CN115118998A - 一种增强投影相关性帧间编码方法、解码方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强投影相关性的帧间编码方法、解码方法及装置，解码方法包括以下步骤：顺序输入各帧的点云序列A，去除各点云序列A的离群点；以X帧为一组，对每组第一帧的点云序列A进行V‑PCC编码并输出；对每组其余帧进行以下操作：对点云序列A进行基于运动一致性的二叉树分割，得到分割信息和若干点云块；分割信息包括块索引；对点云块依次进行NDT粗配准和ICP精细配准，得到配准后的点云块和ICP精细配准中产生的的旋转矩阵R和平移向量T；对点云块进行点云融合并生成点云序列B；对点云序列B使用平滑算法；对点云序列B进行V‑PCC编码并输出，对分割信息、旋转矩阵R和平移向量T进行熵编码并输出。该方法进一步提高了V‑PCC的编码性能。

Description

一种增强投影相关性帧间编码方法、解码方法及装置
技术领域
本发明涉及一种增强投影相关性的帧间编码方法、解码方法及装置，属于帧间预测技术领域。
背景技术
从数学的角度，点云是一系列点的集合，物理含义是三维真实世界的数字化采样，每一个点包括几何信息(x,y,z)和属性信息(例如，R,G,B,反射强度等)。和传统的2D图像相比，3D点云能更加准确表达目标物体或者场景。目前已经广泛应用于虚拟现实、增强现实、无人驾驶、医疗以及高精度地图等领域。然而，相比传统的2D的图像，点云数量级至少超过了一个数量级而且是无序。目前对于用于点云编码性能测试的典型动态点云序列，每一帧点云通常包含近百万个点，每个点由30个比特表示几何信息，24个比特表示颜色信息，因此一帧点云大小约为6Mbyte，对于30帧每秒的点云序列，则码率大小为180Mbyte/s，所以有效的压缩方法对于点云的存储和传输是极其重要的。
为了有效的压缩点云序列,目前的方法主要是利用帧与帧之间的相关性去除冗余信息，主要分为两大类方法：3D的帧间预测方法和3D点云投影成2D视频的帧间预测方法。对于3D帧间预测的方法：主要是借鉴视频编码的思路。首先，使用k-means把点云聚类成M块或者把一帧点云均匀划分为N*N*N的宏块，然后根据每一块与对应块的颜色方差和点数的差异大小决定是否使用迭代最近点(ICP)估计其运动信息，或者对每一块使用频谱图小波变换将3D运动估计转换为特征匹配问题和对点云体素化并估计特征匹配等。然而时变的点云帧与帧之间存在点数差异、没有明确对应以及部分点云不存在对应，因此这些方法的帧间预测不够准确，未充分利用时间相关性，点云的压缩效率没有得到显著的提高。
由于2D视频编码具有灵活和成熟的算法，一些工作尝试将动态点云序列从3D投影到2D然后压缩。例如，早期的研究者提出使用基于八叉树的方法将动态点云序列投影到2D空间或者直接对3D中的点进行排序以组织2D视频的方法，然后使用HEVC压缩2D视频。但是，这些投影方法会导致投影生成的2D视频发生形状变化，无法充分利用帧间预测技术。为了解决这个问题，进一步发展为使用圆柱或立方体将DPC投影到2D视频，提高了视频压缩效率，但是由于遮挡而损失了一些点。为了在投影点数和使用2D视频编码之间取得更好的平衡，最后提出使用基于patch的投影方法，将动态点云序列分解为2D的不规则图像块(patch),形成视频并使用视频编码的方法对其压缩。
基于patch的投影方法(V-PCC)成为MEPG-I制定的对于动态点云序列压缩的标准。V-PCC首先通过计算每个点的法向量把三维点云投影到包围盒的六个平面，形成几何图像和纹理图像，进一步对在同一个平面且在三维几何坐标是相邻的点进行聚类形成几何patch和纹理patch，把patch按照一定顺序***到网格形成了有空隙的纹理图像和几何图像，为了平滑图像使得便于后续视频编码压缩，对空隙进行填充，为了区分填充像素和点云投影形成的像素，又引入了0和1的占用图，对纹理图像和几何图像形成的序列采用视频编码压缩，占用图和其它辅助信息则直接熵编码。
V-PCC的核心思想是通过把3D点云编码问题转化为成熟的2D图像/视频编码，该方法可以借鉴2D图像/视频邻域成熟、高效的编码技术。对于动态的点云序列，由于采集的时间间隔短，其相邻帧通常是同一运动的对象所形成的，所以后一帧点云可认为是前一帧点云的不同区域经过一定的刚性变换所生成的。例如测试的数据集中8i和technicolor就是如此。然而发生旋转时，旋转后的点云投影平面会发生变化，从而导致投影后的像素会产生较大差异，意味着空间上相似且对应的点云，投影在2D平面上时，2D的像素并不对应。因此，减弱了点云的帧间预测。同时，由于设备精度和环境等原因，采集的点云不可避免产生一些噪点，噪点无用且影响了后续的点云处理，浪费比特的同时不利于编码。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种增强投影相关性的帧间编码方法、解码方法及装置，该编码方法采用基于统计的方法去除离群点，然后采用如前所述的基于运动一致性的二叉树分割方法分割点云，对分割后的点云采用粗配准和细配准相结合的方法估计点云的运动信息，为了解决配准并融合后的点云的块边缘之间存在裂痕，进一步使用了基于法向量双线性平滑的方法平滑点云。最后，对平滑后的点云序列使用V-PCC压缩，以及对运动信息和块信息使用熵编码压缩。该方法进一步提高了V-PCC的编码性能。
本发明的技术方案如下：
第一方面：
一种增强投影相关性的帧间编码方法，包括以下步骤：
顺序输入各帧的点云序列A，去除各所述点云序列A的离群点；
以X帧为一组，对每组第一帧的所述点云序列A进行V-PCC编码并输出；
对每组其余帧进行以下操作：
对所述点云序列A进行基于运动一致性的二叉树分割，得到分割信息和若干点云块；所述分割信息包括块索引；
对所述点云块依次进行NDT粗配准和ICP精细配准，得到配准后的点云块和ICP精细配准中产生的的旋转矩阵R和平移向量T；
对所述点云块进行点云融合并生成点云序列B；
对所述点云序列B使用平滑算法；
对所述点云序列B进行V-PCC编码并输出，对所述分割信息、所述旋转矩阵R和所述平移向量T进行熵编码并输出。
进一步的，所述去除各所述点云序列A的离群点，具体为：对各所述点云序列A进行基于统计的滤波。
进一步的，所述对所述点云序列A进行基于运动一致性的二叉树分割，得到分割信息和若干点云块，具体为：
对当前帧点云中每一个点在前一帧点云中找到距离最近点，并记录与距离最近点的距离；
计算点云沿着x、y、z维度平均二分后的变异系数之和S(d)的计算如下：
Figure BDA0003707888040000031
其中，j＝1、2分别表示分割后的第一块点云和第二块点云的索引，d＝x、y、z分别表示沿x、y、z维度分割，离散系数cdj的计算如下：
Figure BDA0003707888040000032
其中，均方误差
Figure BDA0003707888040000033
和标准差δdj计算如下：
Figure BDA0003707888040000034
Figure BDA0003707888040000035
其中，Ndj为当前帧沿着维度d分割后的快点云总数，最近点的误差edji计算如下：
edji＝||pdji-rdji||2：
其中，pdji为当前帧点云沿着维度d分割后的第j块点云中的第i点的几何坐标，rdji为点pdji在对应块中的最近点的几何坐标；
求解沿不同维度二分后所述变异系数之和的最小值，将该最小值对应的维度作为分割维度，计算如下：
Figure BDA0003707888040000041
其中，d*为所述最小值对应的维度；
将点云由一帧分割为两帧，通过设置标志位更新点云；
预设分割次数N，统计分割的累计次数，判断分割的累计次数是否小于N，若是，则重复以上步骤对点云进行分割，若否，则完成分割。
进一步的，所述X为4。
第二方面：
一种增强投影相关性的帧间编码的解码方法，对根据第一方面中所述的增强投影相关性的帧间编码方法编码得到的点云序列进行解码，包括以下步骤：
对点云序列根据V-PCC解码生成初步的点云序列；
根据每一块点云对应的分割信息、转矩阵R和平移向量T恢复块点云，将快点云融合并生成最终的解码点云。
第三方面
一种增强投影相关性的帧间编码装置，装置内设置有如第一方面中所述的增强投影相关性的帧间编码方法，对输入的点云序列根据所述增强投影相关性的帧间编码方法进行编码，并输出。
第四方面
一种增强投影相关性的帧间编码的解码装置，装置内设置有如第二方面中所述的增强投影相关性的帧间编码的解码方法，对输入的点云序列、分割信息、转矩阵R和平移向量T根据所述增强投影相关性的帧间编码的解码方法进行解码，并输出。
本发明具有如下有益效果：首先，采用基于统计的方法去除离群点，然后采用如前所述的基于运动一致性的二叉树分割方法分割点云，对分割后的点云采用粗配准和细配准相结合的方法估计点云的运动信息，为了解决配准并融合后的点云的块边缘之间存在裂痕，进一步使用了基于法向量双线性平滑的方法平滑点云。最后，对平滑后的点云序列使用V-PCC压缩，以及对运动信息和块信息使用熵编码压缩。
附图说明
图1为本发明实施例的编码流程图。
图2为本发明实施例的解码流程图。
图3为本发明实施例的基于运动一致性的二叉树粗分割流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
第一方面：
实施例一
一种增强投影相关性的帧间编码方法，包括以下步骤：
顺序输入各帧的点云序列A，去除各所述点云序列A的离群点；离群点是非需要的点，通常是在扫描物体表面以外生成的虚假测量点，且还会影响了后续的点云配准的精度以及增加编码不必要的比特开销，所以去除点云的离群点是必要的。
以X帧为一组，对每组第一帧的所述点云序列A进行V-PCC编码并输出；
对每组其余帧进行以下操作：
对所述点云序列A进行基于运动一致性的二叉树分割，得到分割信息和若干点云块；所述分割信息包括块索引；由于点云不同区域其帧与帧的相对信息不同，所以，为了能后续点云配准的有效性，首先需要分割出具有运动一致性的点云；在点云块预测时，为了使得预测的准确性，则预测块的点云和当前需要编码块的点云，应在点数和特征上对应。为此使用了基于运动一致性的二叉树分割方法。
对所述点云块依次进行NDT粗配准和ICP精细配准，得到配准后的点云块和ICP精细配准中产生的的旋转矩阵R和平移向量T；为了估计点云块的帧间运动信息，使用了点云配准的方法求解其运动信息，而粗配准结合精细配准的方法又优于直接配准的方法，为此使用NDT的粗配准，然后ICP的精细配准的方法估计其旋转矩阵R和平移向量T。
对所述点云块进行点云融合并生成点云序列B；融合是相对分块而言，上述步骤中对一帧点云分块，然后经过了三维配准估计运动信息，对估计完成运动信息的块还原为原始为初始的一帧点云，称作点云融合。
对所述点云序列B使用平滑算法；对点云分块后进行配准，但是配准算法存在一定的误差，所以相邻块的边缘的点云，由于两块的配准求解的运动信息通常不一样，所以相邻的点云经过了不同的旋转和平移，可能会增大或者减小两者的距离。当增大的距离大于一定的数值，其块边缘会出现裂痕，甚至出现超过正常范围的数值；而当两者的距离减小为0时，则出现了重复点，所以使用平滑算法去除点云的可能出现的裂痕，以及去除异常值和重复点。
对所述点云序列B进行V-PCC编码并输出，对所述分割信息、所述旋转矩阵R和所述平移向量T进行熵编码并输出。在编码端，得到不同区域的经过了旋转和平移的预测帧点云，所以为了在解码端还原出未经过旋转和平移的点云，则需要在编码端，对分割信息以及块索引和对应的旋转矩阵R和平移向量T进行熵编码。
上述步骤中对帧的分组中，每组第一帧为I帧，其余帧为预测帧P帧。
在本发明的一种具体实施方式中，所述去除各所述点云序列A的离群点，具体为：对各所述点云序列A进行基于统计的滤波。
实施例二
一种增强投影相关性的帧间编码方法，在实施例一的基础上，所述对所述点云序列A进行基于运动一致性的二叉树分割，得到分割信息和若干点云块，具体为：
对当前帧点云中每一个点在前一帧点云中找到距离最近点，并记录与距离最近点的距离；
计算点云沿着x、y、z维度平均二分后的变异系数之和S(d)的计算如下：
Figure BDA0003707888040000061
其中，j＝1、2分别表示分割后的第一块点云和第二块点云的索引，d＝x、y、z分别表示沿x、y、z维度分割，离散系数cdj的计算如下：
Figure BDA0003707888040000062
其中，均方误差
Figure BDA0003707888040000067
和标准差δdj计算如下：
Figure BDA0003707888040000063
Figure BDA0003707888040000064
其中，Ndj为当前帧沿着维度d分割后的快点云总数，最近点的误差edji计算如下：
edji＝||pdji-rdji||2：
其中，pdji为当前帧点云沿着维度d分割后的第j块点云中的第i点的几何坐标，rdji为点pdji在对应块中的最近点的几何坐标；
求解沿不同维度二分后所述变异系数之和的最小值，将该最小值对应的维度作为分割维度，计算如下：
Figure BDA0003707888040000065
其中，d*为所述最小值对应的维度；
将点云由一帧分割为两帧，通过设置标志位更新点云；
预设分割次数N，统计分割的累计次数，判断分割的累计次数是否小于N，若是，则重复以上步骤对点云进行分割，若否，则完成分割。
实施例三
一种增强投影相关性的帧间编码方法，在实施例二的基础上，所述X为4。即每隔四帧，后三帧点云皆根据第一帧点云分割和配准，这样使得后面三帧的点云和前一帧点云在几何上有较高的相似程度，从而使得投影后的点云在二维上也呈现相近的投影像素和相似的投影分布。
第二方面：
实施例四
一种增强投影相关性的帧间编码的解码方法，对根据第一方面中所述的增强投影相关性的帧间编码方法编码得到的点云序列进行解码，包括以下步骤：
对点云序列根据V-PCC解码生成初步的点云序列；
根据每一块点云对应的分割信息、转矩阵R和平移向量T恢复块点云，将快点云融合并生成最终的解码点云。
第三方面
实施例五
一种增强投影相关性的帧间编码装置，装置内设置有如第一方面中所述的增强投影相关性的帧间编码方法，对输入的点云序列根据所述增强投影相关性的帧间编码方法进行编码，并输出。
第四方面
实施例六
一种增强投影相关性的帧间编码的解码装置，装置内设置有如第二方面中所述的增强投影相关性的帧间编码的解码方法，对输入的点云序列、分割信息、转矩阵R和平移向量T根据所述增强投影相关性的帧间编码的解码方法进行解码，并输出。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种增强投影相关性的帧间编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
顺序输入各帧的点云序列A，去除各所述点云序列A的离群点；
以X帧为一组，对每组第一帧的所述点云序列A进行V-PCC编码并输出；
对每组其余帧进行以下操作：
对所述点云序列A进行基于运动一致性的二叉树分割，得到分割信息和若干点云块；所述分割信息包括块索引；
对所述点云块依次进行NDT粗配准和ICP精细配准，得到配准后的点云块和ICP精细配准中产生的的旋转矩阵R和平移向量T；
对所述点云块进行点云融合并生成点云序列B；
对所述点云序列B使用平滑算法；
对所述点云序列B进行V-PCC编码并输出，对所述分割信息、所述旋转矩阵R和所述平移向量T进行熵编码并输出。
2.根据权利要求1所述增强投影相关性的帧间编码方法，其特征在于，所述去除各所述点云序列A的离群点，具体为：对各所述点云序列A进行基于统计的滤波。
3.根据权利要求1所述增强投影相关性的帧间编码方法，其特征在于，所述对所述点云序列A进行基于运动一致性的二叉树分割，得到分割信息和若干点云块，具体为：
对当前帧点云中每一个点在前一帧点云中找到距离最近点，并记录与距离最近点的距离；
计算点云沿着x、y、z维度平均二分后的变异系数之和S(d)的计算如下：
Figure FDA0003707888030000011
其中，j＝1、2分别表示分割后的第一块点云和第二块点云的索引，d＝x、y、z分别表示沿x、y、z维度分割，离散系数cdj的计算如下：
Figure FDA0003707888030000012
其中，均方误差
Figure FDA0003707888030000013
和标准差δdj计算如下：
Figure FDA0003707888030000014
Figure FDA0003707888030000015
其中，Ndj为当前帧沿着维度d分割后的快点云总数，最近点的误差edji计算如下：
edji＝||pdji-rdji||2：
其中，pdji为当前帧点云沿着维度d分割后的第j块点云中的第i点的几何坐标，rdji为点pdji在对应块中的最近点的几何坐标；
求解沿不同维度二分后所述变异系数之和的最小值，将所述最小值对应的维度作为分割维度，计算如下：
Figure FDA0003707888030000021
其中，d*为所述最小值对应的维度；
将点云由一帧分割为两帧，通过设置标志位更新点云；
预设分割次数N，统计分割的累计次数，判断分割的累计次数是否小于N，若是，则重复以上步骤对点云进行分割，若否，则完成分割。
4.根据权利要求3所述增强投影相关性的帧间编码方法，其特征在于，所述X为4。
5.一种增强投影相关性的帧间编码的解码方法，对根据权利要求3所述增强投影相关性的帧间编码方法编码得到的点云序列进行解码，其特征在于，包括以下步骤：
对点云序列根据V-PCC解码生成初步的点云序列；
根据每一块点云对应的分割信息、转矩阵R和平移向量T恢复块点云，将快点云融合并生成最终的解码点云。
6.一种增强投影相关性的帧间编码装置，装置内设置有如权利要求1-4中所述任意一种增强投影相关性的帧间编码方法，其特征在于，对输入的点云序列根据所述增强投影相关性的帧间编码方法进行编码，并输出。
7.一种增强投影相关性的帧间编码的解码装置，装置内设置有如权利要求5所述增强投影相关性的帧间编码的解码方法，其特征在于，对输入的点云序列、分割信息、转矩阵R和平移向量T根据所述增强投影相关性的帧间编码的解码方法进行解码，并输出。
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