实现复杂度控制的信源信道联合编码研究

摘要

伴随着无线移动通信技术的快速发展，应用在无线移动环境下的多媒体通信业务已经成为第三代以及第四代移动通信发展的核心。与此同时，目前无线多媒体终端处理器相对台式机或专业设备在处理能力上的不足，以及处理器功耗约束性问题已成为限制移动多媒体业务发展的主要障碍。本文在国家863项目“数字音视频编码、传输、测试与应用示范”（No.2002AA119010）和武汉市青年科技晨光计划项目“无线多媒体通信的联合功率率失真模型研究”（No.20045006071-18）的共同资助下，研究无线多媒体通信在处理器功耗约束条件下的信源信道联合编码技术和复杂度控制模型，目的是通过面向功率控制的信源信道联合编码系统的建立、相关技术及其复杂度模型的提出和联合功率控制策略的设计，达到在移动终端处理器功率约束或变化条件下，定量调节信源、信道编解码的复杂度，使视频数据在终端处理器功率约束下经无线信道传输后的质量尽可能达到最优。论文首先设计了功率可控的信源信道联合编码系统并建立了编解码系统的时间复杂度原型。与现有的仅考虑信源编码功耗开销的终端编码系统相比，本系统综合考虑了在终端算法复杂度和处理器功耗间存在抑制与平衡关系的信源编码、信道编码和差错控制三方面，由信源编解码子系统、联合信道保护子系统和复杂度控制子系统三部分组成，并论证了各编码子系统基本技术方案的先进性。随后，由功率和算法复杂度的对应关系，明确了实现功率控制的手段是控制算法的复杂度，定义算法的时间复杂度作为衡量各系统复杂度的物理参量以屏蔽实现方法的多样性。通过对各子系统相关技术算法时间复杂度相对系统时间复杂度的统计，初步建立了信源信道联合编码系统中信源编解码、信道编解码和差错控制的参数化复杂度控制原型，明确了影响算法复杂度的主要技术环节和控制参量，并简要分析了信源信道联合功率控制的实现策略和算法复杂度优化设计的方法。在信源编码子系统的研究中，提出了高性能、复杂度可控的空域伸缩性视频编码系统(ComplexityandSpatialityScalableVideoCoding，CSSVC)，与现有的空域伸缩性编码实现方式相比，本系统将低频域压缩性能优越的H.264编码技术和高频域的带内预测技术相结合，具有优越的编码性能和与H.264完全兼容的伸缩性码流。同时，针对高频子带系数的近随机分布特征，论证了原型系统主要编码技术的选择及有效性，设计的基于ODWT的参考子带重建和运动补偿方法以及提出的高频子带残差系数的优化重排序方法、高频子带5模式优化帧内预测和自适应的运动估计与补偿等技术改进，使本CSSVC系统取得了超过H.264MainProfile全分辨率时0.04dB的系统性能，主观质量也更优，这一性能在国际处于领先地位。在技术改进的同时，对每一技术改进都进行了复杂度的定性分析，研究了针对不同处理能力的复杂度伸缩性技术方案，并通过理论分析、特征统计和实验测试较完整的验证了各项技术改进的有效性和性能。在联合信道保护子系统的研究中，构建了复杂度可控的混合信道编码与差错控制系统。与传统的信道保护机制相比，本系统针对非理想的反馈信道，提出了一种综合利用混合自动重传（HybridAutomaticRepeatreQuest，HARQ）I型和III型优点的混合独立重传自解码的HARQ新类型，通过实际无线通信环境的实验仿真，对发送端和接收端自动重传（AutomaticRepeatreQuest，ARQ）协议的四个控制参数：数据重传次数、数据重传延时、响应重传次数和响应重传延时进行优化分析，得到一套更适应于无线环境的HARQ控制参数。与通用的HARQ机制相比，优化的HARQ机制具有更低的端到端时延和更强的稳定性。此外，针对无线终端的处理能力，详细论述了联合信道保护的复杂度控制策略。论文建立了信源编解码的参数化复杂度模型，对运动估计、参考重建、帧内预测、变换量化和CABAC（Context-AdaptiveBinaryArithmeticCoding）等主要技术环节复杂度比例关系进行了分析，采用理论分析和系统实测的方法为残差系数重排序、帧内预测和运动估计与补偿等方面的技术改进方案进行了详细的复杂度定量分析，并明确了如帧内预测模式、帧间预测模式、编码子带数、非零块所占比例和量化参数等控制参量对信源编解码的复杂度控制能力，以及不同编解码方案时编解码器复杂度的自身和相对变化情况，并通过实验验证了理论分析模型的正确性。对所建立RCPT码的参数化复杂度编解码模型，着重分析了交织、RSC（RecursiveSystematicCode）编解码和解交织等主要技术环节对编解码复杂度的影响；建立混合信道编码和差错控制的复杂度模型，修正了联合信道保护的复杂度原型。综合讨论信源信道联合功率控制策略，从信源、信道和差错控制编解码复杂度的关系、系统处理能力、快速复杂度控制和码流匹配等方面系统描述了信源信道联合功率控制的方法，为联合功率控制提供了一个较为完整的解决方案。