。聯(lián)立上述物理量，可將標(biāo)準色域系數(shù)表示為：

聯(lián)立式（1），式（2），可將視頻圖像中的色域標(biāo)準條件定義為：

式中：e′表示色彩分辨系數(shù)；ε表示視頻圖像中的標(biāo)準色域?qū)挾葪l件。色域標(biāo)準是一個明確的評價條件，若以源視頻圖像為目標(biāo)，則可認為色域?qū)挾认禂?shù)值越大，圖像信息的單位覆蓋面積也就越大。

1.2 顏色測量

為有效控制寬色域視頻圖像多路徑傳輸時延，進而最大化提升圖像信息的顯示帶寬，常見的顏色測量方法主要有如下三種。

1）目視法

這種方法將視頻圖像在特定光源下的顏色特征與色域標(biāo)準下的顏色特征進行對比，并計算出既定節(jié)點處二者之間的物理數(shù)值差[7]。此方法的執(zhí)行主觀性相對較強，因為視頻圖像的顏色表現(xiàn)特征本身就具有極大的主觀性，且由于測量角度不同，既定節(jié)點處的差值計算結(jié)果也會有所不同。

2）光電積分法

這種方法在寬色域視頻圖像中，分別測量顏色特征在x軸、y軸、z軸方向上的表現(xiàn)數(shù)值，再根據(jù)相應(yīng)的色度坐標(biāo)將信息節(jié)點與各條并行路徑匹配起來。此方法不對視頻圖像的核心節(jié)點設(shè)限，因此在操作過程中，無論面對多大的圖像信息存儲量，相關(guān)色域查詢標(biāo)準都能得到較好滿足。

3）分光廣度法

這種方法能夠直接計算出寬色域視頻圖像中的顏色精度特征，對于信息參量的多路徑并行傳輸行為而言，待挖掘的顏色節(jié)點特征越多，寬色域視頻圖像中的色彩組成情況也就越復(fù)雜[8]。

1.3 色域邊界確定

色域邊界是指在視頻圖像中兩個不同顏色區(qū)塊的相交之處，對于色彩組成較為復(fù)雜的圖像來說，為保證信息參量的傳輸穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能細致地對色域邊界條件進行劃分。規(guī)定在一幅寬色域視頻圖像中，顏色區(qū)塊之間雖然相交，但卻不存在明顯的相互滲透行為，即每一色塊區(qū)域都能保持其真實的色彩顯示情況。

在建立寬色域視頻圖像的擴展映射關(guān)系時，為保證色域邊界的絕對穩(wěn)定性，應(yīng)人為設(shè)定一維、二維、三維3個基本維度水平。其中，一維色域邊界只包含一種型的圖像節(jié)點坐標(biāo)；二維色域邊界包含兩種類型的圖像節(jié)點坐標(biāo)；三維色域邊界中則同時存在三種類型的圖像節(jié)點坐標(biāo)[9?10]。

規(guī)定p代表一個既定的視頻圖像節(jié)點，Xp表示該節(jié)點在x 軸上的色彩表達系數(shù)，Yp表示y軸上的色彩表達系數(shù)，Zp表示z軸上的色彩表達系數(shù)，在三維色域同時存在的情況下，聯(lián)立式（3），可將視頻圖像的色域邊界表達式定義為：

式中：β表示單位視頻圖像區(qū)域中的色域表達特征；u0表示圖像信息布局系數(shù)的起始值；up表示節(jié)點p處的圖像信息布局系數(shù)。

對于視頻圖像而言，色域邊界條件能夠決定某一節(jié)點是否能夠承擔(dān)后續(xù)的多路徑并行傳輸任務(wù)。

2 視頻圖像的多路徑并行傳輸編碼

在擴展映射原理的支持下，按照周期性數(shù)據(jù)幀定義、非周期性數(shù)據(jù)幀定義、節(jié)點發(fā)現(xiàn)與建立鏈接的處理流程，完成寬色域視頻圖像的多路徑并行傳輸編碼。

2.1 周期性數(shù)據(jù)幀

在暫態(tài)條件下，由于很多未知的寬色域視頻圖像節(jié)點并沒有被發(fā)現(xiàn)，所以并行傳輸路徑的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中往往包含大量的周期性數(shù)據(jù)幀。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)的編碼速率并不能與其轉(zhuǎn)發(fā)速率保持一致時，表明一個信息節(jié)點的發(fā)現(xiàn)過程已經(jīng)結(jié)束，與該信息相關(guān)的其他周期性數(shù)據(jù)幀也不再會保持原有的發(fā)送狀態(tài)[11]。

而在非暫態(tài)條件下，寬色域視頻圖像信息的傳輸行為具備較強的偶發(fā)性，當(dāng)所有傳輸信息都滿足周期性數(shù)據(jù)幀定義標(biāo)準時，這些數(shù)據(jù)包文件能夠在同一時間到達目標(biāo)傳輸位置，且隨著信息輸入量的增大，原有的多路徑并行傳輸環(huán)境被打破，大量數(shù)據(jù)信息進入未被編碼的色域邊界環(huán)境之中，而當(dāng)信息量達到一定數(shù)值標(biāo)準時，網(wǎng)絡(luò)主機才會再次開始對這些數(shù)據(jù)幀文件進行整合處理[12]。

設(shè)a表示寬色域視頻圖像信息的暫態(tài)傳輸系數(shù)，v表示非暫態(tài)傳輸系數(shù)，Ba，Bv 分別表示與a和v對應(yīng)的并行數(shù)據(jù)篩查條件，χ表示寬色域視頻圖像信息的偶發(fā)傳輸特征值，聯(lián)立式（4），可將周期性數(shù)據(jù)幀表達式定義為：

對于寬色域視頻圖像而言，周期性數(shù)據(jù)幀定義條件決定了信息參量的最遠傳輸距離。

2.2 非周期性數(shù)據(jù)幀

非周期性數(shù)據(jù)幀是與周期性數(shù)據(jù)幀對應(yīng)存在的。一般來說，在寬色域視頻圖像中，存在一個周期性數(shù)據(jù)幀也就存在一個與之對應(yīng)的非周期性數(shù)據(jù)幀。為實現(xiàn)圖像信息的多路徑并行傳輸，非周期性數(shù)據(jù)幀一般被用來描述一個色域節(jié)點到另一個色域節(jié)點的鏈接狀態(tài)，且這種傳輸映射方向始終與信息參量的傳輸方向保持一致[13]。設(shè)Na表示暫態(tài)傳輸條件下的數(shù)據(jù)路徑編碼系數(shù)，Nv表示非暫態(tài)傳輸條件下的數(shù)據(jù)路徑編碼系數(shù)，ξ表示寬色域視頻圖像的非周期性傳輸指標(biāo)參量，gmax表示視頻圖像信息的最大取值條件。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4），可將非周期性數(shù)據(jù)幀的表達式定義為：

對于寬色域視頻圖像而言，非周期性數(shù)據(jù)幀定義條件決定了信息參量在多路徑環(huán)境中的傳輸穩(wěn)定性水平。

2.3 節(jié)點發(fā)現(xiàn)和建立鏈接

節(jié)點發(fā)現(xiàn)是指對寬色域視頻圖像節(jié)點的深入挖掘。一般來說，為保證圖像多路徑并行傳輸指令的順利運行，應(yīng)選取大量信息節(jié)點作為目標(biāo)對象，一方面能夠保證信息參量在運輸過程中不出現(xiàn)較大偏差，另一方面也可避免錯誤傳輸行為的出現(xiàn)。

鏈接則是指節(jié)點與節(jié)點之間的信息傳輸關(guān)系。對于寬色域視頻圖像而言，多路徑并行傳輸是一個相對較為復(fù)雜的處理過程，且由于周期性數(shù)據(jù)幀、非周期性數(shù)據(jù)幀等外界干擾條件的存在，信息的傳輸與處理指令總是伴隨出現(xiàn)的[14?15]。因此，對于視頻圖像的編碼也必須在信息傳輸過程中一并完成。具體的節(jié)點發(fā)現(xiàn)與鏈接建立原理如圖1所示。

至此，完成對相關(guān)指標(biāo)參量的計算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，實現(xiàn)寬色域視頻圖像多路徑并行傳輸方法的順利應(yīng)用。

3 實例分析

視頻傳輸質(zhì)量可用來衡量圖像信息在多路徑條件下的傳輸情況。對于寬色域視頻圖像而言，圖像信息的傳輸時延越小、顯示帶寬值越大，則表示視頻圖像的傳輸質(zhì)量水平越高，反之則越低。

按照圖2所示流程圖對實驗所需的寬色域視頻圖像信息進行處理。分別應(yīng)用多路徑并行傳輸方法、Kirsch算子圖像分割法，對滿足圖2篩選原則的寬色域視頻圖像信息進行處理，其中前者作為實驗組，后者作為對照組。

圖3反映了應(yīng)用實驗組、對照組方法后，寬色域視頻圖像信息傳輸時延的變化情況。

分析圖3可知，隨著寬色域視頻圖像信息傳輸量的增大，實驗組、對照組的傳輸時延均出現(xiàn)了較為明顯的波動變化狀態(tài)。對照組傳輸時延的極大值主要集中在30~70 Mb 的圖像信息量取值區(qū)間范圍內(nèi)，在此階段，其最大數(shù)值結(jié)果達到了57.4 ms；而傳輸時延的極小值主要表現(xiàn)在實驗開始階段與即將結(jié)束階段，全局最小值達到了14.2 ms。實驗組傳輸時延的最大值31.3 ms 出現(xiàn)在寬色域視頻圖像信息傳輸量即將達到40 Mb 的時間節(jié)點處，與對照組最大值相比，下降了26.1 ms；極小值則主要集中在 0~20 Mb 的圖像信息量取值區(qū)間范圍之內(nèi)，在此階段，其最小數(shù)值結(jié)果為5 ms，與對照組最小值相比，下降了9.2 ms。

表1記錄了應(yīng)用實驗組、對照組方法后，寬色域視頻圖像信息顯示帶寬值的具體變化情況。

分析表1可知，隨著寬色域視頻圖像信息傳輸量的增大，實驗組信息顯示帶寬值始終保持不斷波動的變化狀態(tài)。當(dāng)信息傳輸量取值結(jié)果處于30~90 Mb 的數(shù)值區(qū)間之內(nèi)，實驗組帶寬值的平均水平明顯相對較高，在此過程中，其最大值結(jié)果達到了783.40 Kb/s，全局最小值為704.34 Kb/s，出現(xiàn)在圖像信息傳輸量等于20 Mb的時間節(jié)點處。對照組信息顯示帶寬值則呈現(xiàn)階段性變化狀態(tài)，在0~30Mb、60~80Mb的圖像信息傳輸量取值區(qū)間內(nèi)，對照組帶寬值的變化行為更為平穩(wěn)，而當(dāng)圖像信息傳輸量等于40 Mb和90 Mb時，對照組帶寬值出現(xiàn)了兩次明顯的下降，整個實驗過程中的最大帶寬值為506.73 Kb/s，與實驗組最大值相比，下降了276.67 Kb/s，最小值帶寬值為471.54 Kb/s，與實驗組最小值相比，下降了232.80 Kb/s。

綜上可知，在多路徑并行傳輸方法作用下，隨著寬色域視頻圖像信息傳輸量的增大，傳輸時延的上升變化趨勢得到了有效控制，與此同時，信息顯示帶寬表現(xiàn)出來的數(shù)值水平也出現(xiàn)了明顯增大的變化趨勢，對于最大化提升寬色域視頻圖像的傳輸質(zhì)量，確實能夠起到一定的促進作用。

4 結(jié) 語

對于寬色域視頻圖像而言，多路徑并行傳輸方法在傳統(tǒng)Kirsch算子圖像分割法的基礎(chǔ)上，針對色域標(biāo)準、顏色測量條件、色域邊界三項物理量進行了重新定義，并以此實現(xiàn)對圖像信息間擴展映射關(guān)系的完善。在同時存在周期性數(shù)據(jù)幀、非周期性數(shù)據(jù)幀的情況下，多路徑并行傳輸方法又通過發(fā)現(xiàn)節(jié)點并建立鏈接的處理方式，實現(xiàn)對圖像信息的實時編碼，不但能夠較好地控制寬色域視頻圖像的傳輸時延，也可以從根本上提升圖像信息顯示帶寬的平均數(shù)值水平。

參 考 文 獻

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作者簡介：

于 夫（1984—），男，滿族，遼寧阜新人，碩士研究生，工程師，主要從事通信方面的研究。

編輯：黃飛

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