基于视频混合数字模拟传输的关键技术研究

摘要

无线视频传输系统经历了从模拟电视年代到数字电视年代的转变，这其中发生过一系列伟大的技术革新。特别在香农提出信源信道分离理论后，数字编码技术获得长足的发展。在这样的背景下，无线视频传输方案主要是由两部分组成的，分别是分离的视频压缩编码部分和数字信道编码部分。这种基于数字的分离信源信道编码方案已经被证明在点对点的通信场景下能获得最高的编码效率。近年来，无线网络与移动终端技术正在经历一个快速发展的阶段，一些新兴的无线视频服务也变得越来越受欢迎，例如移动电视，无线视频会议以及无线视频监控等一系列应用。然而，传统的分离编码理论已经不能适用于这些应用，主要是因为悬崖效应(cliff effect)。为了抵抗悬崖效应，近期出现的模拟视频编码因为由一系列线性运算构成的，具有接收质量的信道自适应性特性。然而，在编码效率上，模拟编码是远远不如数字编码的。因此，考虑将数字编码技术与模拟编码技术结合起来，就可以弥补两者的弊端，获得编码效率和质量可伸缩性的最优权衡，这就是混合数模编码(HDA)的优势。
　　然而，虽然视频混合数字模拟编码已经有很多出色的工作，但目前依旧存在诸多问题尚未解决，需要更进一步的探究。第一点，现有的HDA方案大多考虑的都是理想情况的加性高斯白噪声信道(AWGN)，而实际的信道比AWGN要复杂得多，特别是考虑了信道增益的衰落信道，这种情况下该如何设计混合数模编码方案呢？第二点，在考虑实际的通信环境中，合作与混合数模编码相结合是一种有效的通过空间分集来提高通信鲁棒性的途径，从而提高视频的接收质量。然而目前的研究对于基于合作通信的混合数模编码中的相关技术缺乏理论的分析，例如如何选取陪集编码的步长来获得最大化性能收益，这些问题迫切地需要解决;第三点，现有的绝大多数视频或者图像编码方案都是以消除统计冗余达到均方失真最小化为目标。可是人们越来越意识到均方误差并不能很好地反映图像的感知视觉质量，这是因为感知视觉质量是与人类视觉系统(HVS）紧密相关的。如何设计编码方案将人类视觉系统与模拟编码相结合，既可以获得最佳的视觉感知质量，又能获得质量可伸缩性？
　　本文主要研究混合数模编码技术在无线视频通信中的具体应用。全文首先介绍了模拟编码和混合模拟编码的基础知识，继而开始对上述存在的一些实际问题提供解决方案，具体内容和贡献包括以下三个方面:
　　(1)本文提出了一种在瑞利衰落信道下的混合数字模拟编码方案。该方案利用分层编码思想将数字编码和模拟编码有效结合，在质量可伸缩性和编码效率上达到了较好的平衡。与AWGN信道下的HDA方案不同，本文提出的方案更加实际，考虑了信道增益。实验仿真表明本文所提出的编码方案不仅在编码效率上优于现有最先进的编码方案，而且可以实现无线传输下的可伸缩视频编码(SVC)。
　　(2)本文提出了一种基于合作的混合数模编码方案。该方案能够在合作场景下充分利用源端到中继端、源端到终端以及中继端到终端三种信道间的关系，在带宽和能量受限的条件下有效提高了接收端的接收质量。除此之外，本文推导出总体失真的具体表达式，并从中分析出陪集编码(coset coding)中最佳量化系数的选取，并将其应用于设计方案中来提高终端性能。
　　(3)本文提出了一种优化图像视觉感知的联合信源信道编码方案。该方案不仅将优化目标转移到视觉感知上，有效提升了视觉感知质量，获得了在移动通信和广播信道下的质量可伸缩性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1．无线视频广播

1．1．2 基于合作的无线视频广播

1．1．3．优化视觉感知的无线图像传输

1．2 研究现状

1．2．1．无线视频广播

1．2．2．基于合作的无线视频广播

1．2．3．优化视觉感知的无线图像传输

1．3 论文创新点及结构安排

第2章 模拟编码预备知识

2．1 本章引言

2．2 问题描述

2．3 必要条件

2．4 信源编码器和信源解码器

2．5 总能量约束下的最优编码器

2．6 模拟编码典型应用SoftCast

2．6．1．信源压缩

2．6．2．信道误差保护

2．6．3．SoftCast的解码器

2．6．4．SoftCast性能分析

2．7 本章小结

第3章 混合数模编码预备知识

3．1 本章引言

3．2 信息论基础

3．2．1．HDA-Ⅰ系统

3．2．2．HDA*和HDA-Ⅱ系统

3．3 HDA-Ⅰ系统设计

3．3．1．系统描述

3．3．2．系统设计

3．3．3 一些特殊情况

3．3．4．训练算法

3．4 实验结果

3．5 本章小结

第4章 衰落信道下的无线视频广播通信

4．1 本章引言

4．2 建议的HDA方案

4．3 实验及结果

4．3．1．实验参数设定

4．3．3．多播性能

4．4 本章小结

第5章 基于合作的无线视频广播

5．1 本章引言

5．2 相关工作

5．2．2．中继协同合作视频传输

5．3 建议的基于合作的HDA方案

5．3．1．Broadcast阶段

5．3．2．MAC阶段

5．4 资源分配方案

5．4．1．优化问题描述

5．4．2．失真分析

5．4．3．能量分配

5．4．4．带宽分配

5．5 实验性能评估

5．5．1．实验设定

5．5．2．实验结果

5．6 本章小结

第6章 优化视觉感知的无线图像传输

6．1 本章引言

6．2 相关工作

6．2．1．视觉感知编码

6．2．2．模拟编码

6．3 系统模型

6．3．1．基于凸性的HVS模型

6．3．2．凸性信噪比(FSNR)

6．3．3．通信系统模型

6．4 建议的FoveaCast方案

6．4．1．焦点选择

6．4．2．SISO系统下的方案

6．4．3．MIMO系统下的方案

6．5 实验及结果

6．5．1．实验准备

6．5．2．不同方案性能对比

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果