面向实时应用的分布式视频编码系统研究与实现

论文摘要

传统H.264/MPEG压缩方案编码复杂度高于解码,适用于视频点播等下行式应用,但不适合要求编码器简单的上行式应用;无线传感器网络等新应用推动了分布式视频编码的发展。分布式视频编码与传统视频编码有根本不同,编码端复杂度低,时延小,解码端复杂度高,时延大。当前分布式视频编码方案几乎全部基于斯坦福架构或其优化变种结构,这种结构中的反馈机制和迭代解码过程是解码高复杂度的主要来源。DVC采取了独立编码、联合解码的策略,解码端边信息生成是高复杂度另一个来源。当前此类方案不适合实际应用,特别是实时应用。本文在保持DVC率失真性能的情况下给出了适合实时应用的新DVC方案,并对实时DVC系统技术做了创新性研究。主要贡献包括:1.设计并实现了基于LDPC的分布式信源编码方案。在此基础上作为主要成员实现了分布式视频编码基本平台。实验证明我们的方案率失真和时间性能要优于主流的DISCOVER方案。2.针对当前分布式视频编码方案的不足,进行了实时分布式视频编码系统的创新性研究。依据DVC解码端可以进行高性能计算这个初始设想,本文设计并实现了基于MPI集群的解码系统,同时完成了PDA编码器。在此基础上进行了3方面实时系统关键技术的研究:(1)研究了边信息的并行生成策略,提出一种基于工作池的算法,根据对算法分析得到的时间函数和相应实验结果,分析了任务粒度,处理器数目,阈值等对生成时间的影响,比较了动态和静态任务分配的效果。(2)研究了以减少解码端反馈信道迭代为目标的码率控制策略。提出了改进的基于机器学习方法的编解码端联合码率控制方法,以及基于解码时间函数的码率动态跨层算法。在保持率失真的情况下提高了时间性能。(3)针对并行迭代解码任务分配难以均衡的问题,在分析粒度选择和负载均衡策略基础上,提出了基于编码端信息的并行算法,并结合提出的码率控制策略,极大的加速了解码过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 传统视频编码：本质及其局限
• 1.1.2 分布式视频编码：原理及重要概念
• 1.1.3 分布式视频编码：应用
• 1.2 论文内容安排
• 第2章 分布式视频编码理论基础与经典方案
• 2.1 本章引言
• 2.2 分布式信源编码理论
• 2.2.1 分布式无损编码的Slepian-Wolf 定理
• 2.2.2 分布式有损编码的 Wyner-Ziv 定理
• 2.2.3 Slepian-Wolf 编码的构造性算法
• 2.2.4 Wyner-Ziv 编码的构造性算法
• 2.3 分布式视频编码经典方案
• 2.3.1 像素域的编码方案
• 2.3.2 频率域的编码方案
• 2.3.3 可分级的编码方案
• 2.3.4 有迭代解码的单向DVC 方案
• 2.3.5 欧盟DISCOVER 方案
• 第3章 分布式视频编码基本平台实现研究
• 3.1 本章引言
• 3.2 编解码总体方案
• 3.3 Slepian-Wolf 编码器的实现
• 3.3.1 LDPC 码及其定制
• 3.3.2 码率自适应LDPCA 码的生成
• 3.3.3 Slepian-Wolf 编解码流程
• 3.4 变换与量化策略
• 3.4.1 基本DCT 变换与量化模块
• 3.4.2 系数带提取与多窗口量化策略
• 3.5 虚拟信道模型
• 3.5.1 信道模型建立及参数估计
• 3.5.2 利用信道模型计算 WZ 帧比特对数似然比
• 3.6 性能测试
• 第4章 面向实时应用的分布式视频编码系统研究
• 4.1 本章引言
• 4.2 基于集群的分布式视频编码系统设计与实现
• 4.2.1 系统方案架构和物理平台
• 4.2.2 并行计算与系统MPI 编程简介
• 4.2.3 集群系统的配置调试与相关研究工具
• 4.3 并行边信息生成算法设计和性能参数分析
• 4.3.1 边信息生成并行化的必要性
• 4.3.2 提出的边信息生成并行化算法
• 4.3.3 算法时间分析
• 4.3.4 实验结果与分析
• 4.4 减少反馈迭代的码率控制策略研究
• 4.4.1 可动态指定码率范围的 LDPCA 码改进设计
• 4.4.2 基于决策树的编解码端联合码率控制策略
• 4.4.3 基于解码时间函数的动态码率跨层策略
• 4.4.4 实验结果和分析
• 4.5 基于编码端信息的并行迭代解码算法研究
• 4.5.1 并行迭代解码的粒度选择
• 4.5.2 基于编码端信息的并行迭代解码的负载均衡策略
• 4.5.3 提出的基于编码端信息的动态并行迭代解码算法
• 4.5.4 实验结果与分析
• 4.6 系统性能与程序实现简介
• 4.6.1 系统性能
• 4.6.2 程序结构简介
• 第5章 结束语
• 5.1 论文工作回顾
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果