易错信道中视频传输差错控制算法研究

摘要

通信技术的发展和视频压缩技术的提高,使数字视频传输服务正逐步走进现实生活。当前有线和无线传输信道并不能保证压缩视频位流的可靠传输,在传输过程中可能会出现误码或分组丢失。多数视频压缩编码规范都采用基于块的混合压缩编码算法,利用帧间预测减少视频序列时间域冗余,利用变换编码降低残差图像空间域冗余,利用可变长编码减少统计冗余。视频压缩编码规范在实现编码效率的同时,压缩视频位流更容易受到传输错误的影响。单个误码可能会导致两个同步头之间的视频位流无法正常解码,分组丢失会造成一帧图像内连续数量宏块出错。同时,一帧图像中的传输错误可能会通过运动补偿扩散到后续帧,造成连续几帧图像质量下降。因此,需要针对视频编码器和传输信道研究开发高效以及鲁棒性的视频传输编码算法,在实现视频序列压缩效率的同时,提高系统的抗误码能力。同时也需要在视频解码实施适当的错误隐藏算法,减少传输出错带来的视频图像质量下降。　　 在视频编码器端,为有效阻断错误帧间扩散,论文提出了一种适用于无线视频传输的帧内刷新策略。该策略采用二阶Markov模型仿真无线信道的突发性出错特点,结合解码器的具体错误隐藏算法,从像素层和宏块层分析了错误帧问扩散所引起的失真。将错误扩散失真引入到速率一失真率框架内,提出了一种高效的帧内刷新策略。该策略可根据信道传输状态和解码图像的错误帧间扩散严重程度,合理确定帧内刷新宏块的位置和数量,实现编码效率和容错能力的优化。结合反馈信道,讨论了视频传输系统中的反馈信息对无线信道模型和错误扩散过程的校正作用。本文帧内刷新策略与视频压缩标准相兼容,适用于实时的端到端无线视频通信。　　 论文研究了联合信源/信道编码的码率分配问题,提出了一种应用于无线视频传输的前向纠错码码率分配算法,目标是确定最优的前向纠错码(FEC)编码速率使图像解码失真最小。首先分析了视频分组在无线传输信道采用前向纠错码后所产生的残余分组出错率问题。根据H.263速率一失真率理论,对信源失真进行了估算。结合错误隐藏错误算法和无线信道传输条件,对信道失真进行了分析。综合考虑信源失真和信道失真对解码失真的影响后,得出了联合信源/信道码率分配优化算法。该算法可以在有限传输带宽条件下,根据无线信道的传输条件合理分配信源/信道编码速率,提高无线视频传输质量。　　 论文研究了解码器端的错误隐藏算法,分别在时间域和空间域提出了一种基于边界的错误隐藏算法。首先对出错宏块的空间相关性进行分析,提出了一种可靠的边界提取、连接和出错宏块内部边界像素的恢复策略。在本文基于边界的空间域错误隐藏算法中,利用已恢复边界将出错宏块划分为像素灰度分布相对均匀的子块,然后对各个子块中的错误像素实施方向性插补。在时间域错误隐藏算法中,利用已恢复边界将出错宏块划分为时间运动性相同的若干子块,通过每个子块的边界像素和正确解码的周围像素在参考帧中进行解码器运动矢量估计,实现出错子块的错误隐藏。采用边界划分子块的方案可使各个子块更容易满足空间域像素分布的平滑性和时间域运动的统一性,因此基于边界的空间域和时间域错误隐藏算法的图像恢复质量有所提高。本文错误隐藏算法不增加传输速率和传输延时,可以应用在大多数视频传输系统中。　　 最后,对论文的工作进行了总结并对进一步的研究提出了建议。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 视频压缩编码技术

1.2.1 基于块的混合压缩编码

1.2.2 视频压缩编码标准及其差错控制

1.3 视频传输技术

1.3.1 视频传输通信协议

1.3.2 传输信道参数

1.3.3 信道出错模式与信道模型

1.4 论文主要内容及结构

参考文献

第二章 视频传输差错控制

2.1 视频传输差错控制原理与分类

2.2 冗余信源编码

2.2.1 位流层差错控制

2.2.2 错误帧间扩散差错控制

2.2.3 分层编码

2.2.4 多描述编码

2.3 信源/信道联合差错控制

2.4 解码器错误隐藏

2.5 视频传输质量评价指标

2.6 小结

参考文献

第三章 帧内刷新策略

3.1 问题的提出

3.2 几种主要的帧内刷新策略

3.2.1 随机刷新策略

3.2.2 图像内容自适应帧内刷新策略

3.2.3 基于错误跟踪技术的帧内刷新策略

3.3 基于速率-失真率的帧内刷新策略

3.3.1 引言

3.3.2 无线信道模型

3.3.3 帧间错误扩散失真分析

3.3.4 速率-失真率框架内的帧内刷新策略

3.3.5 帧内刷新策略的反馈校正

3.4 仿真实验

3.4.1 开环帧内刷新策略仿真结果

3.4.2 闭环帧内刷新策略仿真结果

3.5 小结

参考文献

第四章 前向纠错码码率分配策略

4.1 引言

4.2 前向纠错码性能评估

4.2.1 前向纠错码分组策略

4.2.2 无线信道残余分组出错率

4.3 视频编码信源失真分析

4.4 视频传输信道失真分析

4.4.1 整数像素运动矢量信道失真

4.4.2 半像素运动矢量信道失真

4.5 最优纠错码编码分配

4.6 仿真实验

4.6.1 仿真环境设置

4.6.2 仿真结果

4.7 小结

参考文献

第五章 错误隐藏算法

5.1 引言

5.2 变换域错误隐藏算法

5.3 空间域错误隐藏算法

5.3.1 确定性错误隐藏算法

5.3.2 基于图像统计特性的错误隐藏算法

5.4 时间域错误隐藏算法

5.4.1 参考矢量集

5.4.2 周用像素匹配算法(BMA)

5.4.3 解码器运动矢量估计

5.5 基于边界的时间域/空间域错误隐藏算法

5.5.1 引言

5.5.2 边界像素提取

5.5.3 边界恢复

5.5.4 基于边界的空间域错误隐藏算法

5.5.5 基于边界的时间域错误隐藏算法

5.6 仿真实验

5.6.1 仿真实验设置

5.6.2 基于边界的空间域错误算法仿真结果

5.6.3 基于边界的时间域错误算法仿真结果

5.7 小结

参考文献

第六章 总结和展望

6.1 论文工作总结

6.2 展望

致谢

攻读博士学位期间撰写和发表的学术论文