（通信与信息系统专业论文）无线视频传输中的联合信源信道编码研究.pdf

中文摘要 摘要：移动宽带视频业务是3 g 、4 g ，乃至未来无线通信和个人通信业务发展的主 要推动力和新的增长点，但其发展面临诸多挑战，是l 项需要深入研究的课题。 设计一套有效的编码方案是此课题中的关键问题之一。传统的分离编码设计方法 在实际应用中往往不能达到令人满意的效果。近年来，联合信源信道编码在国内 外得到广泛重视，它已被证明是一种行之有效的编码方案，适合应用于视频的无 线移动传输业务中。 本文首先综述了本课题的研究背景，研究动态及成果，简述了视频压缩编码 国际标准和常见的信道编码，介绍了联合信源信道编码的适用情况及其分类。 其次，本文分析了无线信道特点，总结了视频在无线网络中传输面临的问题， 采用h 2 6 4 标准用于视频压缩编码，l d p c 码作为信道编码技术，分别在三个无线 信道模型随机出错信道，高斯白噪声信道和瑞利平坦慢衰落信道上对视频传 输性能进行了仿真，并对仿真结果进行了深入分析。 再次，本文对视频端到端失真进行了深入分析，在综合考虑了量化失真，丢 包引起的失真，错误扩散以及错误隐藏等影响视频失真的因素后，建立r 一个视 频端到端失真模型，并对其进行了仿真验证，仿真结果表明，此模型可以准确的 估计出视频的端到端失真。 最后，设计了一个基于端到端失真的联合信源信道编码方案，在给定信道带 宽和信噪比的情况下，找出使视频端到端失真最小时的信源编码量化参数和信道 编码码率，使编码后的码流更能适应无线信道的变化，此方案与固定码率方案进 行了性能仿真对比，仿真结果表明本文的方案比固定码率方案获得了更好的视频 重建质量。 关键词：端到端失真；联合信源信道编码；视频无线传输；l d p c 码 分类号：t n 9 1 9 8 。 a b s t r a c t a b s t r a c t ：m o b i l eb r o a d b a r 】l dv i d e 0s e r v i c ei s t l l em a i n 嘶们n gf o r c ca i l dt l l en e w 印w t l lp o i n t f o rt l l e d e v e l o p m e n t o f3 q4 q锄de v e nm e 如t u r ew i r e l e s s c o m m 嘶c a t i o 璐a i l dp e r s o n a lc o 删m “c a t i o n s ，b u tm e r ea r em a n yc h a l l e n g e s s o l e s u 切e c tn e e d 如r t l l e rs t u d y d e s i 粤i i i i g 姐e 行i e c t i v ec o d i n gs c h e m ei s o n eo ft h ek e y i s s u e so f l e 叫e c t h o w e v m e 仃a d i t i o n a ls 印a r a t ec o d i n gd e s i 鲈m e t l l o do r e l l c 籼ta c h i e v e ss a t i s f a c t o 巧r e s u l t si np r a c t i c a la p p l i c a t i o 船i i lr e c e l l ty e a r s ，j o i n ts o u r c c c h 籼e lc 0 d i n gr e c e i v e dw i d ea 仕e n t i o na th o m ea 1 1 da b r o a d ，i th 弱b e e np r o v e dt ob e 觚 e 伍蔽i v ec o d i n gs c h 锄e ，s u i ta _ b l e 南rm o b i l ew i r e l 馏sv i d e 0 仃：a l l s m i s s i o nb u s i n e s s f i r s t l y ：屺r e s e a r c l lb a c k g r o u l l d ，仃铋d s 强d r c 跚l t s a r ee x p o u n d e d t h e i n t e m a t i o n a ls t a r l d a r d so fv i d e 0 伽咖l r e s s i o nc 0 d i n g 锄dc c i n m l o nc h 砸m e lc o d i n ga r e 0 u t l m e d a n dt l l ea p p l i c a t i o n 柚dm ec l a s s i f i c a t i o no fj o i n ts o w c ec h 籼e lc o d i n ga r c i n 仃o d u c e d s e c 0 n d l 弘吐l ec _ h a r a c t e r i s t i c so fw i r c l e s sc h 锄d 觚d 廿l ep r o b l e m so fv i d c 0 仃a n s 埘s s i o no v c rw i r c l e s sn e t w o r ka r e锄a l y z e d w i r c l e s sv i d e 0t r a n s m i s s i o n p e r f o n l l a i l c ei ss i l i 】- u l a t e da l l d 锄a l y z e d0 v e rt l l 】r c cw n l e s sc h 锄e lm o d e l sr e s p e 鲥v e l y u s i n gh 2 6 4s t 锄d a r df o r 、，i d c oc o m p r e s s i o nc o d i n ga l l dl d p cc o d e s 弱c h a l l n e lc o d i n g t e c q u e s ， a g 如：l m ev i d c 0c i l d t 0 一饥dd i s t o n i o ni s 锄a l y s e dt h o r o u 曲l y a r e fc o n s i d e r i n ga l l t h e s ef a t o r sw h i c ha 毹c tv i d e 0r e c o r 塔缸u c t i o nq u a l i t ys u c h 嬲q u 柚t i z a t i o n ，p a c k e t1 0 s s ， e n o rp r o p a g a t i o na i l de 盯0 rc o n c e a l m 饥t ，av i d e 0c n d - t 0 一dd i s t o r t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d ，a i l dm e i lm e s i m u l a t ei sp 耐o 肌c dt 0v e r i 匆i t sa c c u r a 哆 f i i l a l l 弘aj o i n t s o u r c ec h 锄e lc o d i n g ( j s c c ) s c h e m eb a s c d0 ne i l d t o e n d d i s t o r t i o ni sd e s i 朗e d n es c h 锄e 咖f i n d0 u tt l l eo p t i m i z e dq u a n t i z a t i o np a r 锄e t e r 觚dc h a i l ：n e lc o d i n gr a t ec o 仃e s p o n d e n c et 0m em i m n n l i i l 饥d t o - e i l dd i s t o r t i o n ，u i l d e r t l l e 百v e i lc h 锄e lb a n d w i d m 锄ds n r i i lt h j sw a y ，m ee n c o d e ds 仃e 锄c a l la d 印tt 0 c h a n g 馏b 嘶e ri i lw i r e l e s sc h a n n e l 1 1 1 ej s c ci sc o m p a r e dt o m e 丘x e dr a t es c h e m e ， s i n m l a t i n gr e s u l t ss h o wm a tm ej s c ca c h i e v eb 甜e rd e c o d i n gv i d e oq u a l i t ym a l lm e f i x e dr a t esc _ h 锄e 1 y w o r d s ：e n d t 0 dd i s t o r t i o n ；j o i n ts o u r c ec h a n n e lc 0 d i n g ；d e ow i r e l e s s 仃m s m i s s i o n ；l d p cc o d e s c i a s s n o ：1 n 9 1 9 8 致谢 本论文的工作是在我的导师荆涛教授的悉心指导下完成的，荆老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，荆老师不仅使我树立了远大 的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的 道理。在此，谨向荆老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。 李兴华老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，他平易近人、务实勤勉的人格品质更加对我影响深远， 在此向李老师表示衷心的谢意。 研究生期间，霍炎博士无论是在专业知识学习还是科学研究上都给予了我诸 多指导，并对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，他科学、严谨、踏 实的工作作风和深厚的学术造诣是我学习的榜样，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛青青、郭英慧等同学对我论文研究工作给 予了热情帮助，在此向她们表达我的感激之情。 另外还要感谢我的家人，感谢他们多年来的无私关爱和教诲，他们的理解和 支持是我完成学业的重要保证。 1 引言 1 1研究背景 随着信息技术的发展和社会的进步，人类对信息的需求越来越多，人们提出 随时随地享受诸如语音、数据、图像、视频等综合业务和不同种类多媒体业务的 更高要求，因此多媒体通信己成为人们关注的焦点。视频是多媒体数据的重要组 成部分，它具有确切、实时、直观、具体、生动等一系列的优点，给用户带来视 觉上的体验，大大地丰富了传统业务。未来几年，无线视频服务将会有更为广阔 的发展前景。无线视频的编码与传输技术也因此成为当前多媒体通信领域的研究 热点。 由于无线信道带宽有限，视频数据需要高效压缩，然而，视频编码采用的预 测编码和变长编码等技术在高效压缩的同时也使得比特流对信道误码十分敏感， 众所周知，无线信道存在各种噪声干扰，误码率高，因此如何在无线移动网络上 传输高品质视频是一项极具挑战的课题。编码是其中的关键问题之一。编码主要 分为信源编码和信道编码。信源编码的主要指标是编码效率；信道编码的主要目 标是提高信息传送的可靠性【。 以往的视频通信系统中，人们往往将信源编码和信道编码分开考虑，这种分 离的设计方法基于香农定理。根据香农定理，当信道容量大于信源的极限熵，就 能实现无失真传输【2 】。然而，在实际中，信源输出常常是连续的消息，连续信源的 绝对熵为无限大，而信道带宽总是有限的，因此，实际通信中不可能实现完全无 失真的传输信源信息，同时，对连续信源的消息来说，需要无穷多个比特数才能 完全无失真地来描述它，这是绝对不可能的，若用有限的比特数来描述连续的消 息就会带来失真。因此采用香农信息论的分离编码系统在实际通信中不能达到理 想的性能。基于这个原因，很多研究人员认为，为了最优化带宽利用率和数据速 率并保证良好质量，使用联合信源信道编码方法传送数字图像和视频是个很好的 选择【3 1 。 不同于传统的编码方法，联合信源信道编码将通信系统的信源和信道因素联 合考虑进行最优化设计，并且允许用户根据信道或网络条件改变信源编码参数， 或是根据信源特性选择信道编码、调制及网络参数【4 】。联合优化分配信源和信道编 码率提高了视频数据适应无线移动网络变化的能力，可以再不增加带宽的情况下 大大提高质量，同时还可以降低无线移动多媒体通信系统的实现复杂度【4 】。j s c c 越来越引起研究者的兴趣，近几年很多有关文章被发表，而且在很多方面得到了 实际应用。 1 2研究动态及成果 国内外对于信源信道联合编码研究主要在以下两个方面展开：基本理论和设 计方法的研究。 理论研究方面，早在1 9 6 4 年，r i o b 鳅g g a l l a g e r 就第一次给出了无损联合信 源信道编码差错指数下限的数学描述【5 】，表明在产生同样错误性能的条件下，联合 信源信道编码的编码码长要比分离系统的编码码长趔6 1 。此后，联合信源信道编码 的理论研究不断发展。1 9 8 1 年c s i s z 矗r 采用随机编码方法，给出了离散无记忆系统 中联合信源信道编码差错指数的下限和上限表达式【_ 7 1 。1 9 8 2 年，在文献 8 中，同 样针对离散无记忆系统( 离散无记忆信源和离散无记忆信道) ，c s i s z 缸采用删改编码 方法( e x p u 玛a t e dc o d i n g ) ，得出了另一个较松的联合信源信道编码差错指数下限表 达式2 0 0 6 年，文献 9 】研究了离散无记忆系统j s c c 的边界的计算，给出了这些边 界的等效表达式，得出了边界与码率之间关系的表达式，并指出，对于任意信源 信道对，采用“m o t o s 算法，这些等价表达式可以容易的计算。当信道分布满足 对称特性，可以得到封闭形式的边界表达式。并对j s c c 和分离系统的错误指数进 行了比较。同时研究了c s i s z 矗r 差错指数上下限之问、g a l l a g e r 下限与c s i s z 缸下限 之问的关系。2 0 0 9 年，y 觚g 胁z h o n g 等人对两个离散无记忆相关信源在两发两收 的离散无记忆多终端信道上传输进行了研究，给出了j s c c 系统中错误指数的上下 界【l 。文献【1 1 】针对无记忆通信系统( 包含无记忆连续高斯信源，对信道输入有功 率限制的无记忆加性高斯白噪声信道) 的j s c c 的额外失真指数( e x c e s sd i s t o n i o n c x p o n e n t ) ，即超出预测水平的错误概率指数进行了研究，建立了e 的上下界( 以 方差作为评价标准) 。给出了上下界的充要条件，因此可以准确确定这个指数。这 个条件中的信源信道参数范围很宽。并推导了分离系统的额外错误指数表达式， 证明了j s c c 优于分离系统。对高斯信道传输无记忆拉普拉斯信源进行了分析。文 献 1 2 】中，n 舐m e r h a v 从统计物理的角度检验了经典的j s c c 问题，从统计力学的 角度得出信源和信道输出互信息的表达式。 联合信源信道的设计方法一直是研究的热点，并越来越引起研究者的兴趣， 很多有关文章被发表，大家提出了各种不同的联合信源信道编码方案。下面按时 间顺序对部分研究成果简单介绍。 1 9 6 9 年，k u n 出a c h 等人对噪声信道下优化标量量化器进行了研究，提出了 根据信道特性设计标量量化器的方法【】。1 9 7 5 年，h e l l m 觚针对遥控遥测系统， 2 提出了一种采用卷积编码的联合信源信道编码方法，当信道无损时，可以简化为 简单的卷积信源编码【l4 1 。1 9 7 6 年，g m y 等人对采用滑块编码的联合信源信道编码 原理进行了深入的研究【1 5 】。1 9 7 9 年，m o d e s t i n o 等人对静止图像的差分编码调制 d p c m 与短约束长卷积码进行了联合研究，提出了基于编码比特对重建图像的贡 献进行不等差错保护，使接收端失真最小【1 6 】，随后，在1 9 8 1 年把此方法扩展到图 像的一维离散余弦变换编码中【1 7 】。1 9 8 4 年，k 啪a z a w a 等人提出了信道最优矢量 量化的算法【1 8 】。1 9 8 7 年，舢啪。酉u 等人将广义l l o y d 算法用于联合信源信道网格 状波形编码器的设计，在二进制对称信道中，对高斯信源进行了仿真，表明联合 优化的结果好于分离系统的结梨1 9 】。1 9 8 9 年，岬弱等人针对移动无线环境中的 二进制图片文件传输，提出了一种s e a r l 的联合编码方法【2 0 】。 1 9 9 3 年，f l i u 等人研究了瑞利衰落信道上的联合优化信源信道编码，提出了 一个联合优化矢量量化器和调制信号集的迭代算法，以使原始信号和重建信号的 均方误差最小【2 1 1 。1 9 9 4 年，针对在欧洲数字无绳电信系统( d i 西t a le u r o p e 锄c o r d l e s s t e l e c o m m u i l i c a t i o n ss y s t 锄，d e c t ) ，p e l z 提出了基于不平等差错保护( u n e q u a le n o r p r o t e c t i o n ，u e p ) 的低比特率移动混合视频编码算法，该方法根据信源编码比特需 要的差错保护程度来调整其使用的信道编码码率，对错误敏感的数据采用较低的 码率编码，而那些不那么容易出错的比特采用较高的码率编码【2 2 】。1 9 9 7 年，b a l ( 啪 和k h a i l d a l l i 提出了一个利用解码器可靠性信息( d r i ) 的基于n 曲。码的联合信源信 道编码算法【2 3 1 。文献【2 4 】中，s f i l l i v 硒觚等人提出了一个无线衰落信道传输视频的 自适应联合信源信道编码方案。信源编码策略是子带系数在经过矢量量化器后进 行一个三维子带分解。信道传输时，对每个子带数据根据对重建质量的影响程度 不同采用不平等差错保护。对于每个子带，根据当前物理信道状态联合选择信源 编码率和保护程度，使得端到端的失真最小。m 孤等人采用基于小波变换的信源 编码方法，将信源编码后的数据分为三个种类，结点序列，后代序列和精细序列， 只对后代序列进行变长编码，然后将三种序列都采用码率兼容的带删除卷积码 ( r a t e - c o l n p a t i b l ep 吼c t i l i 司c o n v 0 1 u t i o n a lc o d e s ，r c p c ) 加以保护，这样就可以在牺牲 一定压缩比的条件下提高了信源码流的抗误码性能【2 5 1 。s h e 州o o d 等人基于小波变 换编码系统，先将信源编码器输出以2 0 0 比特为单位分成固定长度的数据包，再 进行信道编码，信道编码采用内码为r c p c 码，外码为c r c 校验码的级联编码方 法【2 6 1 。1 9 9 8 年，a n d r e a 等人基于这样的准则：给定信道s n r 和传输速率，获得 最优的信源信道码率分配，使端到端失真最小，提出了三种联合信源信道编码设 计方案，分别是信源优化的信道编码，信道优化的信源编码和联合前两个设计的 迭代算法【27 1 。t i e 等人针对瑞利信道上的图像传输，设计了信道优化的矢量量化器， 同时采用r c p c 进行不等对称保护【2 引。p e n g 等人针对图片传输，采用t u 【r b o 码作 3 为信道编码，联合优化进行信源信道比特分配，不增加带宽和计算复杂度的情况 下提高了质量【2 9 】。1 9 9 9 年，p e r e z 等人将v l s i 结构用于j s c c 网格状编码【3 0 1 。文 献 3 l 】针对实时低比特语音通信，信道编码采用t u 而。码，最大后验软解码，提出 了一种信道优化信源编码的联合编码方法。 2 0 0 2 年，h ez h i h a i 等人首先建立了一个基于d c t 变换视频编码的r d 模型， 给定任意比特率和帧内刷新频率，此模型可以估计出相应的编码失真，从理论上 分析了信道误码和帧间错误扩散导致的失真，基于这个分析，给出了一个在不同 信道状态和编码设计下信道误码引起的失真的统计模型。基于r - d 模型和信道失 真估计，得出了适用于时变无线信道的自适应帧内模式选择和联合信源信道码率 控制算法【3 2 1 。文献 3 3 】利用二阶马尔可夫过程对参数的帧间相关性进行建模，比特 级先验概率用于卷积码或分组码的信道解码过程，在g s m ，m e l p ( m i x e de x c i t a t i o n l i n e a rp r e d i c t i o n ) 和a m r ( a d a p t i v em u l t ir a t e ) 等语音传输系统中获得了一定的性 能增益。2 0 0 6 年，b r i 锄等人提出了自适应多描述视频编码方案【3 4 】。r u i ( h 1 0 等人 针对频率选择性衰落信道上的图片传输，提出了一种m i m o o f d m 和小波预处理 结合的j s c c 方案，根据分配给o f d m 子信道的信源包大小，自适应选择应用或 不应用小波预处理块【3 5 1 。p c l l gq i 锄g 等人建立了率失真模型，并根据此模型控制 编码参数，包括信道码率，量化参数和打包个数，以此来适应信道状况，优化接 收端视频质量【3 6 】。m i n g 出w 抽g 等人采用三维小波视频编码的r d 模型，将j s c c 优化问题归纳为一个非线性规划问题，可以使用动态规划方程来求解，但计算量 较大【37 1 。文献【3 8 】中，高雪娟等人建立了视频率失真模型：然后基于t u r b o 码的抗 差错特性和该r d 模型，提出了一种无线视频联合信源信道编码方案，该方案可 以根据当前无线信道的具体状况，自适应地将信道有效带宽在信源编码和信道编 码之间进行最优化分配，使得端到端失真达到最小。文献 3 9 针对可分级h 2 6 4 编 码，计算出对每一层编码视频的保护程度，用不同码长的l d p c 码对不同层数据 编码，以实现不等对称保护，使得端到端失真最小。文献 4 0 】在无线局域网上联合 考虑应用层信源信道联合编码、错误隐藏和无线物理层传输码率，进行优化设计， 提高解码视频质量。2 0 0 9 年，s e m a l ( a s e t 等人提出了一个在非再生中继网络上传输 分层信源的自适应联合算法，联合决定信源编码层，传输速率和每层的功率，使 失真期望最小【4 1 1 。m o h a m m a d 等人基于可分级h 2 “视频及不同错误隐藏方法给 出了端到端失真估计，在采用了正交时空编码的m i m o 系统中，给定带宽下，根 据估计的端到端失真，优化选择量化参数( q p ) 、图片组的大小、t u r b o 码码率和 符号星座等参数，使系统性能得到很大的提高【4 2 1 。h a i y 觚l u o 等人在无线多跳网 络上，分别考虑每个通信连接的端到端失真，通过优化选择每个宏块的编码模式 和a r q 控制方式使整体性能最优【4 3 1 。2 0 l o 年，j a 啊e rd e ls e r 等人提出了一个信源 4 控制的1 m o 编码方案，将b w t 与t u i b o 级联，并根据b w t 的输出的一阶统计 进行非对称功率分配，性能接近s h a m l o n 极限( 1 5 d b 内) 【4 4 1 。g u o 缸gt u 等人基 于c c s d si d c 的视频编码流为研究对象，提出了一个面向空间通信的j s c c d 方 法，d c 系数首先进行交替的游程编码，进行可逆变长编码( r e 、，e r s i b l ev 撕a b l el e l l g t l l c o d e s ，r v l c s ) ，a c 系数采用变长编解码，这个方案大大缓解了错误扩散，并提高 了d c 系数的抗误码能力【4 5 1 。 1 9 9 9 年1 1 月1 2 日，由美国国家自然科学基金资助的工作会议在加利福利亚 的圣地亚哥举行，来自于不同领域的2 2 位专家参加了会议，会议的主旨在于提供 一个j s c c 能够且必须发挥重要作用的环境，同时评估j s c c 在这些应用中的性能。 此次会议确定了j s c c 技术设计、发展中主要的、开放的课题，为将来各学科间的 合作研究搭建一个框架m j 。 随后，在欧洲由飞利浦，西门子及英国南安普敦大学等多家公司和研究单位发 起成立了联合信源信道编码驱动的4 g 的多媒体流数字基带设计( j o i n t s o u r c e c h 籼dc o d i n g - d r i v e i ld i 百t a lb 弱e b 锄dd e s i 盟f o r4 gm u l t i m e d i as 仃e 卸【t l i n g ， j o c o ) 联盟，目的在于证实未来4 g 系统中，基于j s c c 的整体网络结构的有效性。 目前，联合信源信道编码技术已在许多方面得到了实际应用；例如在欧洲和 北美的基于t d m a 标准的第二代( 2 g ) 移动通信系统中对音频采用了不平等错误保 护方法，在保证信息的传输质量的同时，还节省了2 0 - 4 0 的比特率【4 7 】。 另外，联合信源信道编码技术还有一些应用实例；例如，在视频点播系统( d e 0 o nd e m 锄d ，v o d ) 中采用自动重发请求方法，当信道条件差时，丢弃相对优先级 低的视频信息来保证相对优先级高的音频信息；在视频广播系统中，采用分层编 码方法，为不同用户提供不同质量的数据等等。这些技术都属于联合信源信道编 码的范畴【47 l 。 1 3本文结构安排 本文的组织结构安排如下： 第一章为绪论，介绍了本文的选题背景和研究动态及成果，并简述了本文的 结构安排。 第二章介绍了编码的基础理论知识。首先简述了视频压缩编码及其国际标准 和信道编码的基本理论及常用的方法，接着介绍了联合信源信道编码的适用情况、 分类及联合参数优化的信源信道联合编码方法。 第三章是对视频无线传输的性能分析。本章分析了视频无线传输面临的问题 给出了几种常见的无线信道模型及其仿真方法，介绍了h 2 6 4 中的抗误码技术， 阐述了l d p c 码的表示方法和编解码原理，并对其性能进行了仿真，进而对基于 l d p c 码的视频无线传输系统进行了仿真实验，对视频无线传输性能进行了分析。 第四章是基于端到端失真的联合信源信道编码方案设计。首先对视频端到端 失真进行了深入分析，并建立了新的端到端失真模型，基于该模型，结合l d p c 码，提出了一种联合信源信道编码方案，并给出了本文方案与固定码率方案的仿 真结果比较。 第五章总结与展望。对全文进行总结并介绍了课题今后进一步的改进和发展 方向。 6 2 编码理论 2 1信源编码 信源编码的主要目标就是对数据进行压缩。数据压缩的理论研究开始于 s h a l l i l o n 的信息论。1 9 4 8 年s h 籼o n 的经典论文通信的数学原理首次提到了 信息率失真函数的概念，1 9 5 9 年又进一步确立了失真率理论，从而奠定了信源编 码的理论基础。s h 锄o n 指出，达到不失真信源压缩编码的极限( 最低) 编码速率等 于该信源的熵。根据s h a n n o n 信源编码理论，人们设计出各种编码方法，编码效 率也在不断提高。 2 1 1 视频压缩编码概述 视频数据包含巨大的信息量，给存储容量、信道传输带宽，以及计算机的处 理速度都带来极大的压力。因此无论是存储、传输还是处理，视频都必须经过有 效压缩才能具有实际使用价值，因此对视频数据进行压缩是十分重要和必要的。 研究视频图像数据可以发现其中存在大量的冗余信息。这些冗余信息主要包 括以下几个方面： 空间冗余：规则物体的表面具有物理相关性，将其表面数字化后表现为数据 冗余。冗余的象素数据可以压缩，甚至相邻颜色极为接近的象素数据也可以压缩， 只要掌握适度就可以保证图像良好的视觉效果。 时间冗余：由于视频信号本质上是一系列连续的图像，为了达到连续的视觉 效果，视频帧与帧之间的采样间隔很小，对于2 5 邱s 的视频信号，其间隔仅为o 0 4 s 。 因此相邻两幅图像之间存在着很强的相关性。相邻画面中同一位置的内容有变化， 则这一位置的内容是“活动 的。而相邻画面中的其余内容没有变化，画面视 觉效果相对静止，这时，相邻画面无变化的内容构成了时间上的冗余【4 9 】。 编码冗余：如果对图像的所有信息都使用相同长度的符号进行表示，将使用 较多的比特才能够完全表示图像中的灰度和颜色信息。为有效表示图像信息中的 像素点，理想情况是按照像素信息熵的大小为其分配相应的比特数。而在实际情 况中，很难计算出像素的具体信息熵，因此在实际编码中使用的码本不能使平均 比特数达到或接近熵值。在这种情况下不可避免的会存在编码冗剁4 引。 结构冗余：在数字化图像中，具有规则纹理的表面、大面积相互重叠的相同 7 图案，规则有序排列的图形等结构，都存在数据冗余，这种结构上的冗余叫做结 构冗余。 视觉冗余：在大多数情况下，视频编码系统的最终接收者是人类视频系统。 而人类视觉系统具有非均匀的特点，所感知的图像亮度不仅仅与该点的反射光强 有关，同时也会受到相邻区域光强的影响。在某些情况下，即使是在灰度值为常 数的区域也能感觉到灰度值的变化( 如马赫带效应) 【4 8 】。此外人类视觉系统对不 同的视觉信息具有不同的敏感度，如图像的微小色彩变化、亮度层次的细腻变化 以及轮廓的细微差别不易被人眼所感知，这就产生了视觉冗余。去除这些信息并 不会明显地降低所感受图像的质量。 视频压缩编码技术就是保证一定重构视频质量的前提下，去掉图像数据的次 要信息和冗余，尽量采用更少的比特进行编码，以更适于在通信信道中传输【4 9 1 。 2 1 2 视频压缩编码国际标准 数据压缩理论的研究从上世纪5 0 年代开始，到8 0 年代后期，以三大经典编 码技术变换编码、预测编码和统计编码为核心的音视频压缩编码技术基本形 成【5 0 1 。经过国际电信联盟( i t u ) 、国际化标准组织( i s o ) 等组织的努力，先后形成 了多种针对不同应用方面的音视频压缩编码国际标准，主要分为h 2 6 x 和m p e g 系列视频压缩标准。 ( 1 ) 国际标准化组织运动图像专家组( m p e g ) 制定的应用于媒体业务的m p e g x 系列标准 m p e g 1 于1 9 9 3 年正式发布，其全称为码率低于1 5 m b s 的用于数字存储媒 体的运动图像及其伴音的编码标准，其中包括系统、视频、音频和一致性测试4 个 部分。此标准已在v c d 中获得了广泛应用【5 0 1 。 m p e g 2 的设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率，与 m p e g 1 相比，它具有更高的编码效率，作为一种通用视频图像压缩编码，m p e g 2 广泛用于数字广播电视、高清晰电视等【5 0 】。 m p e g 4 于1 9 9 9 年正式成为国际标准，2 0 0 0 年，i s o i e c 再推出m p e g 4 第 二版。m p e g - 4 标准引入了面向对象的系统设计思想，采用a 、，对象( a u d i o m s a u l o b i e c t s ，a 、，o s ) 来表示听觉、视觉或者视听组合的内容，并对a v 对象提供了一系 列的支持【5 0 1 。有了该标准，可以使用户由被动变主动，或根据需要来执行开始、 停止、暂停等命令，并且可以允许用户加入其中，选择图像中的某个具体的对象， 并对其进行操作。与前两个m p e g 标准相比，m p e g - 4 的特点是其更适合于交互 式a v 服务以及远程监控。其传输码率要求较低，在4 8 0 0 石4 0 0 b p s 之间【4 8 1 。m p e g 4 主要用于数字广播电视，计算机动画以及交互式视频业务等方面。 ( 2 ) 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 h 2 6 l 是p 6 4 k b i t s ( p = l ，2 ，3 0 ) 速率下音视频业务的视频编解码标准，主要 用于n i s d n 上的视频业务。 h 2 6 3 在h 2 6 l 的基础上，增加了s u b q c i f ( 1 2 8 9 6 ) ，4 c i f ( 7 0 4 5 7 6 ) ，1 6 c i f ( 1 4 0 8 1 1 5 2 ) 三种图像格式，同时增加了无限制运动矢量、基于语法的 算术编码、先进的预测，p b 帧四种可选模式【4 】。因而使其应用范围进一步扩大， 压缩效率、抗误码能力和重建图像的主观质量等都得到了提高。h - 2 6 3 主要用于 p s t n 网络上的视频会议业务。 ( 3 ) 国际联合编码专家组( j v t ) 制定的标准 2 0 0 1 年1 2 月i t u - t v c e g 和m p e g 组织合作，成立了j v t 国际组织以进行 h 2 6 l 的制定工作。2 0 0 3 年3 月，国际标准草案被批准，官方名字分别为h t - th 2 6 4 和i s o i e cm p e g 4p a r tlo 或i s o i e cm p e g 4a v c 。 h 2 6 乱a v c 【4 8 】即保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术 无法比拟的许多优点。h 2 6 4 标准也采用了其前面标准的编码框架，采用运动补 偿预测编码、变换编码以及变长编码的方案，但许多细节方面有了改进，如整数 变换、可变大小块运动补偿、s i s p 技术、帧内预测、去方块效应滤波、分层结构 设计等等。这些改进使其编码效率与以前标准相比有了很大提高。在同等图像质 量的条件下，h 2 6 4 的压缩比是m p e g 2 的2 倍以上，是m p e g - 4 的1 5 2 倍。同 时，从有效的适应各种网络和各种应用领域的灵活性方面，h 2 6 4 a v c 也体现着 视频编码技术的很多优势，更适合于无线视频通信领域。h 2 6 4 的编码结构在算法 概念上分为两层：视频编码层( v c l ) 和网络抽象层( n a l ) ，前者负责高效的视频压 缩，后者负责以恰当的方式对数据进行打包和传送以适应网络要求：h 2 6 4 标准分 为三个档次，分别为基本档次、主档次和扩展档次【4 8 】。可以根据网络状况和用户 需求使用不同档次的编码方案。h 2 6 4 可以应用于多种场合，包括数字视频存储、 i p t v 、数字卫星广播、视频会议以及流媒体业务等。 2 2信道编码 2 2 1信道编码概述 信道编码，又称纠错编码或者差错控制编码，其主要目的就是提高信息传送 的可靠性。信道编码的基本实现方法是按照一定的规则对信源压缩后的比特流添 加校验码元，当处理过的信号在传输过程中出现错误，接收端能够根据校验码元 9 与信息码元间的关系自动检错和纠错。 婶 常用的差错控制方法有以下几种： 1 自动请求重发( a u t o m a t i cr 印e a tr e q u e s t ，a r q ) 在a r q 方式中使用检错码，接收端检测出有差错时，就设法通知发送端重发， 直到正确的码字收到为止。优点是译码电路简单，易实现。但a r q 方式必须有双 向信道才可能将差错信息反馈到发送端。同时，发送方要设置数据缓冲区，用以 存放己发出的数据以防重发出错的数据。 2 前向纠错( f o 刑莉e 玎0 rc o 盯e c t i o n ，f e c ) 在f e c 方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的 位置，从而加以纠正。f e c 方式使用纠错码，不需要反向信道来传递请示重发的 信息，发送端也不需要设置用于存储重发数据的缓冲区，译码延迟固定且很小， 适合于实时传输系统。其缺点是编码效率低，解码设备比较复杂。随着编码理论 和大规模集成电路不断发展，该方式正得到日益广泛的应用。本文中采用了此种 差错控制方式。 3 混合纠错( h y b 砌e r r o rc o n 昀l ，h e c ) h e c 是上述两种方法的结合。接收端接到码字序列后，首先进行差错检测， 若发现出错的个数在码的纠错能力之内，则自动纠正；若出错的个数超过码的纠 错能力，则反馈告知发送方重发；h e c 具有f e c 和a r q 的优点，在一定程度上 避免了a r q 信息连贯性差、通信效率低的缺点以及f e c 所需要的复杂译码电路， 特别适合于卫星通信【4 7 】。 1 9 4 8 年，s h 黜o n 在他的论文通信的数学理论中指出，任何通信信道都 有确定的信道容量，当通信系统所要求的传输速率小于信道容量时，则存在一种 信道编码方法，只要码长足够长而且采用最大似然译码，系统传输错误概率可以 达到任意小。s h 觚n o n 定理为构造好的信道编码指明了方向。此后，信道编码领域 的研究者们一直努力寻找性能尽可能接近s h a n n o n 极限，并且复杂度低的可以实 现的信道编码方案。长期以来，经过各国专家的深入研究，发展出了许多纠错编 码方法，而且性能也越来越好。下面介绍几种常见的信道编码。 2 2 2常见的信道编码 1 r s 码( r e e d - s 0 1 0 m o n ) r s 码是一类很好的线性纠错码类，它的纠错能力强( 既能纠正随机错误，又能 纠正突发错误) ，在短码和中等码长下，性能接近于理论值，它首先由里得( r e e d 和索洛蒙( s o l o m o n ) 应用m s 多项式于1 9 6 0 年构造出来的，所以简称r s 码，由于 i o r s 码是建立在g f ( 2 ”) ( 朋3 ，m 为任意整数) 有限域上，且r s 码是最大距离可分 码( m d s ) ，具有极大最小距离特性【5 。正是由于具有超强纠错能力及各种成熟、 可用、有效的译码算法，r s 码己被广泛应用于各种通信和计算机存储系统中。目 前三大数字电视标准，广泛采用了r s 码作为外码的级联编码方法。 2 t u 加码 1 、曲。码，又称并行级连卷积码，是由c l 锄d eb e 玎0 1 】提出的。它巧妙地将卷 积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想。译码时采用迭代译码原 则。计算机仿真表明，n 曲。码有很强的抵御噪声、抗衰落、抗干扰能力，其纠错 性能接近香农极限。目前，m b o 码已有很多实际应用。美国空间数据系统顾问委 员会已经把t l 曲。码作为深空通信的标准，同时，在第三代移动通信系统中，人们 选择t u r b o 码作为它的主要信道编码方式。 3 低密度校验码( l o w d 既s 时p a r i t yc h e c k ，l d p c ) l d p c 码是由g a l l a g e r 在1 9 6 2 年提出的。之后很长一段时间没有受到人们的 重视。近几年人们重新认识到l d p c 码所具有的优越性能和巨大的使用价值。l d p c 码是迄今为止实验中最为接近s h 猢0 n 极限的信道编码，同时它有较大的灵活性 和较低的错误平层( e n 0 rf l o o r s ) ；译码可实现完全的并行操作，适合硬件实现；具 有内在的交织特性，不需引入交织器，降低了系统复杂度，和1 、l r b o 码相比，l d p c 码在良好的距离性、低复杂度和高并行译码方法上都展示了其更优越的性能，因 此，u ) p c 码成为了下一代宽带移动通信系统中纠错编码的主要备选方案【5 2 】。本文 选用了l d p c 码作为信道编码方法。 4 空时码( s p a c e t i m ec o d e ，s t c ) 空时码【4 7 】是在空间域和时间域两维方向上对信号进行编码，有机结合信道编 码与空域发射分集，实现分集增益与发射速率折衷的m i m o 通信技术，它有效补 偿了信道衰减、不牺牲带宽、增加了系统容量、有效地抑制了噪声和干扰，并获 得了很高的分集增益和编码增益。空时编码主要分为三类：空时网格码( s 1 v r c ) 、 空时块编码( s t b c ) 和空时分层码( l s t c ) ，其设计原则就是要求设计出来的码子各 行各列之间满足正交性，接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码子之间 的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可【4 7 1 。 2 3联合信源信道编码相关知识 2 3 1联合信源信道编码的适用情况 在以下四种情况下，应用信源信道联合编码的系统可以得到更好的效果： 第一方面，对资源约束条件严格的应用环境，如数据传输的速率，系统的复 杂度，手持系统的功耗，实时系统的时延等受到限制的通信系统。信源信道联合 编码会从整体出发在，通过在信源编码、信道编码以及调制系统等各种资源之间进 行最优分配，从而获得最佳的端到端系统性能。 第二方面，在多用户共享信道的通信系统中，如数字视频广播，蜂窝移动通 信系统。用户共用有限的带宽资源竞争地传输信息，用户间信号相互干扰，一个 用户的信源信息，可能就是另一个用户的信道噪声。在这种情况下，联合编码的 设计形式可以限制用户间的干扰，从而提升系统的整体性斛4 7 】。 第三方面，在异构性网络中。无线通信系统中包括多种不同类型的网络，信 源、信道、用户和拓扑结构等都存在差异。针对不同种类的异构特性，可以设计 不同意义上的联合信源信道编码方法。例如，对于信源异构特性，可以采用不等 差错保护的方法；对于信道或用户异构性，可以对信源进行分层或分级编码，从 而满足用户不同分辨率的需求；对于网络异构性，可以通过调整信源、信道编码 的参数以及调制方法和网络协议，来适应不同的信道或网络【4 7 1 。 第四方面，随时间变化的信源、信道或网络中。无线通信环境存在很多不