面向3G的H.264/AVC压缩视频通信技术研究

摘要

第三代移动通信系统(3G)的出现使在无线网络中提供各种视频业务成为可能。由于原始视频信号数据量巨大，必须经过压缩才能在无线网络中传输。ITU-T和ISO联合开发的最新视频编码标准H.264/AVC由于具有压缩效率高、网络适应能力强等特点，使其成为3GPP/3GPP2支持的视频编码标准。而无线信道具有时变、误码率高以及网络带宽资源有限等特点，使在3G网络中传输的H.264/AVC压缩视频流具有不同的特点。 本文首先简要介绍了H.264/AVC视频编码的基本原理，以及其在3G网络的传输和模拟，分析了H.264/AVC视频流的传输协议栈和离线模拟模型。然后对3G无线传输中H.264/AVC的容错技术和容错策略做出了详细的分析，给出了不用视频业务中的容错策略和容错工具选用的一般原则。其次根据3G网络的特点阐述了H.264/AVC的码率控制方法，实现了一种基于EBR的码率控制方法。最后分析了H.264/AVC在面向3G终端用户时必须解决的一致性验证、专利费用等实际问题。 本文取得的研究成果主要在以下几个方面：a)提出了一种适合于3G无线信道的双向视频传输模拟模型在H.264/AVC标准提出之初，VECG专家组就提出了一种离线环境下的3G无线信道的模拟模型(MIP软件)，因为其简单方便，所以大量应用于各种实验中。但是其缺点也是很明显的，即只能用来测试单向视频传输业务，不能用来测试双向视频业务。本文结合MIP软件和H.264/AVC参考软件，提出了一种双向视频传输的模拟模型。在这个模型中，充分利用了双向视频传输时的反向信道来反馈视频传输的结果，在编码器端采用多参考帧的情况下，编码器可以根据反馈的结果对参考帧进行相应改变，从而提高编码视频的容错能力。该模型可以模拟在不同的时延和不同的反馈参数下的传输效果，其模拟能力和有效性也在文中得到了验证。 b)针对H.264/AVC视频流在3G无线信道中的传输，提出了编码器端容错工具选择的基本策略 编码器端的容错对各种视频应用来说都是很重要的，H.264/AVC中编码器端可以选用的容错工具相对来说也最多，但是如何有效利用和选择这些容错工具并没有一个统一的标准。本文分析了编码器端的各种容错工具及其在3G无线信道上的适用性，在大量比较实验的基础上提出一种编码器端容错工具选择的基本策略，即在这种高误码率和带宽有限的环境中，在编码时候不仅要考虑到容错方案的纠错能力，而且要充分考虑到码率的限制，应当充分利用宏块间的空间相关性，提高视频编码的效率，复杂的FMO方式和随机帧内编码宏块刷新反不利于视频质量的提高。 c)针对3G无线信道中的码率控制，提出了一种实现EBR码率控制算法的方案 传统的基于VBR的码率控制算法要求在一段较长的时间内编码器的输出能达给定的比特率，每帧图像占用的比特数可以按照复杂度的大小在较长的时间内动态地进行调整。而基于EBR的码率控制算法要求每帧图像输出给定的片数，而每个片的输出比特数不能超过指定的大小，这就使得EBR算法的实现方法与VBR算法的实现方法有很多不同。本文提出了一种自适应动态分片的策略来实现EBR编码，首先对GOP中首个I帧和P帧进行一种反馈性的编码方法来确定合理的分片位置，其分片结果作为GOP中余下P帧的参考。GOP中剩余P帧的分片基于MAD的预测来进行，这里MAD的预测采用一种类似于JVT参考软件中的线性预测模型。本文采用的这种分片方法，在保证编码效率的同时，相对于简单的固定分片方法来说，能有效地提高信道资源的利用率，提高了视频编码的质量。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

第1章绪论

1.1视频压缩的目的

1.2用户对视频业务的基本要求

1.2.1视频质量和输出比特率

1.2.2视频编解码的复杂度

1.2.3音视频同步

1.2.4延迟

1.3视频质量评价

1.3.1主观质量评价

1.3.2客观质量评价

1.4视频编码的基本原理

1.5视频编码技术发展历史

1.6无线网络中的视频通信

1.7无线网络中H.264/AVC应用研究现状

1.7.1 H.264/AVC算法优化

1.7.2 H.264/AVC在无线网络中的传输

1.8本文内容概要

第2章适用于3G的H.264/AVC技术

2.1 H.264/AVC发展历史和主要技术目标

2.1.1发展历史

2.1.2 H.264/AVC主要技术目标

2 2 H.264/AVC编码技术总体架构

2.2.1编解码工作流程

2.2.2档次(Profile)和分级别(1evel)

2.3 3G标准对H.264/AVC的支持

2 3.1 H.264/AVC支持的3G终端

2.3.2 3G视频业务对H.264/AVC基本要求

2.4支持3G标准的H.264/AVC技术特性

2.4.1帧内预测

2.4.2帧间预测

2.4.3基于率失真模型(Rate-Distortion Model)的编码模式选择

2.4.4以整数变换为基础的空间域变换

2.4.5上下文相关的可变长度编码CAVLC

2.4.6环路滤波(Deblocking Filtering)

2.4.7 SEI和VUI信息

2.5本章小节

第3章H.264/AVC视频流在3G系统中的传输

3.1第三代移动通信系统(3G)

3.2 3G分组域系统结构

3.2.1CDMA2000分组域系统结构

3.2.2 WCDMA分组域系统结构

3.2.3 TD-SCDMA分组域系统结构

3.3第三代移动通信系统提供的业务

3.3.1 3G业务特点

3.3.2 3G中的多媒体业务

3.4 3G系统分组业务协议栈

3.4.1 UMTS用户平面协议栈

3.4.2 CDMA2000简单IP协议参考模型

3.5 H.264/AVC视频流在3G网络中的传输

3.5.1 H.264/AVC的分层结构

3.5.2 H.264/AVC分组交换业务传输协议栈

3.5.3 H.264/AVC数据在3G网络中的传输模拟

3.5.4双向视频传输模拟模型

3.6本章小结

第4章3G环境中H.264/AVC的容错技术

4.1容错技术简介

4.1.1误码对视频质量的影响

4.1.2容错技术的分类

4.1.3 H.264/AVC容错技术相关工作

4.2编码器端的容错技术

4.2.1参数集

4.2.2片(Slice)结构

4.2.3灵活宏块排序FMO(Flexible Macroblock Ordering)

4.2.4帧内编码块刷新(Intra Block Refreshing)

4.2.5 UEP和FEC

4.3解码器端的错误隐藏(ERROR CONCEALMENT)技术

4.3.1丢失片中宏块错误隐藏的顺序

4.3.2帧内编码宏块的错误隐藏

4.3.3帧间编码宏块的错误隐藏

4.4解码器/编码器联合的容错技术

4.4.1自动反馈重传机制ARQ(Automatic Repeat Request)

4.4.2实时的反馈机制

4.5编码器端H.264/AVC容错策略

4.5.1编码器端容错工具选择方案

4.5.2实验方案和实验结果

4.6对话式视频业务中H.264/AVC的容错策略

4.6.1对话式视频业务容错方案

4.6.2实验和结果

4.7视频广播/多播业务中的容错策略

4.8本章小结

第5章3G环境中H.264/AVC的码率控制算法

5.1 3G无线信道上的码率控制

5.2基于VBR的码率控制方法

5.2.1 HRD(Hypothetical Reference Decoder)缓冲区参考模型

5.2.2流体流动模型(Fluid Flow Traffic Model)

5.2.3 MAD的估算

5.2.4量化参数(QP)的计算

5.2.5 VBR码率控制的结果

5.3基于EBR的码率控制算法

5.3.1 EBR算法的基本要求

5.3.2 EBR视频流在3G无线信道中的传输

5.4 3G网络中支持EBR的信道结构

5.4.1 WCDMA系统中的逻辑信道

5.4.2 CDMA2000中的逻辑信道

5.5 EBR算法的实现

5.5.1 EBR码率控制算法的核心

5.5.2自适应动态分片方法

5.5.3量化参数的确定

5.5.4 GOP中第一个I帧和P帧的编码方法

5.5.5 GOP中剩余P帧的编码方法

5.6 EBR码率控制方法的性能

5.6.1在无差错信道上的传输性能

5.6.2在易错信道上传输结果

5.6.3自适应动态分片方法的性能

5.6.4端到端延时性能

5.6.4 EBR方法的缺点

5.7本章小结

第6章H.264/AVC在3G应用中的相关问题

6.1 H.264/VAVC标准的一致性测试

6.1.1比特流的一致性测试

6.1.2解码器的一致性测试

6.1.3 3G移动终端的一致性测试

6.2专利问题

6.2.1 H.264/AVC专利权适用范围

6.2.2专利收费细则

6.2.3专利问题总结

6.3 H.264/AVC标准与AVS标准比较

6.3.1 AVS1-P7标准的技术特点

6.3.2 AVS1-P7标准的性能

6.3.3 AVS1-P7的应用

6.4本章小结

第7章总结和展望

7.1论文工作总结

7.2本文创新点

7.3未来工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢