基于率失真优化的视频差错综合控制技术研究

论文摘要

通过Internet和无线移动网等主要通信网络实时传输视频时，需要在满足带宽限制的同时克服传输差错的影响。实时视频通常采用基于运动补偿的混合编码提高压缩率，但是难以阻止传输差错在时域和空域的扩散。为了降低视频传输差错及其差错扩散，需要采用前向纠错、自动选择重传、参考帧选择和帧内编码更新等差错恢复编码技术，因此降低了编码效率。在带宽受限的条件下，如何合理地综合各种差错控制技术实现视频传输质量的提高是研究前沿和面临的挑战。视频差错综合控制的目标是通过有效地综合多项差错控制技术的优势，取得理想的视频差错恢复性能。本论文研究了多种差错控制技术，并且在有损率失真优化框架内将这些技术融合到典型的视频传输系统之中，显著提高了丢包网络中的视频传输质量。率失真优化以信道失真估计为基础。通过分析信道失真的扩散特征提出了基于仿真的信道失真精确估计模型。该精确模型能充分结合差错掩盖、最优宏块编码模式选择和前向纠错等差错控制技术，能实现比30个信道解码仿真器更高的估计精度。同时提出了基于递推的信道失真快速估计模型，适合计算资源很少时的实时率失真优化，并且具有较高估计精度。通过引入信道代价均值和编码获益的概念，提出了宏块最优编码模式选择技术。在全面分析编码冗余的编码失真和信道失真的时域扩散的基础上，采用有损率失真技术选择能使视频传输失真最小的编码模式。在Y-PSNR性能上，提出的编码模式选择明显高于H.264／AVC测试模型中的编码模式选择。扩展了关键参考帧概念，设计了单参考帧预测下和多参考帧预测下的关键参考帧预测结构。在单参考帧预测时，根据编码距离与编码效率的关系，以有损率失真优化为基础，快速地选择当前帧的最优参考帧。在多参考帧编码预测时，以视频传输失真最小为优化目标，通过结合最优宏块编码模式选择技术，使得帧级关键参考帧选择能提高宏块的有损率失真优化性能，增强了视频差错恢复能力。通过基于信息论的分析，可以得出标准量化步长是编码数据率的唯一变量。在以离线方式获得平滑数据率曲线后，建立数据率的固定查找表。基于数据率查找表提出了一个实时流控算法。提出的流控算法计算复杂度仅为宏块级，并且流控性能明显高于TMN8流控算法。提出了多步多权值块变形差错掩盖。它根据宏块的运动特征划分运动类型，并针对不同的运动类型采用不同的差错掩盖。在确定宏块包含复杂运动时，对宏块进行划分，并估计每个划分的运动向量。特别在块包含变形运动时，采用运动场插值方法进行掩盖。相对于传统的差错掩盖技术，明显改善了复杂运动中的差错掩盖效果。在上述多种差错控制技术研究的基础上，提出了视频差错综合控制的实时传输系统。该系统包括最优宏块编码模式选择、关键参考帧选择、差错掩盖、实时流控、打包策略和前向纠错等。提出的传输系统采用帧级和宏块级的分步率失真优化策略，同时考虑了多种的差错控制技术。因为帧级带宽优化分配结合了宏块级的差错控制，所以获得了良好的整体优化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 实时视频传输的主要问题
• 1.2 该领域的研究动态
• 1.2.1 差错控制技术
• 1.2.2 率失真优化
• 1.2.3 存在问题及发展前景
• 1.3 本项研究的主要内容
• 第2章 传输失真的通用估算模型
• 2.1 传输失真的基本特征
• 2.1.1 视频图象重建过程
• 2.1.2 传输失真的特征分析
• 2.2 传输失真的通用估计模型
• 2.2.1 基于仿真的信道失真精确估计模型
• 2.2.2 基于递推的信道失真快速估计模型
• 2.2.3 计算复杂度比较
• 2.3 模拟实验和讨论
• 2.4 本章小节
• 第3章 宏块最优编码模式选择
• 3.1 率失真优化技术
• 3.1.1 无损率失真优化
• 3.1.2 有损率失真优化
• 3.2 宏块最优编码模式选择
• 3.2.1 编码冗余与编码失真
• 3.2.2 差错扩散与传输失真
• 3.2.3 宏块传输失真最小化
• 3.3 模拟实验和讨论
• 3.4 本章小节
• 第4章 关键参考帧选择
• 4.1 单参考帧预测编码
• 4.1.1 编码距离与编码效率
• 4.1.2 有损率失真优化
• 4.1.3 模拟实验与讨论
• 4.2 多参考帧预测编码
• 4.2.1 宏块最优编码模式选择
• 4.2.2 当前帧最优编码类型选择
• 4.2.3 模拟实验与讨论
• 4.3 本章小节
• 第5章 基于数据率查找表的实时流控
• 5.1 数据率模型与实时流控
• 5.1.1 视频源的信息嫡
• 5.1.2 平滑数据率曲线生成
• 5.1.3 基于查找表的实时流控
• 5.2 实验与讨论
• 5.3 本章小节
• 第6章 多步多权值块变形差错掩盖
• 6.1 基于块变形的视频差错掩盖
• 6.1.1 差错掩盖过程
• 6.1.2 运动向量搜索
• 6.1.3 空域插值掩盖
• 6.1.4 运动分析及其掩盖策略
• 6.2 模拟实验与讨论
• 6.2.1 边框匹配权值和边框厚度
• 6.2.2 差错掩盖性能对比
• 6.3 本章小节
• 第7章 视频差错综合控制
• 7.1 IVEC的典型传输系统
• 7.1.1 前向纠错和打包策略
• 7.1.2 实时视频的编码比特限制
• 7.1.3 帧级带宽优化分配
• 7.2 模拟实验和讨论
• 7.3 本章小节
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果