（信息与通信工程专业论文）信源信道联合视频编码研究.pdf

弛i - o 摘要 随着数字通信、计算机网络及多媒体技术的飞速发展，多媒体通信已经成为一 种不可避免的趋势。多媒体通信可分为数据处理和数掘传输两部分，对应于视频应 用系统，一般即为信源编码和信道编码。传统的香农分离原则将信源编码和信道编 码分开考虑，然而目前的研究表明，这种绝对分离的方式在当前技术水平下无法达 到高效可靠传输多媒体数据的目的，因此需要联合考虑信源编码与信道编码，实现 信源信道联合编码。本文在困家8 6 3 重大攻关项目“数字视音频编码、传输、 测试与应用示范系统”( n o 2 0 0 2 a a l l 9 0 1 0 ) 的资助下，对信源一信道联合视频编码 技术进行深入的研究。 信源信道联合编码技术的种类很多，本文主要研究参数联合优化的信源一信道联 合编码技术这种技术将信源编码器和信道编码器级连起来，在保持两个编码器之 间独立性的同时，联合优化它们的编码参数，以达到联合编码的目的。这种联合编 码技术的核心问题在于解决：( 1 ) 率失真函数及其参数估计；( 2 ) 信源编码方案；( 3 ) 传输信道比特分配及不平等保护机制；( 4 ) 信源信道联合比特分配等四个问题。本 文紧密围绕这四个问题展开讨论。 广义率失真理论是信源- 信道联合编码技术的理论基础，它是在传统率失真理论 的基础上综合考虑信源、信道的多种因素而发展起来的。本文基于广义率失真理论， 定义了参数联合优化的信源信道联合编码技术的数学描述。并基于这些数学描述， 研究率失真函数相关参数估计的问题。首先，本文针对无线视频传输过程中的三种 主要失真，提出一种简单实用的传输失真预测算法。然后，设计一种在高网络负载 下预测精度仍然很好的e x a c t p a d h y et c p 吞吐量模型，克服了现有p a d h y e 模型未考 虑慢启动过程和参数近似不合理的两个缺陷。 在信源编码方面，本文主要提出一种基于运动的视频编码方案，并且对最新的 国际视频编码标准h 2 6 4 的编码模型进行研究。本文所提出的编码方案借鉴m p e g 4 基于对象的编码思想，用运动对象替换视频对象进行处理，从而得到较好的编码效 果。这种编码方案适用于远程教育、远程监控等低码率下的多媒体网络应用。同时， 通过大量的实验，本文研究了当前最新的h 2 6 4 视频编码器的编码模型。确定了视 频序列g o p 级和帧级的编码预测公式。该模型将编码序列特性、量化系数、编码模 式、编码码率、编码质量等参数有机的联系起来。利用这些预测公式，通过少量计 算便可以较为准确的预测h 2 6 4 输出码流的码率和恢复质量： 在信道传输方面，本文主要提出了一种帧级不平等保护策略及其编码质量的预 测算法以及一种新型的数据打包方法。这种帧级不平等保护策略首先通过一定的规 则和计算确定g o p 内各帧的重要性；然后根据当前网络保护带宽的状况，自适应的 选用本文提出的选择性保护b 帧、选择性丢弃b 帧、选择性丢弃b p 帧等不平等保 护算法。通过这些算法对各帧数据进行不平等的保护，以达到接收端恢复质量整体 最优的目标。同时，本文针对传统光栅扫描方式的局限性，融合离散化宏块和螺旋 扫描算法，提出了一种新的视频数据打包算法。这种算法将相邻宏块打包到不相邻 的传输数据包中，避免由于连续宏块丢失造成解码端难以掩盖的数据错误。 基于信源编码、信道传输、错误控制等部分的研究成果，本文最后提出并实现 了一种参数联合优化的信源一信道联合编码方案。该方案信源编码遵循h 2 6 4 标准、 信道编码采用r s 码、利用本文提出的帧级不平等保护策略作为错误控制方案，实现 信源信道的联合编码。该方案联合应用信源信道特性参数，得到最优的编码比特分 配，达到编码整体最优的结果，实现了参数联合优化的信源信道联合编码。理论分 析结果和实际的测试结果都证明了该联合编码方案的合理性和有效性。 上述的部分研究成果在远程教育系统中得到了应用，丌发出“易点多媒体非实 时远程教育系统”和“易学多媒体实时远程教育系统”两套应用软件，并在华中科 技大学等单位的实际教学中得到了应用。 关键词：信源信道联合编码无线视频传输率失真理论信源编码信道编码 信源编码模型不平等保护远程教育 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e rn e t w o r k a n d m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n sh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n d m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ni n c l u d e st w op a r t s ：d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o n ， w h i l ei nar e a ls y s t e mt h e ya r ec a l l e ds o u r c ec o d i n ga n dc h a n n e l c o d i n g p r e s e n tr e s e a r c h s h o w st h a ti fs o u r c ee n c o d e ra n dc h a n n e le n c o d e ra r ed e s i g n e d s e p a r a t e l ya c c o r d i n g t ot h e t r a d i t i o n a ls h a n n o ns e p a r a t i n gp r i n c i p l e ，t h e g o a l o fe f f i c i e n ta n dr e l i a b l em u l t i m e d i a t r a n s m i s s i o nc a l ln o tb ea c h i e v e d t h e r e f o r e ，j o i n ts o u r c e c h a r m e lc o d i n gs c h e m e sc a nb e a d v a n t a g e o u s i n p r a c t i c e s u p p o r t e db y t h en m i o n a l h i g ht e c h n o l o g y r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m o fc h i n a ( 8 6 3 p r o g r a m ) - j o i n t s o u r c e c h a n n e l c o d i n g ( ： 2 0 0 2 a a l l 9 0 1 0 ) ，t h i st h e s i sf o c u s e so i lt h ed e v e l o p m e n to f b e t t e r j o i n ts o u r c ea n dc h a n n e l v i d e oc o d i n g t e c h n i q u e t h e r ea r e m a n yk i n d s o fj o i n ts o u r c e - c h a n n e l c o d i n gt e c h n i q u e ap r a g m a t i c a p p r o a c hf o rt o d a y ss t a t e o f - t h e a r ti s t o k e e pt h e s o u r c ec o d e ra n dt h ec h a n n e lc o d e r s e p a r a t e ，b u to p t i m i z et h e i rp a r a m e t e r sj o i m l y t h i sa p p r o a c hc a l l e dp a r a m e t e ro p t i m i z e d j o i n ts o u r c e - c h a n n e lc o d i n g ( p o j s c c ) s t u d i e si nt h i st h e s i s t h ek e yp r o b l e m so ft h i s t e c h n i q u ea r e ：( 1 ) r a t e - d i s t o r t i o n f u n c t i o na n de s t i m a t i o no fi t s p a r a m e t e r s ；( 2 ) b i t a l l o c a t i o no fs o u r c e c o d e r ；( 3 ) b i ta l l o c a t i o n o fc h a n n e l s y s t e m a n d u n e q u a l e r r o r p r o t e c t i o nm e c h a n i s m ；( 4 ) b i ta l l o c a t i o nb e t w e e ns o u r c ea n dc h a n n e lc o d e r g e n e r a lr a t e - d i s t o r t i o nt h e o r yi st h et h e o r e t i c a lb a s eo f j o i n ts o u r c ea n dc h a n n e l c o d i n gt e c h n i q u e ，w h i c hi s o nt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a lr a t e - d i s t o r t i o n t h e o r ya n d e s t a b l i s h e db yo p t i m i z i n gm u l t i p l ef a c t o r so fc h a n n e la n ds o u r c e b a s e do i lt h eg e n e r a l r a t e d i s t o r t i o n t h e o r y , t h e m a t h e m a t i c a l p r e s e n t a t i o n o f p a r a m e t e ro p t i m i z e dj o i n t s o u r c e c h a n n e lc o d i n gi sd e f i n e dt oe s t a b l i s ht h et h e o r e t i c a l b a s e f i r s t l yi n o r d e rt o e s t i m a t et h e p a r a m e t e r s o fr a t ed i s t o r t i o n f u n c t i o n ，t h i s t h e s i ss t u d i e st h r e e m a j o r n l d i s t o r t i o n s d u r i n g t h ew i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n ，a n dp r e s e n t sat e r s eb u tp r a c t i c a l p r e d i c t i o na r i t h m e t i co f t r a n s m i s s i o nd i s t o r t i o n t h e nb yi m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a lp a d h y e t c p t h r o u g h p u tm o d e l ，w ed e s i g n a ne x a c t p a d h y em o d e lw h i c hc a na c h i e v eh i 【g h e r p r e d i c t i o np r e c i s i o nu n d e rh i g hn e t w o r kp a y l o a d i nt e r m so fs o u r c ec o d i n g ，am o t i o n b a s e dv i d e oc o d i n gs c h e m ei sp r e s e n t e d ，a n dt h e s o u r c em o d e lo fh 2 6 4i ss t u d i e d t h ee s s e n t i a li d e ao ft h i sm o t i o n - b a s e dv i d e oc o d i n gi s t oa l t e rv i d e oo b j e c ti nm p e g 一4t om o v i n g o b j e c t ，e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h i ss c h e m ei s a b l et oa c h i e v eb e t t e r c o d i n gp e r f o r m a n c e ，a n dc a nb ew i d e l yu s e d i nl o wb i tr a t e m u l t i m e d i an e t w o r ka p p l i c a t i o n ss u c ha sd i s t a n c ee d u c a t i o n ，v i d e oc o n f e r e n c e ，d i s t a n c e c o n t r o le t c t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s ，t h i st h e s i ss t u d i e st h es o u r c em o d e lo ft h e n e w e s tv i d e oc o d i n gs t a n d a r d ，h 2 6 4a n d p r o p o s e st w os o u r c em o d e l s ，w h i c hc a np r e d i c t t h eb i tr a t ea n do u t p u tq u a l i t yo nt h eg o pl e v e la n dt h ef r a m el e v e ls e p a r a t e l y i ta l s o c o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i c t u r es e q u e n c e ，q u a n t i z a t i o np a r a m e t e r , c o d i n gm o d e ， o u t p u tb i tr a t e ，a n do u t p u tq u a l i t y e x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ep r e d i c t i o nm o d e li st e r s e a n dt h er e s u l t sa r e p r e c i s e i nt e r m so fc h a n n e lc o d i n g ，af r a m e l e v e l u n e q u a l e r r o rp r o t e c t i o ns c h e m ea n d p e r f o r m a n c ee s t i m a t i o nm o d e lf o rw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ni sp r o p o s e d ，a n dan o v e l a l g o r i t h m f o rv i d e od a t a p a c k e t i n gi sp r e s e n t e d t h i sf r a m e l e v e lu e ps c h e m ef i r s t c o m p u t e st h ei m p o r t a n c eo f e a c hf l a m ei no n eg o r s e c o n d l y , i n c o n s i d e r a t i o no fc u r r e n t n e t w o r ks t a t e ，ap r o p e ra l g o r i t h mi sc h o s e nf o r ms e l e c t i v e l yp r o t e c tb - f r a m e ，s e l e c t i v e l y d i s c a r db f r a m e ，a n ds e l e c t i v e l yd i s c a r db pf r a m e t h eo p t i m i z e do v e r a l lr e c o n s t r u c t i o n q u a l i t yi nr e c e i v e ri sa c h i e v e db yu s i n gt h e s ea l g o r i t h m st op r o t e c td a t au n e q u a l l y t h e n o v e lv i d e od a t ap a c k e t i n ga l g o r i t h mb a s e do ns c a t t e r e dm a c r o b l o c k sa n ds p i r a l l ys c a n o r d e ra v o i d sl i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a lr a s t e rs c a no r d e r t h i sa l g o r i t h m p a c k e t i z e sn e i g h b o r m a c r o b l o c k st o n o n n e i g h b o rp a c k e t s ，t o d e c r e a s et h e p r o b a b i l i t y o fc o n s e c u t i v e m a e r o b l o c kl o s s b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，e s p e c i a l l yt h es o u r c em o d e l ，t h ec h a n n e lc o d i n ga n d i v u e ps c h e m e ，t h i st h e s i s p r o p o s e s ap a r a m e t e ro p t i m i z e dj o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n g s c h e m eo ng o pl e v e l t h i ss c h e m e e m p l o y s h 2 6 4s t a n d a r di ns o u r c e e n c o d e r ， r e e d s o l o m o nc o d e sf o rc h a n n e lc o d i n g ，a n dt h ef r a m e l e v e l u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n s c h e m ea st h ee r r o rc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h es t a t i s t i c so fv i d e os e q u e n c ea n dc u r r e n t s t a t eo fn e t w o r k ，t h es c h e m ea d a p t i v e l ys e l e c t s e n c o d i n gp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h e p r e d i c t i o nf o r m u l a , t oa c h i e v et r a d i n g o f fs o u r c ea n dc h a n n e lc o d i n g a n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t ss h o w t h er a t i o n a l i t ya n d v a l i d i t yo f t h i s j o i n tc o d i n gs c h e m e p a r to ft h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sw e r ea p p l i e di nt h ei n t e r a c t i v ed i s t a n c ee d u c a t i o n s y s t e m ，s u c hi t s “t e a m s w a ne d e nm u l t i m e d i an o n - r e a l - l i m ed i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e m a n d “t e a m s w a ne a s y l e a m i n gm u l t i m e d i ar e a l - t i m ed i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e m ”，w h i c h a r ee m p l o y e di np r a c t i c ei nh u s ta n ds o m eo t h e rs c h o o l s k e y w o r d s ：w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s i o n ，j o i n ts o u r c ea n dc h a n n e lc o d i n g ， s o u r c ec o d i n g ，c h a n n e lc o d i n g ， r a t e - d i s t o r t i o nt h e o r y , s o u r c e c o d i n gm o d e l ， u n e q u a l e r r o rp r o t e c t i o n ，d i s t a n c ee d u c a t i o n v 独创性声明, y 5 7 8 8 8 9 本人声明所呈交的学术沧文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 3 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“、，) 学位论文作者签名：指导老师签名 日期：2 0 0 3 年月日 同期：2 0 0 3 年月日 囊叁i ：作者、导郧弼碧 纫全文公布 a b t ： a r q ： a m c ： a v c ： a v s ： a w g n ： b p s ： c a b a c ： c q - s s ： e z w ： f e c ： f g s ： f s ： g o p ： h a r q ： h v s ： j s c m ： j s c c ： m a e ： m p e g ： m s e ： m t u ： p c m ： p f g s ： p o j s c c r s e r ： p s n r ： q p ： r c p c ： r c p t ： r d ： r e d ： r s ： i t ： r t p ： s p i h t 缩写词表 自适麻块变换：a d a p t i v eb l o c kt r a n s f o r m 自动重传请求：a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 自适应编码调制：a d a p t i v e m o d u l a t i o nc o d i n g 高级视频编码：a d v a n c e dv i d e oc o d i n g 中国音视频编码标准：a u d i ov i d e oc o d i n gs t a n d a r d 加性高斯白噪声：a d d i t i v e w h i t e g a u s s i a n n o i s e 比特率：b i tp e rs e c o n d 基于内容的二进制算术编码：c o n t e x t - a d a p t i v eb i n a r y a r i t h m e t i cc o d i n g 中心偏置三步法c e n t e rt h r e es t e ps e a r c h 内嵌零树小波变换：e m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e t 前项纠错：f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 精细粒度可分级性：f i n eg r a n u l a r i t ys c a l a b l e 全搜索：f u l ls e a r c h 帧组：g r o u po f p i c t u r e 混合自动重传请求：h y b i r d a u t o m a t i cr e p e a t 人类视觉系统：h u m a nv i s i o ns y s t e m 信源信道编码匹配：j o i n ts o u r c ec h a n n e lm a t c h 信源信道联台编码：j o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g 绝对平均误差：m e a na b s o l u t ee r r o r 运动图像专家组：m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p 均方误差：m e a ns q u a r e de r r o r 最大传输单元：m a x i m u mt r a n s f e ru n i t 脉冲编码调制：p u l s ec o d em o d u l a t i o n 渐进的精细粒度可分级性：p r o g r e s s i v e f i n eg r a n u l a r i t ys c a l a b l e 参数联合优化的信源信道联合编码p a r a m e t e ro p t i m i z e dj o i n ts o u r c e c h a n n e l c o d i n g 错误符号残留率：r e s i d u a ls y m b o le r r o rr a t e 峰值信噪比：p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o 量化系数：q u a n t i z a tp a r a n a e t e r 码率兼容踯j 除型卷积码：r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e e dc o n v o l u t i o n a l 码率兼容删除型t m b o 码：r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b o 率失真：r a t ed i s t o r t i o n 随机先划检测：r a n d o n le a r l yd e t e c t i o n 里德索罗门码：r e e ds o l o m o n 往返传输时k ：r o u n d t r i pt i m e 实时传输协议：r a t e t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o l 基于分层树的集合划分算法：s e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s v i s s ： t c p ： t d ： t s s ： t o ： u e p ： u d p ： v c d ： v o d ： v c e g ： 慢启动：s l o ws t a r t 传输控制协议：t r a n s f e r c o n t r o lp r o t o c o l 三次应答：t r i p l ed u p l i c a t e 三步搜索法：t h r e es t e ps e a r c h 超时：t i m e o u t 不平等保护：u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n 用户数据报协议：u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 数字视频光盘：v i d e oc o m p r e s sd i s k 视频点掭：v i d e oo nd e m a n d 视频编码专家组：v i d e oc o d i n ge x p e r t sg r o u p 1 绪论 i i 多媒体编码技术标准及发展方向 随着数字通信、计算机网络及多媒体技术的飞速发展，多媒体通信已经成为一 种不可避免的趋势。据统计，人类感觉器官接收的各类信息中，视觉类占了近7 0 】。 这些视觉信息经过数字化后，如果不进行压缩，其数据量将是巨大的。因此，视觉 图像数据编码压缩成为解决多媒体通信问题的一个关键环节【2 j 。 图像编码技术自1 9 4 8 年o l i v e r 提出p c m 编码理论口】以来，迄今已有5 0 多年的 历史，已经发展成为一个独立的研究领域。图像编码压缩技术的基本思想是去除图 像数据中各种相关性所带来的冗余。一般视觉数据存在以下几种冗余【4 1 ：空间冗余、 时间冗余、信息熵冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余等，各种图像编码技术就 是与这些视觉数据冗余类型有关。 根据编码技术利用的冗余类型，t o r r e s 等人在他f r j 的著作中把图像编码分为第一 代编码技术和第二代编码技术两个阶段口 。第一代的编码技术仅考虑图像及图像序列 中的空间冗余、时间冗余和信息熵冗余。其编码方法主要以象素或象素块作为编码 实体，没有或较少考虑人类视觉系统。第一代编码方法主要有：脉冲编码调制、预 测编码、变换编码、矢量编码、小波编码等【6 1 。由于第一。代编码技术不能提供较高的 编码效率，不能在低码率时提供良好的视觉质量，因此在八十年代初，开始产生第 二代编码技术。第二代编码技术在第一代编码技术的基础上，进一步考虑了视觉数 据中的结构冗余、知识冗余和视觉冗余，从而获得了更高的压缩效率。代表性的第 二代编码方法主要有：基于分割的编码方法1 7 , 8 】、基于模型的编码方法t g ：o 和分形编 码 1 1 , 1 2 1 等。第二代图像编码方法建立在图像分析和合成、计算机图形学、计算机视 觉等基础上，其中许多新的编码技术还有待于进一步的研究与探索。 1 1 1 主要的槐频编码标准 随着编码技术的广泛应用和工业界的高度重视，为适应全球工业与经济的飞跃 发展，国际标准化组织开始将图像视频编码的研究成果转化为相应的国际标准。当 前主要的视频编码标准主要有两个系列【】3 ： 1 国际电联( i t u t ) 制定的应用于网络通讯行业的h 2 6 x 系列标准，如：用于 p 6 4 k b p s ( p = 1 2 3 0 ) 速率卜- 的丰见频编解码标准h 2 6 1 “】；面向甚低码率通信的 视频编码标准h 2 6 3 t 1 5 】；以及h 2 6 3 的后续版本h 2 6 3 + 16 1 、h 2 6 3 + + 等。 2 国际标准化组织( i s o ) 运动图像专家组 1 8 1 ( m p e g ) 制定的应用于媒体业务 的m p e g - x 系列标准，如：应用于v c d 业务的m p e g i t ”】：应用于d v d 业务的 m p e g 一2 t 2 讲( m p e g 2 是i t u t 与m p e g 共同完成的标准，i t u - t 称这个标准为 h 2 6 2 ) ；更高压缩效率与应用范围的m p e g 一4 f 2 1 】；以及m p e g 一7 t 2 2 1 、m p e g 一2 1 2 3 1 等。 这些视频压缩标准在当前多媒体通信领域内得到了广泛的应用，如h 2 6 1 在 i s d n 视频会议。h 2 6 3 在可视电话、视频会议，m p e g 一1 在v c d ，m e p g 一2 在d v d 中的应用等。其中m p e g 一2 是当前公认最成功的视频压缩标准【2 ”，虽已历时十余年， 但仍在d v d 、数字卫星广播、数字机顶盒等领域得到广泛应用。m p e g - 4 是一个在 编码效率和编码质量上都较为优秀的视频编码标准口”，但是由于专利收费的问题， 没有得到业界的广泛支持。 1 9 9 8 年i t u t 的视频编码专家组开始了一个新的视频编码标准_ h 2 6 l 的草 案征集工作，h 2 6 l 希望能够提供更高的编码效率，适应更多的网络媒体应用【2 “。 1 9 9 9 年1 0 月形成了第一个标准草案，2 0 0 1 年1 2 月v c e g 和m p e g 组织合作成立 了一个名为t ( j o i n tv i d e ot e a m ) 的国际组织继续h 2 6 l 的制定工作。h 2 6 l 的 第一版已于2 0 0 3 年3 月完成 2 7 】，r r u t 组织将这个标准称为h 2 6 4 ，i s o 组织称其 为m p e g - 4p a r t l 0a d v a n c e dv i d e oc o d i n g ( a r c ) 。由于h 2 6 4 m p e g 4a v c 采用了 1 4 、1 8 象素精度运动估计、帧内预测、a b t 技术、多预测参考帧、基于上下文的 自适应二值算术编码( c a b a c ) 等技术使得其编码效率得到了大大提高。 相对于国外如火如荼的标准制定工作，国内在此方面还很落后。为了摆脱我国 多媒体产品开发和生产企业受制于国外编码标准的现状，推动我国数字电视、激光 视盘、芯片产业的发展，我国“数字视音频编解码技术标准化工作组”于2 0 0 2 年6 月2 1 日正式宣布成立。工作组成员来自国内数十家科研单位和家电领域的重要企业。 该组织在信息产业部科技司的领导下，负责我国数字视音频等媒体的压缩、解压缩、 处理和表示等编解码技术标准( a v s ) 的制定工作，其工作成果将由信息产业部科技 司作为行业标准发布。 剀1 1 主要视频编码标准发展历程 1 2 视频编码技术的发展趋势 多媒体通信的目标是在复杂多样且实时变化的异构网络上实现高效的、可伸缩 的、健壮的和普遍适应的多媒体通信2 引。这里的多媒体通信包含视频、音频等多种 媒体的编码、传输、纠错、处理等。由于多媒体通信的复杂性，使得编码技术在要 求具有以上共同目标的前提下向两个方向上进行了发展： 1 从多媒体应用的角度上看，要求发展能够综合利用计算机图形学、计算机视 觉和图像处理等技术，实现后续编辑、描述、搜寻等操作的视频编码技术。这种视 频编码技术以多媒体处理为目的； 2 从多媒体通信的角度上看，要求发展效率高、时延小、健壮性和自适应能力 强的信源编码技术。这种视频编码技术以压缩传输为目的。 m p e g 系列标准以多媒体处理为目的。这种编码标准力图通过相应的描述来对 视频数据进行编码压缩，并进一步达到处理、搜索视频数据的目【2 9 1 。从m p e g 系列 标准的发展示意图1 - 2 可以看出这些视频编码技术所期望实现的编码目标。 图1 - 2m p e g 系列标准发展示意图 h 2 6 x 系列标准以压缩传输为目的。其编码目标是在保证一定恢复质量的前提下 尽可能的降低数据量。这些视频编码方案不考虑对视频对象的编辑和理解，不需要 分割视频对象，可以达到更高的编码效率。 范围较为广泛，包括远程教育、远程监控、 1 2 信源信道联合编码技术 以压缩传输为目的的视频编码技术应用 无线视频传输等领域。 根据传统s h a n n o n 信息论，要实现有效可靠地传输信息，可以将传输系统设计 成信源编码部分和信道编码部分两个独立无关的组合。然而s h a n n o n 信息论是基于 以下两个假设 3 0 , 3 1 】： 1 假设允许编码数据块无限长，即对于信源和信道编码器，都假设可以容忍无 限长的延迟； 2 假设信道编码器精确地掌握传输信道的统计特性。 显然，上述两条假设在实际的无线通信系统中是不成立的。对于假设l ，信源编 码不可能具有无限的存储空问，也不可以造成无限长的延时，因此信源编码效率不 可能达到s h a n n o n 定义的编码极限；对于假设2 ，即使是点对点的应用系统，其信道 状况也是时变的，统计特征也极为复杂。对于广播或组播等多用户应用，信道统计 特性将更加复杂，造成假设2 也难以成立。因此分别考虑信源编码器和信道编码器， 将无法达到高效可靠传输信息的目的。解决这一问题的方法就是联合考虑信源编码 与信道编码，即信源信道联合编码技术。 根据信源信道编码耦合的紧密程度可以将信源信道联合编码技术分为三类： 1 紧耦合的联合信源一信道编码，这种技术将信源编码和信道编码联合起来考 虑，提出了信源控制的信道编码旧或信道优化的信源编码等算法 3 3 。然而由于这类 联合编码方式设计起来过于复杂，并且一定要基于某种特性已知的信源编码器和信 道编码器，因此限制了其应用范围，目前已经不是研究的重点： 2 松耦合的不平等保护信源信道编码，这种技术通过调整信道编码的保护粒度 来保护信源输出的不同重要级别的数据。这类联合编码技术应用较多1 3 4 , 3 5 1 ，而且已 有部分实用。但究其根源仍未脱离传统的s h a n n o n 信息论，只是改进信道编码以适 应信源编码的输出码流而已； 3 介于前两者之间的参数联合优化的信源信道编码，这种技术将己知的信源编 4 码器和信道编码器级连起来，保持两个编码器之间的独立性，但是联合优化它们的 编码参数3 6 j7 1 ，以实现联合编码的目的。这种联合编码技术是当前信源信道联合编 码的主流方向。 本文研究重点是第三类参数联合优化的信源信道编码技术。针对不可靠信道多 媒体通信中的信道状态，通过合理分配原始多媒体数据和保护数据之间的传输带宽， 实现信源和信道冗余度的合理分配，进而实现参数联合优化的信源信道编码系统。 这种信源信道联合编码技术一方面可以降低系统的实现复杂度，同时可以通过信源 和信道之间的速率分配柬实现联合编码的目的，是- - e e 折衷而又有效的编码方式。 实现上述参数联合优化的信源信道编码方式的一种结构如图1 3 所示。原始媒体 流数据首先进行可伸缩性的信源编码，然后对不同业务的不同级别数据层采用不同 粒度的信道编码保护，多层数据流经复合后进入网络传输。接收端接收到数据流后， 反馈接收情况报告给发送端，发送端接收到此报告后，分析著计算其中相关的关键 网络参数( 例如当前网络带宽，误码率等) ，然后按照这些参数分配信源、信道之间 的比特数，实现信源信道联合编码。 图1 - 3 参数联合优化的信源信道编码方式 1 2 1 信源信遭编码平衡 传统信源编码的目标是【3 8 】：在给定目标码率的前提下，使得编码失真度最小。 传统信道编码的目标是：在信道容量允许的条件下，尽可能可靠的传输数据。分析 可知，在带宽受限的多媒体通信系统中，这两个编码目标是矛盾的，其相互关系分 析如下。 定义某时刻通信系统总带宽为r ，信源编码分配的带宽比例为r ( o 0 。 f = d r x l + , t h( 1 4 ) 此时将有约束条件极值问题转化为无约束条件极值问题的求解。( 1 4 ) 式是一个 n + 2 维变量的无约束极值问题，其稳定点可由f 列方程组( 1 5 ) 得到。 篆= 。五洲， l h ：0 可以证明，如果变量集x * = 0 + l ，z + 2 ，x * n + 2 ) 是方程组( 1 5 ) 求解出的结果，那 么x * 必然也是问题4 的解。 证明：因为x * 是方程组( 1 5 ) 的解，因而