視頻流高效編碼與魯棒傳輸技術(shù)的研究.pdf

1、隨著編碼技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展,基于IP的視頻流應(yīng)用正受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來越多的關(guān)注.本論文針對實(shí)時(shí)視頻流的高效編碼和魯棒傳輸技術(shù)進(jìn)行了多方面的研究,這些研究工作對于視頻流的廣泛應(yīng)用具有重要意義.本文的主要工作及取得的研究成果可以概括如下: 首先,我們簡單地回顧了視頻流技術(shù)的現(xiàn)狀.與基于電路交換的傳統(tǒng)視頻通信相比,基于IP的視頻流通信有其自身的信源和信道特性.在第一章中,我們系統(tǒng)介紹了與視頻流相關(guān)的各種技術(shù)及國際標(biāo)準(zhǔn).

2、當(dāng)視頻流通過無反饋的有損信道時(shí),幀內(nèi)刷新機(jī)制能夠緩解視頻包丟失導(dǎo)致的錯(cuò)誤擴(kuò)散效應(yīng).除了通過"Lagrangian 率失真"或者"絕對誤差和"模式判決產(chǎn)生的少量幀內(nèi)模式宏塊外,編碼器或者轉(zhuǎn)碼器可能需要增加一些"強(qiáng)制性"的幀內(nèi)模式宏塊來提高視頻流傳輸?shù)目煽啃?通過分析在一個(gè)圖像組(GOP)中的錯(cuò)誤擴(kuò)散特性,在第二章中,我們提出了一種不均等的"強(qiáng)制幀內(nèi)刷新"(FIr)策略.根據(jù)所推導(dǎo)的GOP級錯(cuò)誤擴(kuò)散模型,建議的不均等FIr方案能夠優(yōu)化地為G

3、OP中不同視頻幀分配不均等數(shù)量的強(qiáng)制幀內(nèi)模式宏塊.仿真實(shí)驗(yàn)表明建議的不均等FIr方案能夠有效地增強(qiáng)視頻流在異構(gòu)信道條件下的魯棒性.與目前 H.264/AVC工具選項(xiàng)中的平均FIr方案相比,不均等FIr方案在實(shí)驗(yàn)中取得了大約0.1～0.9 dB 的平均峰值信噪比(PSNR)增益. 在較低比特率視頻流通過無線信道的情況下,連續(xù)的視頻幀丟失可能是無法避免的.因此在第三章中,我們建議了兩種具有容錯(cuò)性能的視頻流方案來對付這種連續(xù)的幀丟失.

4、首先,考慮到GOP中視頻幀的不均等重要性和無線信道的時(shí)變錯(cuò)誤特性,我們提出了一種信道感知的丟幀方案,用于將突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移到相對不重要的視頻幀中.基于自動(dòng)重傳請求(ARQ)機(jī)制,視頻代理服務(wù)器就能夠感知無線信道狀況的變化,從而自適應(yīng)地為小同視頻幀分配不均等的傳輸機(jī)會.其次,我們還提出了一種基于無反饋"參考幀選擇"(RPS)的容錯(cuò)包調(diào)度算法,稱之為"基于無反饋RPS的包調(diào)度"(RS-PS).存滿足不同延時(shí)限制的前提下,RPS-PS算法根據(jù)視頻

5、包在原始圖像序列中的相應(yīng)位置對其發(fā)送次序?qū)嵤┬⊥恼{(diào)度.RPS-PS算法能夠?qū)⑦B續(xù)的視頻幀丟失盡可能地分散到單獨(dú)的預(yù)測鏈路中,從而降低了不同預(yù)測鏈路同時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷的概率.我們對上述兩種建議的方案進(jìn)行了容錯(cuò)性能分析,并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)以證明我們方案的有效性. 當(dāng)區(qū)分重傳機(jī)制在無線局域網(wǎng)(WLAN)中可得時(shí),分層視頻編碼技術(shù)能夠用于改進(jìn)無線局域網(wǎng)視頻流的容錯(cuò)性能.在第四章中,我們提出了一種聯(lián)合媒體訪問控制(MAC)層重傳和應(yīng)用

6、層數(shù)據(jù)分類的錯(cuò)誤分散方案.由于不同的數(shù)據(jù)分區(qū)在實(shí)時(shí)和帶寬限制下具有不均等的重要性,建議的方案采用不均等的MAC層重傳機(jī)制來分散突發(fā)錯(cuò)誤,使突發(fā)錯(cuò)誤被分散到一幅圖像中相對不重要的數(shù)據(jù)分區(qū),這樣即使在惡劣的信道條件下接收端也能夠獲得較為平緩的重建圖像降質(zhì). 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,由于衰落、干擾或有損切換的影響,無線接入網(wǎng)比有線核心網(wǎng)更容易出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤.為了避免視頻流通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)出現(xiàn)令人難以忍受的質(zhì)量下降,結(jié)合各種通信協(xié)議層次的聯(lián)合優(yōu)化

7、是有必要的.為此在第五章中,我們提出了一種跨層的條件反饋方案.建議的方案首先用不均等的鏈路層反饋來對付無線接入網(wǎng)中的信道殘余錯(cuò)誤,然后用"端到端"(end-to-end)的傳輸層反饋來增強(qiáng)蜂窩視頻流的容錯(cuò)能力.建議的方案能夠協(xié)調(diào)不同通信層次的服務(wù)質(zhì)量(QoS)參數(shù)之間的映射關(guān)系.仿真結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的條件反饋方案,建議的方案能夠更有效地改進(jìn)蜂窩視頻流的整體性能. 在第六章,我們研究了視頻編碼中運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的改進(jìn)問題.眾所周知

8、,塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)在實(shí)時(shí)編碼中占了相當(dāng)大的運(yùn)算量.基于菱形搜索和六邊形搜索,我們提出了一種搜索形狀可變(VSS)的快速塊匹配算法:初始步驟中的大菱形搜索用來適應(yīng)視頻運(yùn)動(dòng)矢量場的中心偏置分布特性;接著,不同方向性的六邊形搜索用來確定最佳運(yùn)動(dòng)矢量所在的小范圍區(qū)域;最后,小菱形搜索用于在小范圍區(qū)域內(nèi)選擇最終的運(yùn)動(dòng)矢量.與MPEG-4基本檔次中常用的菱形搜索(DS)算法相比,建議的vss算法能夠在質(zhì)量不明顯降低的情況下取得一定的計(jì)算速度增益.VS

9、S算法也具有易于硬件實(shí)現(xiàn)的簡單規(guī)整性,適合于當(dāng)前3G網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)視頻應(yīng)用. 最后一章,我們研究了Reed-Solomon(RS)編碼在視頻流應(yīng)用中的相關(guān)技術(shù)問題.絕大多數(shù)基于RS碼的視頻流方案都專注于分層視頻技術(shù),這些方案往往并不適合于眾多的非分層視頻編解碼器.為了對付有損網(wǎng)絡(luò)中的包丟失,我們提出了一種適合于非分層視頻流的IP包封裝方式,它有效地結(jié)合了按序宏塊組織與跨包RS兩種技術(shù).另外,針對多個(gè)并發(fā)視頻流的情形,基于視頻內(nèi)容復(fù)