分布式視頻編碼關鍵技術的研究.pdf

1、近年來，視頻編碼技術取得了顯著的發(fā)展，現(xiàn)有視頻壓縮標準H.264/MPEG4 AVC實現(xiàn)了對于龐大視頻信息的高效存儲和傳輸。視頻傳輸使得不受地域空間限制的實時多媒體信息共享成為可能，并因此推動了視頻電話、視頻會議、視頻點播等交互式實時多媒體的應用。然而，壓縮的視頻碼流在傳輸過程中不可避免地受到網(wǎng)絡環(huán)境的影響。一方面，網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)和傳輸協(xié)議的多樣化導致了傳輸速率的多變性，同時服務器、路由器等網(wǎng)絡設備的負載也制約了實際傳輸?shù)目捎脦?。另一?/p>

2、面，無線網(wǎng)絡傳輸由于組網(wǎng)的靈活和成本的低廉得到了愈加廣泛的應用。但是天氣、污染等周遭環(huán)境的變化將影響無線網(wǎng)絡，引入干擾噪聲。
　　由于網(wǎng)絡環(huán)境的復雜動態(tài)多變，目前的視頻通信質(zhì)量難以滿足人們對于畫面清晰穩(wěn)定流暢的要求。如何克服信道噪聲、傳輸速率不穩(wěn)定等常見的網(wǎng)絡問題，從而在用戶端提供高質(zhì)量的視頻內(nèi)容，成為了視頻編碼技術面臨的主要挑戰(zhàn)。本文圍繞分布式視頻編碼技術展開研究，目的是針對不同的網(wǎng)絡問題，提出高效、魯棒、碼率自適應的視頻壓縮技

3、術。針對上述研究目標，本文在分布式視頻編碼框架、視頻信號相關性模型、基于syndrome的分布式編碼、編碼模式及碼率優(yōu)化、多碼率碼流切換以及切換碼流的碼率分配等方面進行了深入的研究。本文的具體研究內(nèi)容如下：
　　1.提出了一項在無線視頻傳輸中具備更優(yōu)容錯性能的分布式視頻編碼技術，其編碼框架的設計和實現(xiàn)均基于視頻序列內(nèi)在的相關模型。本文首先借助H.264/AVC標準中的模式分類算法將視頻塊根據(jù)時域相關性強弱劃分為幀內(nèi)（Intra）、

4、幀間（Inter）、“Skipped”三種模式，并且采用基于syndrome編碼的分布式編碼模式來取代對信道噪聲最敏感的幀間編碼模式。分布式編碼模式的視頻塊進一步根據(jù)時域相關性進行分類，不同的類別采用相適應的編碼參數(shù)。不同于幀間編碼模式中對預測殘差通過熵編碼實現(xiàn)壓縮的技術，分布式編碼模式只需要對當前視頻信號進行獨立編碼，解碼器利用相鄰的前一幀視頻生成預測信息（也就是side information）實現(xiàn)聯(lián)合解碼，從而壓縮了當前視頻信號與

5、side information之間的冗余。由于碼流的生成不再依賴于前一幀視頻，分布式編碼模式相比幀間編碼模式可以實現(xiàn)更好的魯棒性。無線網(wǎng)絡視頻傳輸?shù)拇罅磕M實驗表明，本文提出的編碼技術相比H.264/AVC在有噪聲信道中可以實現(xiàn)更好的性能。
　　2.提出了在分布式編碼模式中根據(jù)不同視頻編碼元素的相關性模型進行syndrome編碼與熵編碼優(yōu)化模式?jīng)Q策的算法。不同視頻編碼元素自身的統(tǒng)計相關性以及與side information之間

6、的時域相關性存在一定程度上的差異，因此在分布式編碼模式中需要根據(jù)相關性的不同選擇有效的編碼模式，以期望最大程度地壓縮冗余。這一算法的引入使得分布式視頻編碼技術更加符合視頻信號內(nèi)在的相關性特征，從而有效地改進了分布式視頻編碼技術的性能。
　　3.提出了一項基于分布式編碼的多碼率碼流切換技術，使得視頻流在傳輸過程中可以根據(jù)帶寬的變化靈活地進行碼率調(diào)節(jié)。首先，采用傳統(tǒng)的混合式編碼對于相同的視頻信號進行不同碼率地壓縮，生成相應的碼流（稱作

7、原始碼流），因此視頻流的傳輸可以根據(jù)可用網(wǎng)絡帶寬在多個碼流之間進行動態(tài)切換。編碼器對于每一個可能的切換目的幀進行獨立的分布式編碼生成用于實現(xiàn)切換的碼流（稱作切換碼流）。編碼過程無需考慮切換的起始幀，解碼器采用針對目的幀唯一的切換碼流和來自任意碼流的切換起始幀，即可重構得到相同的切換目的幀。只是切換碼流的碼率需要根據(jù)切換起始幀和目的幀之間的相關性來調(diào)整。既然切換碼流的產(chǎn)生獨立于切換起始幀，對于N個原始碼流之間的任意切換，需要產(chǎn)生和存儲的切

8、換碼流數(shù)目從N(N-1)降低到N，服務器的開銷大大降低。并且，當視頻流傳輸不需要進行碼流切換的時候，切換碼流絲毫不會影響原始碼流的性能。
　　4.提出了對于切換碼流進行碼率分配的算法。鑒于流媒體應用難以忍受服務器與客戶端之間多次往返碼率請求帶來的時延，基于分布式編碼的碼流切換技術中一個關鍵的問題在于，當碼流切換發(fā)生的時候，如何即時確定切換碼流的碼率。本文采用Laplacian模型來模擬切換起始幀與目的幀之間的相關性，并利用模型參數(shù)