无线视频的自适应编码技术与传输系统的研究

论文摘要

移动媒体业务的开展为移动增值服务带来了新的希望,但面向无线网络的媒体应用对当前的视频编码和传输技术也提出了更大的挑战。与有线网络相比较,无线网络的状况更加不稳定:除了网络流量的波动,手持设备的移动速度和所在位置也会严重地影响到传输速率。同时,无线信道环境中的误码率也比有线信道环境高出许多,而高压缩的视频码流对传输错误异常敏感,信道误码不仅会引入帧内失真还会造成帧间的错误传播,严重影响回放视频质量。所以,无线视频数据需要一个能适应于以上状况的传输系统,来确保端到端的高质量接收。在这个系统当中,不但需要包含高效的视频编码技术,还要包括能良好抵抗信道误码影响的传输技术。本文的研究以作者所在实验室承担的国家863重大攻关项目——“数字视音频编码、传输、测试与应用示范系统”和国家自然科学基金重大项目——“未来移动通信系统基础理论与技术研究”为主要背景,对无线视频的源端编码技术和传输系统进行了深入的分析与讨论,尝试为以上针对无线视频传输提出的问题找到合适的解决方案。在无线信道中,应用于有线网络的大多数错误控制技术已不再适用。如果无线业务对传输有严格的时间要求,就需要尽可能地减小端到端的延时与抖动,并且避免任何可感知的干扰,类似于ARQ、重传等传统的无线纠错手段的作用也变得有限。此时,为了抵抗无线信道中大量的突发误码,错误恢复就显得极为重要。依赖于信源编码所进行的后处理错误隐藏已发展得较为成熟,自适应于信道状况的源端编码技术更成为了近年来的研究热点。在对众多自适应的传输技术以及纠错技术进行分析比较的基础之上,本文提出了一种能够适应恶劣的信道环境、不依赖于及时的信道反馈、且能够与h.264/AVC规范良好兼容的源端编码技术——自动错误恢复的多重描述编码算法（auto-resilient multiple description coding, ARMDC）。文中的实验结果表明,与依赖及时信道反馈的多重描述编码算法相比,ARMDC在丢包率愈高的环境中愈显示出相对好的性能。为了在传输中让ARMDC的特点得到更好地发挥,必须为其建立适当的传输机制,而能否在编码端对已传输的视频失真进行正确估计则是确定适当传输策略的重要前提。本文随后着手于建立ARMDC的R-D模型。在一般性视频失真概念分析的基础之上,针对ARMDC码流经由无线信道传输引起的失真做出了讨论,并推导出了在发送端预测回放视频失真的公式。虽然将源端自适应编码和多径传送技术相结合的研究已成为自适应传输系统研究的热点,但在已有的文献中,都只使用极简单的冗余编码或时域采样来描述MDC码流的生成过程,其目的仅仅只是为多径策略提供可用于传送的数据,并非考虑怎样在一个系统框架中对两者进行最优的结合。而且绝大多数的讨论也都只局限于Internet中的媒体流服务,尚无人构建起能应用于无线业务的、完善可行的自适应传输系统。这是因为,多重描述码流经由多条信道的传输在实现上仍然存在着诸多困难。本文基于已提出的ARMDC算法,进一步研究将其与多径传输相结合的方案。对拉格朗日决策公式中自适应编码部分和多径传输部分的RD参数进行了分别推导,并对两者进行了联合优化,给出了优化算法的具体流程与步骤,最终构筑起一个能够自适应于无线信道状况的视频传输系统框架。文章的最后部分,还根据实验室所承担的国际合作项目对所开发多媒体系统里视频编码器的功能要求,详细介绍了基于DSP实现QCIF格式视频实时编码的过程,并就两款不同型号高性能DSP芯片的结构体系以及基于结构体系的代码优化过程做出了比较分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 视频编码技术的发展与相关的国际标准
• 1.2 无线视频技术的研究现状
• 1.3 论文选题与内容要点
• 2 基于无线信道的视频技术
• 2.1 自适应媒体流技术的研究现状
• 2.2 差错隐藏技术的研究现状
• 2.3 小结
• 3 ARMDC 的实现与仿真
• 3.1 ARMDC 算法的研究背景
• 3.2 ARMDC 的框架与算法
• 3.3 实验与性能仿真结果
• 3.4 小结
• 4 ARMDC 的失真分析
• 4.1 无线视频失真的一般性分析
• 4.2 基于ARMDC 码流无线传输的失真分析
• 4.3 小结
• 5 自适应视频传输系统
• 5.1 自适应于信道的视频传输系统框架
• 5.2 自适应编码与多径传送技术
• 5.3 无线信道上的ARMDC 视频流多径传送
• 5.4 系统仿真与实验结果
• 5.5 小结
• 6 基于 DSP 的视频编码器实现
• 6.1 远程教育与远程监控系统
• 6.2 MPEG-4 视频编码器基于 DSP 的硬件实现
• 6.3 不同 DSP 的架构体系与优化比较
• 6.4 不同 DSP 实现的性能评估与比较
• 6.5 小结
• 7 总结
• 7.1 理论贡献
• 7.2 后续研究
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读博士学位期间发表学术论文目录