（信号与信息处理专业论文）基于子带图像分层编码技术在atm网络中的应用研究.pdf

重庆邮电学院硕士论文 摘要 a t m ( 异步转移传输模式) 是一种使用异步对分复用技术的快速分组交换方式，它 已被c c i t t 确定为宽带综合业务数字网( b i s 趴q ) 的信息传输和交换模式。a t m 以 其灵活、快速的交换结构使b - - i s d n 能够完成从窄带语音、数据业务到宽带视频通信 的综合传输。 b - - i s d n 的发展，为可视电话、电视会议、电视广播、高清晰度电视( 印) t v ) 等 各种新型视频通信业务的发展创造了条件。但由于视频信号在传输时占用的信道容量非 常大，必须进行压缩编码。以往的压缩编码技术都是面向同步网络的，不适于a t m 网 络。所以a t m 网络的视频编码已成为现代通信网中的一项关键技术。而基于子带图像 分层编码技术就是一种适合在a t m 网络中传输的技术。该编码技术利用子带的天然分 层结构，可以将图像信息分成人眼对其敏感度不同的部分，这与a t m 网络中的优先级 是一致的。并且，子带编码可以实现不同编码比特率的分配，这对于实现可变比特率编 码和动态分配带宽等都是很重要的。 本文简要介绍了a t m 网络的发展及a t m 网络对视频编码的要求，分析了基于子带 分解的图像分层编码技术。同时，完成了子带编码系统中分解合成滤波器组的设计，解 析了子带的分层结构，最后有创造性的设计出个适于a t m 网络的与y p e g 兼容的静 止图像分层编码方案及序列图像分层编码方案，完成了其实验仿真。 【关键词】：异步传输模式( a t m ) ，可变比特率( v b r ) 编码，分层编码，子带编码， 正交镜像滤波器组( q m f ) ，共轭正交滤波器组( c q f ) ，对称短阶滤波器组( s s k f ) 至垦墅皇兰堕堡主笙兰 a b s t r a c t s a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) i saf a s tg r o u pe x c h a n g em o d eo f a s y n c h r o n o u st i m em u l t i p l e xt e c h n o l o g y ，w h i c hi sa c c e p t e db yc c i t ta s a n i n f o r m a t i o nt r a n s p o r ta n de x c h a n g em o d eo ft h eb r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a ln e t w o r k a t mm a k e sb i s d nb ea b l et oc o m p l e t ei n t e g r a t e dt r a n s p o r to f n a r r o w b a n dv o i c e ，d i g i t a ls e r v i c e sa n db r o a d b a n dv i d e oc o m m u n i c a t i o nw i t ht h e a c t i v ea n df a s te x c h a n g es t r u c t u r e t h ed e v e l o p m e n to fb i s d nh a sc r e a t e dc o n d i t i o n sf o ra 1 1k i n d so fn e wv i d e o c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s i m p r o v e m e n t ，s u c ha sv i d e ot e l e p h o n e ，t e l e v i s i o nm e e t i n g t e l e v i s i o nb r o a d c a s t ，h i g h d e f i n i t i o nt v ( h d t v ) a n ds oo n b e c a u s eo ft h ev i d e o s i g n a lo c c u p y i n gl a r g ec h a n n e lc a p a c i t yw h e ni t i sb e i n gt r a n s p o r t e d ，w eh a v e t op r o c e s si tw i t hc o m p r e s s i n gc o d e i nt h ep a s t ，t h ec o m p r e s s i n gc o d ea r em a d e f o rs y n c h r o n o u sn e t w o r k ，i td o n tf i tf o ra t mn e t w o r k s ，s ov i d e oc o d eb a s e do n a t mh a sb e e na ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fm o d e r nt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h e l a y e r e di m a g ec o d i n gb a s e do ns u b b a n d si sat r a n s p o r tt e c h n o l o g yf i t t e df o r a t mn e t w o r k s t h i sc o d i n gt e c h n o l o g ym a k e su s eo fn a t u r a ll a y e rs t r u c t u r eo f s u b b a n d ，i tc a nd i v i d ei m a g ei n f o r m a t i o ni n t ov a r i o u sp a r t sa c c o r d i n gt ot h e p r e v i s i o no fh u m a ne y e s t h i si si d e n t i c a li np r i o r i t yo fa t mn e t w o r k s a n d s u b b a n dc o d i n gc a nr e a l i z et h ed i s t r i b u t i o no ft h eb i tr a t e t h i si si m p o r t a n t f o rv a r i a b l eb i tr a t ec o d i n ga n dd y n a m i cd i s t r i b u t i o no fb a n dw i d t he t c t h isp a p e rsi m p l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fa t mn e t w o r ka n dt h e r e q u i r e m e n to fa t mn e t w o r kf o rv i d e oc o d i n g a n da n a l y s e sl a y e r e di m a g ec o d i n g b a s e do ns u b b a n dd e c o m p o s i n g i nt h es a m et i m e ，i ta c c o m p l i s h e st h ed e s i g no f d e c o m p o s i n ga n dc o m p o s i n gf i l t e rg r o u p si nt h es u b b a n dc o d i n gs y s t e m ，e x p l a i n s t h el a y e rs t r u c t u r ef o rs u b b a n d s ，a tl a s ti td e s i g n sas t a t i ci m a g el a y e rc o d i n g p r o j e c tf o ra t mn e t w o r ka n dc o m p a t i b l ew i t hj p e ga n dm o b il ei m a g ec o d i n gp r o j e c t ， a n df i n i s h e st h e i re x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n s k e y w o m s l ：a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a t m ) ，v a r i a b l eb i tr a t e ( v b r ) c o d i n g ，l a y e rc o d i n g ， s u b - b a n dc o d i n g ，q u a d r a t i l r em i r r o rf i l t e r ( q m f ) ，c o n j u g a t eq u a r t e rf i l t e r ( c q f ) ，s y m m e t r i c a l s h o r t - k e m e lf i l t e r ( s s k f ) l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废由鱼 堂瞳或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 林寺 签字日期：，o 口中年，月，7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽自电堂瞳 有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞由e 鱼堂瞳 可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：球寺 导师签名：移妆 签字日期：善。吁年r 月，7 日签字日期：细4 年岁月却日 重庆邮电学院硕士论文 第一章绪论 1 1 视频业务与通信网 自从1 8 3 5 年莫尔斯( s f b m o r s e ) 发明了电报，1 8 7 6 年贝尔( a g b e l l ) 发明了 电话后，这两种通信方式一直是人类进行信息交流的主要方式。人们通过感觉器官收集 到的各种信息中，最主要的是视觉信息。除传真、静态图像外，一般来说，视频信号均 是宽带的。众所周知，电视信号的频带宽达4 6 m h z ，相当于9 6 0 路电话的信道带宽。 即使是变化较慢的可视电话信号，其频带宽度也达到1 m h z 。 以数字0 和1 表示的信息可以实现很高质量的传输，并便于进行检索和处理。视频 图像信号数字化后，数据量仍然是巨大的。例如，一幅中等分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 ) 的彩色 ( 2 4 b i t 像素) 图像数字化后将产生近1 m 字节的数据，所以如果要有效地传输图像， 必须对其进行压缩处理。正是数据压缩技术的进步，推动了视频业务应用的迅速发展， 从c d r o m 、激光视盘、电子相机、可视电话、会议电视、视频监视和视频邮件，到 交互式视频服务和h d t v 等。 显然，由于带宽( 或数据传输速率) 的限制，视频业务的应用也受到了限制。因而 发展宽带网络势在必行。在通信技术发展的初期，不同的业务通过组建不同的通信网来 实现，如电话交换网、数据通信网等。这样单独建网显然不经济，而且效率很低。并且 随着人们信息活动的丰富，越来越迫切地要求通信网络能够把话音、数据以及图像结合 起来，并以一种统一的接入方式提供综合多媒体服务。 7 0 年代初，电信界在数字化技术的基础上，提出了把各种电信业务综合处理的综 合业务数字网( i s d n ，i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 的概念。即在一个将话音、 数据和图像等各种信息综合到一起的通信网内，用户只需提出一次申请，使用一条用户 线和一个电信号码就可将多个不同业务类型的终端接入网络，并按统一协议进行通信。 从用户角度看，就像利用一个通信网一样，非常简便有效地实现了各琴孛通信业务的综合。 b i s d n 的码率高达1 5 5 m b i g s 以上，可传送大量的宽带信号。实现b - - i s d n 的 关键技术是宽带交换技术。1 9 8 8 年，c c i t t 在i 1 2 1 建议中明确指出“异步转移模式 ( a t m ，a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 是实现b - - i s d n 的转移模式”。a t m 传输方式 综合了电路交换与分组交换的优点，以其灵活、高速的交换结构使b - - 7 i s d n 能够实现 从窄带话音、数据业务到宽带图像通信的综合传输，从而成为现代电信网的一个发展方 向。它也可为可视电话、会议电视、h d t v 等各类视频业务的迅猛发展创造了条件。 重庆邮电学院硕士论文 1 2 a t m 技术的兴起 现今电信网一般有三类业务。话音与图像( 可视性数据) 是第一类传统实时业务 的代表。话音业务可以容忍一定的劣化( 干扰、剪切、压缩等) 与阻塞，但不能容忍 时延。一般视频图像信号对实时性要求较高，但允许有一定的差错率，经过高度压缩 的图像，既要求时延短，又要求差错与丢失少。第二类业务是“交互作用的数据”， 如可视图文( v i d e o t e x ) ，它较能容忍时延，但阻塞容限不高，不能容忍劣化。第三类 业务为计算机之间的成批数据，通常没有实时性要求，对时延容限很高，但对信息差 错要求极严，不能容忍阻塞。各类业务在通信持续时间、突发性与比特率等方面是不 同的。 恒定比特率( c b r ，c o n s t a n tb i tr a t e ) 业务在网络中传输的速率是不变的，其突 发性为1 。可变比特率( v b r ，v a r i a b l eb i tr a t e ) 业务在传输过程中其信息速率随时 间而变化，如图1 1 所示。在图1 1 中，信号s ( t ) 的通信持续时间为n 峰值速率 s = m a x s ( t ) ，平均速率e 卜( r ) = i 1 卜( f 如，突发性定义为峰值速率s 与平均速率e p o ) c 之比，即i # 忑。人们已经认识到信息传输方式，也就是传输复用与交换方式是影响 止 剐， 通信网性能的一个关键因素“。 e s ( t 图1 1v b r 业务的比特率随时间变动 若用电路交换( c i r c u i ts w i t c h i n g ) 来处理宽带信息传输，包括空分和同步时分两 类方案。在这类方案中，整个呼叫过程中交换机与网络传输资源的占用均是固定的。 同步时分要求采用同步转移模式( s t m ，s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) ，即将每帧信息 中依次周期性出现的时隙( t i m es l o t ) 固定分配给相应信道，依靠帧内时隙的相对位 置识别信道，这样已为用户分配了固定的信道带宽，信道速率也固定；对于宽带视频 信号的传输，电路交换必须按峰值比特率来设计，显然未能充分利用信道的能力。 分组交换( p a c k e ts w i t c h i n g ) 模式适合于传送突发性强的信息流，其特点是分组 重庆邮电学院硕士论文 终端把用户要发送的数据信息分割成多个用户数据段，每个用户数据段附加源地址、 目的地址、用户数据段编号以及差错控制信息等，构成_ 个分组。_ 个分组通常为 1 2 8 b ( 也可以为3 2 、6 4 、2 5 6 1 3 ) 。分组交换能按用户要求动态分配信道资源。但传统 的分组交换是以数据通信为对象，对差错要求严格，采用x 2 5 协议。为了进行流量 与差错控制，采用高级数据链路控制规程( h d l c ) 的帧结构进行状态管理，采用软 件处理重发，纠错控制等复杂协议，传输时延较大，不适于对实时要求很高，但允许 有一定差错率等宽带业务的传输。 8 0 年代以来，世界各国都对以电话网为基础的窄带综合业务数字网( n i s d n ) 的研究和实现付出了很大的热情和努力。但n i s d n 尚未被大量推广应用时，各种高 速宽带新业务，通常称为多媒体通信的新业务，如雨后春笋般地涌现，如会议电视、 可视电话、高速数据、按需电视( v o d ) 、远程医疗、远程教学、交互式数据库业务 等。于是8 0 年代后期，出现了宽带综合业务数字网，即b - - i s d n 。 b i s d n 能够提供高于p c m 一次群速率的传输信道，能够适应全部现有和将来 可能的业务，从速率最低的遥控遥t l t n 超高清晰度电视( s - h d t v ) ，都以同样方式在 网络中传送和交换，并共享网络资源。a t m 因综合了电路交换的简单性和分组交换 的灵活性而被选为宽带i s d n 的交换方式。 1 3 1 a t m 的信元结构 1 3 a t m 网络 在a t m 技术中，用户信息被划分为固定长度的信息场与固定字节数的信头，以 构成一个固定大小的信元，如图1 2 所示。 图1 2 信元结构 a t m 为实现高速数据传输服务，采用的是定长的短报文格式，即信元( c e l l ) 。 a t m 信元长5 3 个字节，其中信元头占5 个字节，信头中装有控制信息，包括地址、 通道号和优先级等信息。负载信息占4 8 个字节。a t m 交换机联接着用户线和中继线， 因此b - - i s d n 有两种接口，一种是用户一网络接口，即u n i ；另一种是中继线接口， 即n n i 。所以，a t m 信元定义了两种信元头：用户一网络接口( u n i ) 信元结构和网 间接口( n n i ) 信元结构，如图1 3 所示。下面分别说明信头中各标志符的功能。 重庆邮电学院硕士论文 g f cv p i v p i v c i v c i v c ip t ic l p 呱c v p i v p i lv c i v c i v c l i p t ic l p h e c ( a ) n u i 信头( b ) n n i 信头 图1 3 信头的结构 图中各符号的意义为： g f c ：流量普控场；一般流量控制，用于用户向网上发送信息的流量； v p i ：虚路径标志符； v c h 虚通道标志符； p t i ：净荷类型，即后面的4 8 个字节信息域的信息类型，其中传送用户数据的4 种，传送网管信息的3 种； c l p ：信元丢失优先级。在发生拥塞时，c l p = l 的信元被首先丢掉； h e c ：信头检验码，校验多项式为x 8 + x 2 + x + 1 ，以保证整个信头的正确传输。 a t m 信元最突出的特征是异步时分复用，也叫统计复用( s t a t i s t i c sm u l t i p l e x ) 。 来自不同信息源的信元被汇集到一个缓冲器内排队，队列的输出是根据信息到达的快 慢随机插入到a t m 复用线上，因而具有很大的灵活性。这使得各耪业务按其信息量 来占用网络带宽，并且不管业务源的性质有多么特殊，网络都按同样的方式接入，从 而真正做到了完全的业务综合。 1 3 2a t m 交换原理 为了提供高信息处理和交换的速度，降低时延，a t m 以面向连接的方式工作。 通信开始时先建立虚电路，以后将虚电路标志( 即地址信息) 写入信头，网络根据虚 电路标志进行交换和传送。 a t m 网络包括一些节点，在这些节点中实现信元的交换，称为交换节点。实际 上，交换节点完成的只是虚电路的交换，因为同一虚电路上的所有信元都选择同样的 路由，经过统一的通路到达目的地，在接受端，这些信元到达的次序总是和发送端的 发送次序相同。 图1 4 说明了信元在a t m 网络内交换传送的过程。a t m 的呼叫接续不是按信元 逐个地进行选路控制，而是采用了分组交换中虚呼叫地概念。在传送信息之前，预先 建立与某个呼叫有关的信元接续路由，直至呼叫结束同一个呼叫的所有信元都经相同 的路由传递。当呼叫建立时，在与输入线路对应的接续路由表中记入选路比特( r b ) ， 4 重庆邮电学院硕士论文 用它来表示哪个呼叫通过哪个交换路由接续。发送信元时，首先查对信头中的标记号 码i 来识别呼叫，再将选路比特r b 和交换机内部识别符x 一并装入信头后将信元送 入交换网。交换模式根据r b 将信元发往指定方向。由于信元可以从各个方向独立地 到达，有时会发生冲突现象。为了防止信元冲突，应设置输入缓存器和输出缓存器。 在交换模块的输出端，将标记号码，记入信头中，以便在其路由内识别呼叫。这个操 作通过建立呼叫时生成的检索标记变换表来实现。 1 3 3a t m 网络模型 图1 4a t m 交换原理 与开放系统互连( o s i ) 的七层参考模型比较，a t m 网只存在最低的物理层，跟 高层无关。a t m 又将o s i 参考模型的第一层细分为物理层、a t m 层和a t m 自适应 层( a a l ，a t m a d a p t i v el a y e r ) ，而第二层以上可沿用现有协议的结构。网络只提供 到a t m 层为止的功能，a a l 的功能由用户本身提供或由网与外部的接口提供。信元 在a t m 层上传递。其标记( 逻辑通路号码) 在呼叫建立时分配，呼叫结束时释放。 由此可见，a t m 是面向连接型的业务。图1 5 所示为基于a t m 的b - - i s d n 分层协议 模型。 a a l 的基本功能是负责将来自高层的用户信息、管理信息和控制信息进行适配 处理，变成相应的a t m 信元的净荷即有用信息( 4 8 个字节) 后，送往a t m 层。a a l 层又可进一步分成两个子层，即：会聚子层( c s ) 和分段与组装子层( s a r ) 。前者 位于a a l 上部，与商层相接，负责信元分段和组装的控制功能；因此，该控制信息 与用户信息一起构成c s 的协议数据单元( p d u ) ，送往s a r 子层。后者位于a a l 下部，与a t m 层相接，发端将待传信息分段( 即4 8 字节) ：收端则从信元净荷中取 出有用信息，组装成原来的信息。 a t m 层是负责a t m 信元的生成，包括接受来自a a l 层的有用信息4 8 个字节， 加上相应的5 个字节头，形成5 3 个字节的信元送往物理层。 重庆邮电学院硕士论文 图1 5a r m 网络参考模型 物理层是将a t m 信元进行编码，并通过物理媒介正确、有效地传送信元到收端。， 它又分为传输会聚( t c ) 子层和物理媒介子层( p m ) 。t c 子层完成将信元流变换成 能在物理载体上传输的比特流的全部功能，包括传输帧的生成恢复、信头差错控制 序列的产生与校验、信元定界与信元速率解耦等。p m 子层提供比特传输和比特定位 能力，包括线路编码、光电转换等。 综上所述，一个a t m 信元形成于a a l 层，在a t m 层排队和复用，最后以传输 帧的形式在物理层传送。对图像而言，信号的格式化、编码解码、信号处理和端到 端误差恢复等在用户面( u p l ) 完成，控制面( c p l ) 负责信令和路由。 1 3 4 t m 的特点与存在问题 a t m 的特点主要有： ( 1 ) 对用户信息进入网络有高度的灵活性，由于不再有通路速率的限制，任何输出 速率的( 包括速率可变的) 终端都可以连网通信。 ( 2 ) 具有动态分配带宽的特性，允许由信元呼叫所分配的带宽随信元进入网络的速 率变化，而不需要用户或网络的干预。同步传输模式s t m 由于单位时间内为用户传 递的比特数是固定的，而信源输出的信息量实际上很不平稳，二者之间难以很好地匹 配。a t m 从根本上解决了这一问题，在图像通信中可以采用可变比特率编码技术， 使网络在保证同一质量地前提下，所需传送地实际比特量大大下降。 ( 3 ) 通过多个视频信源共享信道提高了传输效率。 ( 4 ) 可有效地处理突发性信息。 ( 5 ) 简化了网络的构成，无论是窄带业务还是宽带业务均采用相同的处理方法。 a t m 也带来一些问题，其中最突出的有两点： 6 重庆邮电学院硕士论文 ( 1 ) 延时抖动：信元到达a t m 交换机后先进行缓存，等待处理。由于信元的到达是 随机的，因此等待时间也是随机的。这种等待时间的随机性会使周期性输出的信元到 达终点的时间成为随机，从而形成延时抖动。 ( 2 ) 信元丢失：信道误差、网络拥塞和统计复用均会引起信元丢失。由于一个a t m 信元包含5 b 的信元字头和4 8 b 的信息字段，信元字头的丢失会引起连续3 8 4 b i t 信息 量的丢失，这将造成图像质量的严重下降。如果信元丢失是网络拥塞引起的，这还会 导致连续几个信元的丢失，也可能丢失上千比特的信息。若采用了帧间编码，信元丢 失还会影响到后面的帧。信元丢失还会引起码同步的丢失。此外，大多数编码方法都 利用了时间相关性( 存在于图像序列间) 和空间相关性( 存在于一帧图像内) ，信元 丢失影响的扩散使得这些编码系统对信道误差非常敏感。由于视频信号速率高，信元 丢失是朋眦网络中必须解决的一个问题。 对于延时抖动，在突发性的视频编码算法中，在解码端设置视频帧存。这些存储 器能够调整延时抖动。因此，在视频分组中延时抖动并不是一个很重要的问题。 由信道误差引起的信元丢失可通过前向误差纠j 下( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 编码或降低信道误码率来进行控制。然而对于网络拥塞造成的信元丢失还没有有效的 防止方法，但可以采用一些方法来补偿丢失的信元，以减少图像质量的下降。有一些 方法基于信号处理技术、网络排队等方法；另一些则采用具有误差遮蔽效应的编码方 法。 1 4a t m 网络对视频编码的要求 信息社会对宽带通信业务日益增长的需求，以及商带宽低损耗光纤的广泛应用与 v l s i 技术的飞速进步，正推动着电信史上的一场新的革命；现今通信网将逐步发展 成一个统一、高效、灵活的宽带综合业务数字网( b - - i s d n ) ，并进一步构成信息高 速公路( i n f o r m a t i o n h i # w a y ) ，以在企业、学校和家庭之间提供双向的数据、音频、 视频和图像通信。 由于视频业务数据量大，必须进行压缩编码。以往发展起来的压缩编码技术都是 面向同步网络的，不适于a t m 网络。a t m 网络采用统一的交换结构，动态分配带宽， 支持图像信元的可变比特率编码和传输。但它也带来了一些新问题，其中信元丢失是 最主要的一个。显然，a t m 网络的发展，对视频信号的压缩编码提出了新的要求， 不仅提出编码算法，还要让它适应于a t m 网络中业务信息的传输特性。a t m 网络的 视频编码作为a t m 的一项关键技术，目前已受到世界的广泛关注。 7 重庆邮电学院硕士论文 1 5 论文结构 本文主要由两部分组成，第一部分是简单介绍了a t m 网络的基本知识及a t m 网络的视频编码；第二部分主要研究子带编码的算法并设计出一个与j p e g 兼容静止 图像分层编码方案。具体安排如下： 第一章：简单的介绍了a t m 网络，讨论了a t m 技术的兴起，a t m 的信元结构 及网络模型。 第二章：主要是讨论了a t m 网络中的视频编码。分析了可变比特率编码的算法， 提出了信元丢失对可变比特率编码的影响及其保护措施，并在此基础上 提出了分层编码算法。最后讨论了几种可变比特率分层编码算法。 第三章：分析了子带编码的算法，设计出了几种滤波器组并比较了它们的幅频特 性及频率分解力，分析了子带分解中信息熵的变化及设计出的滤波器组 对重建图像质量的影响，进而介绍了子带的分层结构。 第四章：简单介绍了j p e g 的标准，重点是设计了一种与j p e g 兼容的静止图像 分层编码方案，给出它的模拟试验结果。 第五章：设计了一种基于h 2 6 l 的、适于a t m 网络的序列图像v b r 编码，并 给出其模拟试验结果，分析了其编码的压缩率，解码后的信噪比等参数。 最后给出其编码在a t m 网络中信元的构成，分析了子带编码方案中信 元丢失的重建方法。 重庆邮电学院硕士论文 第二章a t m 网络的视频编码 异步转移模式( a t m ) 是一种使用异步时分( a t d ) 复用技术的快速分组交换方式， 它已被c c i t t 确定为宽带综合业务数字网( b - - i s d n ) 的信息传输和交换模式。a t m 以其灵活、高速的交换结构使b - - i s d n 能够完成从窄带语音、数据业务到宽带视频 通信的综合传输，从而使之成为现代电信网发展的方向。 b - - i s d n 的发展，为可视电话、电视会议、电视广播、高清晰度电视( h d t v ) 等 各种新型视频通信业务的迅猛发展创造了条件。但由于视频信号在传输时占用的信道 容量非常大，必须进行压缩编码。以往的压缩编码技术都是面向同步网络的，压缩的 主要依据是：一方面，视频信号本身具有大量的冗余度，利用其固有的统计特性( 相 邻像素之间、相邻行之间和相邻帧之间具有较强的相关性) 可以进行数据压缩；另一 方面，图像最终是由人们通过视觉来感觉的，利用视觉的生理学和心理学特性，在保 证一定质量的情况下，也可以进行压缩编码。a t m 网络的许多新的特点，为视频信 号的压缩编码提出了一个新的研究课题。它要求视频信号的编码，不仅要适应于图像 场的统计特性以及人眼的视觉特性，还必须充分匹配于a t m 中业务信息的传输特性。 这一面向a t m 网络的编码技术作为a t m 的关键技术之一，目前已成为世界电信界研 究的一个热门课题。 2 1 可变比特率( v b r ) 编码 a t m 中信息的传输是以固定长度( s 3 字节) 的信元( c e l l ) 为单位进行的，每个信元 由4 8 字节的信息字段和用作标志及控制的5 字节的信头组成。在信息传输时，通过 字头内的标记符( l o b e l ) 来识别信道。这种标记多路复用方式，能够动态地分配带宽， 从而使用户信息进入网络有高度的灵活性，不再受传输速率的限制。因此，a t m 使 视频信号的可变比特率( v b r ) 编码和传输成为可能。 如果图像信号采用p c m 脉码调制方法进行数字化编码，其比特率是固定不变 的，并等于采样速率( 通常选择为n y q u i s t 频率) 和每次采样比特数的乘积。如果对 图像信号采用某种压缩算法编码，比特率将随时间变化。下列编码技术均会使比特率 随时间波动”1 ： i 一幅图片中相邻两像素之间通常具有比较高的空间相关性( s p a f i a l c o n e i a t i o n ) 。这就是说两个相邻的像素点具有相同或几乎相同的色度和亮度等级的概 率很大。帧内图像编码( i n t r a f i e l dv i d e oc o d i n g ) 技术在很大程度上受益于对这种空间 9 重庆邮电学院硕士论文 冗余度的利用。 i i ，一幅图片的连续帧间也具有很高的瞬间相关特性。一帧中的某一像素点与其 前一帧中相应像素点相同或几乎相同的概率是非常大的。帧间编码( i n t c r f r a m ec o d i n g ) 技术就是按照这种时间关系来降低编码信号的比特率。 i i i 如果图像的一部分正在移动，连续的前后帧则含有重复的信息，但是这些 重复信息处于帧中的不同位置。这种信息重复能够很好地被基于运动补偿的编码技术 所利用。这种技术对物体的运动进行预测，不正确的预测将通过差错补偿加以纠正。 i v 诸如变换编码等其他编码技术，如快速f o u r i e r 变换( f f t ) ，或离散余弦变 换( d c t ) 也会引起比特率随时间变化。 v 为了对已获得的图像信息进行最后的编码，可使用h u f f m a n 编码( 可变长 度编码) 的方法。这种方法对最频繁出现的信号使用最少的比特位进行编码，而对不 常出现的信号采用较多比特位进行编码。 可变比特率编码依据原始视频图像信号信息量的变化，使相应的编码输出的比 特流的速率可变。由于视频信源的非平稳性以及帧间固有的变化，经v b r 编码后的 比特率速率是高度变化和非平稳的。在传统的基于同步转移模式( s t m ) 固定速率的 传输中，这一非均匀性通过缓冲以及与固定速率通道特点的匹配得到了部分的补偿。 这样就引起了低速运动的视频信号的延迟及高速运动的视频信号图像质量的下降。由 于要考虑最快视频信号条件下的数据压缩率，固定速率信道也限制了数据压缩能力。 如前面所述，由于a t m 网络中不存在物理信道，可以针对传送的业务灵活地选 择比特率，也就是说a t m 支持可变比特率业务的传输。这一灵活性使我们得以在编 码的质量、复杂性和效率之间为各业务确定一个最合适的比特率。 ( a ) 同定速率编码 图2 1 固定和可变速率编码的基本模型 图2 1 比较了可变比特率编码模型和固定比特率编码模型。在固定比特率编码模 型中，需要速率缓冲( 从而导致延时) 以保证传输速率恒定。我们需妻不时地对编码 进行控制以防止速率缓冲器地溢出，这称为“速率控制”。 1 0 重庆邮电学院硕士论文 而在可变比特率编码中，由于a t m 系统提供了可变速率通道，因而不需要速率 缓存，而是以“质量控制”代替“速率控制”o “”3 。 v b r 系统的优越性在视频信源比特率发生变化时才能充分显现出来，而这又取 决于编码方法。条件更新是一种能够使比特率变化很大的编码方法。它对当前帧及前 帧的差别进行编码和传输，当没有运动或运动缓慢时这种方法很有效。在接受端用解 码信息更新前帧图像。这里，比特率是不能预测的帧间变化的函数。帧间变化主要决 定于图像内的运动，但也会由于场景或照度的变化而出现。条件更新编码的主要缺点 是受传输误差的影响严重，在分组交换中，一个信元的丢失会使编码在几秒钟之内无 法恢复。必须结合分层编码，以勰决这一问题。 弄清分组可变比特率视频编码数据流的统计特性是十分重要的，其目的是在 a t m 网络中将多个视频源统计复用以有效传输。v b r 视频源中存在着两个波动过程， 一个是短期高能量的波动，反映了同一帧图像中不同区域的内容变化。利用视频业务 不同的突发特性，传输时将多个v b r 编码后的视频源统计复用，可以获得统计复用 增益。增益的提高主要决定于控制统计复用过程的能力。 在图像编码中，可变比特率编码是一个非常新的领域，它的研究受到普遍的关 注。1 9 8 7 年提出了一个基于d p c m 的可变比特率实时视频编码系统，尽管它没有进 行编码方法的优化。但它是第一个证明可变比特率适合于分组网络的实时系统。 c o l u m b i a 大学提出了利用子带编码通过分组交换网进行视频传输。从网络的观点看， 他们对在实际传输条件下为达到最佳性能、编码和分层网络的相互作用进行了讨论。 最近又报道了利用运动补偿离散余弦变换( d c t ) 的v b r 编码方法。此外，利用矢 量量化( v 0 ) ，又提出了v q 的v b r ，使用大小可变的块( 从2 2 像素到1 6 1 6 像素) 可以保证在接受端得到恒定的图像质量。 以质量控制代替速率控制，v b r 带来的好处是明显的。从用户角度看，可以不 受信源格式限制。不受速率限制，减少了端一端延时，用户可控制质量；从网络角度 看，可以实现动态带宽分配，易于多媒体集成，网络延时吞吐率性能也得到改善。 但另一方面，a t m 也带来了s t m 中没有的新问题，如信元丢失和延时抖动等，影响 着图像的v b r 编码。 源信息从发送端到达接受端的时间称作信息总时延，它受以下几个因素影响； ( 1 ) 编码处理时间；( 2 ) 信元打包，拆包时间；( 3 ) 信元的传输延时。信元的传送时 间取决于网内的信元传送速率和信元的长度。以1 5 0 m b i d s 的速率传送全长为5 3 个 8 b i t 组的信元，约需3 u s 。应该注意的是，即使流经同一虚呼叫的各个信元，其发送 排队时间并不样，因而它们的传输延时也不相同，这种现象称为延时抖动( d e l a y j i t t e r ) 。 重庆邮电学院颚士论文 信元延时抖动使解码器的同步变得困难。对v b r 编码，信元中必须包含时间参 考信息( t i m es t a m p ) 。这样，在接受端可用一个锁相环( p l l ) 来标定时间标记，还 需要一个缓存器来吸收延时抖动。时间标记不用出现在所有的信元中，也不须以固定 的时间间隔出现，只要在接受端易于检测即可，而且间隔要小于p p l 的时间常数。输 入缓存器的容量，对1 4 0 m b i t s 的h d t v 业务，可设为3 5 k b i t ，而对2 m b i t s 的可视 电话等业务，可设为5 0 0 b i t 。 2 2 信元丢失对可变比特率编码的影响及其保护措施 信元丢失是a t m 网络中最为严重的一个问题。引起信元丢失的原因有以下几个 方面： ( 1 ) 信道误差。随机信道误差可能在信头的地址场中造成误码，从而使信元不 能到达正确的信宿。由于a t m 网络采用光纤传输，传输线的误差可保证在1 0 1 以下， 所以随机误差引起的信元丢失概率很小。 ( 2 ) 网络管理错乱。在a t m 网中，信元排队、路由选择和传输等均由特定的 协议控制，如果管理出错会导致信元的丢失。 ( 3 ) 网络拥塞。a t m 对信道采取统计复用获得了诸多优点，但是也存在着一种 潜在的危险。多个用户有可能会同时出现业务量高峰，形成信道拥塞，造成缓存器溢 出。届时，根据网络流量控制协议，将有大量信元被抛弃。这是在a t m 网络中信元 丢失的一个主要原因。 信元丢失对视频信号的v b r 编码有严重的影响。一个信元的丢失，将导致连续 的3 8 4 b i t 丢失。当拥塞造成多个信元丢失时，损失将会更大。这会严重影响视频信号 的v b r 编码。一方面，由于视频信号的速率很高，传输时更容易出现信元丢失；另 一方面，经过v b r 编码后，我们无法知道一个信元的丢失究竟造成多少信息的损失。 此外，由于编码时利用了图像序列的帧间时间相关性和帧内空间相关性，信元丢失会 引起误差扩散，造成图像质量的明显下降。 显然，信元丢失的保护与恢复对保证a t m 网络中视频信息的可靠传输极为重要， 近几年来，在这方面进行了大量的研究工作。对于网络拥塞造成的信元丢失目前还没 有有效的防止方法，但可以采用一些措施来补偿丢弃的信元，减小图像质量的下降。 按照视频信号在a t m 网络中的传输过程，在网络的高速传输级、网络节点级、p a d 级和编码级都可以采取保护措施。表2 1 列出了信元丢失的一些保护方法。 1 2 重庆邮电学院硕士论文 表2 1 信元丢失的保护方法 信元丢失类型误比特率网络级别保护恢复方法 1 0 一9 高速传输级 信头误码的更正 随机 用户信息误码的更正 信息误码 p a d 级 数据成帧方式 鲁棒性编码 编码级 错误补偿 网络节点级 带宽重新分配 网络拥塞 1 0 2 信源的比特率控制 编码级 信元的选择丢弃 分层编码 “信元的选择丢弃”是在网络节点级处理信元丢失的有效的方法，它根据信头中 的优先级信息，通过丢弃不重要的信元来控制比特率。选择丢弃是通过分层编码实现 的。早在1 9 8 7 年，w v e r b i e s t 等人就对分层编码的概念以及如何将其用于异步时分 网络进行了讨论，从那时起在这方面已做了大量的工作。分层编码与v b r 编码的结 合在a t m 中的应用已被c c i t t 第1 v 研究组确定为一个重要的研究课题。 2 3 分层编码技术 分层编码的思想是由分组语音通信发展来的，它将视频传息分成不同的重要等 级，并分配以不同的优先级，使信元丢弃限制于较低优先级的信元，保证优先级较高 的信元的正确传输，从而在网络拥塞时使图像质量的下降达到最小。 分层编码除了能够进行有效的信元丢失保护以外，还非常适合于实现a t m 中多 种业务的综合。分层编码使得a t m 网络中的业务可以满足各级用户的需要，通过选 择适当的层可以对业务质量进行选择( 从而选择了适当的带宽) 。从这一意义上来说， 分层编码是多媒体业务概念的扩展。 进行分层编码时，第一步就是要将信息按其重要性分为不同的级别，将最重要的 信息分配以最高优先级。分割之后形成了一个金字塔形式，再对每一层用v b r 编码 方法进行压缩。在解码端对各层信号解码后，通过合并重构出有一定失真的原始图像。 对输入信号进行分割的过程不包括对于信号的压缩，子信号总的数据位数应等于输入 的位数，而且我们希望信号分割与合并的过程是无失真并且完全可逆的，这样就将信 息丢失限制于编码和传输中，从而通过编码的分层和传输的优先级得到某种程度的控 制。在这些限制条件下，视频信号的分层方法基本有以下四类：位平面分害e i ( b p s ) 、 频域分割( f d s ) 、联合位平面一频域分割( c b f s ) 和特征平面分割( f p s ) 。 ( 1 ) 位平面分割( b p s ) 这是分组语音传输中的一种通用方法，可以方便地扩展到分组视频信号中，这也 是将图像分层的一种最简单方法。视频信号在被量化为p c m 信号后，若每个像素被 量化为b b i t ，则这一帧图像可以分割为b 个位平面。因为每一位的权级不同，将最重 重庆