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分布式视频编码关键技术的研究

国玫  
【摘要】: 近年来,视频编码技术取得了显著的发展,现有视频压缩标准H.264/MPEG4 AVC实现了对于庞大视频信息的高效存储和传输。视频传输使得不受地域空间限制的实时多媒体信息共享成为可能,并因此推动了视频电话、视频会议、视频点播等交互式实时多媒体的应用。然而,压缩的视频码流在传输过程中不可避免地受到网络环境的影响。一方面,网络传输介质和传输协议的多样化导致了传输速率的多变性,同时服务器、路由器等网络设备的负载也制约了实际传输的可用带宽。另一方面,无线网络传输由于组网的灵活和成本的低廉得到了愈加广泛的应用。但是天气、污染等周遭环境的变化将影响无线网络,引入干扰噪声。 由于网络环境的复杂动态多变,目前的视频通信质量难以满足人们对于画面清晰稳定流畅的要求。如何克服信道噪声、传输速率不稳定等常见的网络问题,从而在用户端提供高质量的视频内容,成为了视频编码技术面临的主要挑战。本文围绕分布式视频编码技术展开研究,目的是针对不同的网络问题,提出高效、鲁棒、码率自适应的视频压缩技术。针对上述研究目标,本文在分布式视频编码框架、视频信号相关性模型、基于syndrome的分布式编码、编码模式及码率优化、多码率码流切换以及切换码流的码率分配等方面进行了深入的研究。本文的具体研究内容如下: 1.提出了一项在无线视频传输中具备更优容错性能的分布式视频编码技术,其编码框架的设计和实现均基于视频序列内在的相关模型。本文首先借助H.264/AVC标准中的模式分类算法将视频块根据时域相关性强弱划分为帧内(Intra)、帧间(Inter)、“Skipped”三种模式,并且采用基于syndrome编码的分布式编码模式来取代对信道噪声最敏感的帧间编码模式。分布式编码模式的视频块进一步根据时域相关性进行分类,不同的类别采用相适应的编码参数。不同于帧间编码模式中对预测残差通过熵编码实现压缩的技术,分布式编码模式只需要对当前视频信号进行独立编码,解码器利用相邻的前一帧视频生成预测信息(也就是side information)实现联合解码,从而压缩了当前视频信号与side information之间的冗余。由于码流的生成不再依赖于前一帧视频,分布式编码模式相比帧间编码模式可以实现更好的鲁棒性。无线网络视频传输的大量模拟实验表明,本文提出的编码技术相比H.264/AVC在有噪声信道中可以实现更好的性能。 2.提出了在分布式编码模式中根据不同视频编码元素的相关性模型进行syndrome编码与熵编码优化模式决策的算法。不同视频编码元素自身的统计相关性以及与side information之间的时域相关性存在一定程度上的差异,因此在分布式编码模式中需要根据相关性的不同选择有效的编码模式,以期望最大程度地压缩冗余。这一算法的引入使得分布式视频编码技术更加符合视频信号内在的相关性特征,从而有效地改进了分布式视频编码技术的性能。 3.提出了一项基于分布式编码的多码率码流切换技术,使得视频流在传输过程中可以根据带宽的变化灵活地进行码率调节。首先,采用传统的混合式编码对于相同的视频信号进行不同码率地压缩,生成相应的码流(称作原始码流),因此视频流的传输可以根据可用网络带宽在多个码流之间进行动态切换。编码器对于每一个可能的切换目的帧进行独立的分布式编码生成用于实现切换的码流(称作切换码流)。编码过程无需考虑切换的起始帧,解码器采用针对目的帧唯一的切换码流和来自任意码流的切换起始帧,即可重构得到相同的切换目的帧。只是切换码流的码率需要根据切换起始帧和目的帧之间的相关性来调整。既然切换码流的产生独立于切换起始帧,对于N个原始码流之间的任意切换,需要产生和存储的切换码流数目从N(N-1)降低到N,服务器的开销大大降低。并且,当视频流传输不需要进行码流切换的时候,切换码流丝毫不会影响原始码流的性能。 4.提出了对于切换码流进行码率分配的算法。鉴于流媒体应用难以忍受服务器与客户端之间多次往返码率请求带来的时延,基于分布式编码的码流切换技术中一个关键的问题在于,当码流切换发生的时候,如何即时确定切换码流的码率。本文采用Laplacian模型来模拟切换起始帧与目的帧之间的相关性,并利用模型参数在服务器估计切换码流的码率,从而移除了用于码率自适应的反馈信道,消除了码率自适应带来的时延和通信开销。


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