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(通信与信息系统专业论文)视频流高效编码与鲁棒传输技术的研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
圭兰兰翌查兰! 圭兰竺兰三 摘要 随着编码技术与通信技术的发展,基于i p 的视频流应用正受到学术界和产业 界越来越多的关注。本论文针对实时视频流的高效编码和鲁棒传输技术进行了多 方面的研究,这些研究工作对于视频流的广泛应用具有重要意义。本文的主要工 作及取得的研究成果可以概括如下: 首先,我们简单地回顾了视频流技术的现状。与基于电路交换的传统视频通信 相比,基于i p 的视频流通信有其自身的信源和信道特性。存第一章中。我们系统 介绍了与视频流相关的各种技术及国际标准。 当视频流通过无反馈的有损信道时,帧内刷新机制能够缓解视频包丢失导致的 错误扩散效应。除了通过“l a g r a n g i a n 率失真”或者“绝对误差和”模式判决产 生的少量帧内模式宏块外,编码器或者转码器可能需要增加一些“强制性”的帧 内模式宏块来提高视频流传输的可靠性。通过分析在一个图像组( c r o p ) 中的错误 扩散特性,在第二章中,我们提出了一种不均等的“强制帧内刷新”( f ,) 策略。 根据所推导的g o p 级错误扩散模型,建议的不均等f ,r 方案能够优化地为c r o p 中 不同视频帧分配不均等数量的强制帧内模式宏块。仿真实验表明建议的不均等胁 方案能够有效地增强视频流在异构信道条件下的鲁棒性。与目前h 2 6 4 a v c 工具 选项中的平均f i r 方案相比,不均等f i r 方案在实验中取得了大约o 1 0 9d b 的 平均峰值信噪比( p s n r ) 增益。 在较低比特率视频流通过无线信道的情况下,连续的视频帧丢失可能是无法避 免的。因此在第三章中,我们建议了两种具有容错性能的视频流方案来对付这种 连续的帧丢失。首先,考虑n g o p 中视频帧的不均等重要性和无线信道的时变错 误特性,我们提出了一种信道感知的丢帧方案,用于将突发错误转移到相对不重 要的视频帧中。基于自动重传请求( a r q ) 机制,视频代理服务器就能够感知无线 信道状况的变化,从而自适应地为小同视频帧分配小均等的传输机会。其次,我 们还提出了一种基于无反馈“参考帧选择”( r p s ) 的容错包调度算法,称之为“基 于无反馈r p s 的包调度”( r e s - e s ) 。存满足小同延时限制的前提下,r 雕船算法 根据视频包在原始图像序列中的相应位置对其发送次序实施1 i 间的调度。r p s - p s 上海交通大学博士学位论文 算法能够将连续的视频帧丢失尽可能地分散到单独的预测链路中,从而降低了不 同预测链路同时出现严重损伤的概率。我们对上述两种建议的方案进行了容错性 能分析,并进行了相应的仿真实验以证明我们方案的有效性。 当区分重传机制在无线局域嘲( w l a n ) 中可得时。分层视频编码技术能够用于 改进无线局域嘲视频流的容错性能。在第四章中,我们提出了一种联合媒体访问 控制( m a c ) 层重传和应用层数据分类的错误分散方案。由于不同的数据分区在实 时和带宽限制下具有1 i 均等的重要性,建议的方案采用1 i 均等的m a c 层重传机制 来分散突发错误,使突发错误被分散到一幅图像中相对不重要的数据分区,这样 即使在恶劣的信道条件下接收端也能够获得较为半缓的重建图像降质。 在蜂窝刚络系统中,由于衰落、干扰或有损切换的影响,无线接入网比有线核 心网更容易出现传输错误。为了避免视频流通过蜂窝网络时出现令人难以忍受的 质量下降,结合各种通信协议层次的联合优化是有必要的。为此在第五章中,我 们提出了一种跨层的条件反馈方案。建议的方案首先用不均等的链路层反馈来对 付无线接入网中的信道残余错误,然后用“端到端”( e n d - t o e n d ) 的传输层反馈来 增强蜂窝视频流的容错能力。建议的方案能够协调不同通信层次的服务质量( q o s ) 参数之间的映射关系。仿真结果表明,相比于传统的条件反馈方案,建议的方案 能够更有效地改进蜂窝视频流的整体性能。 在第六章,我们研究了视频编码中运动估计算法的改进问题。众所周知,块匹 配运动估计在实时编码中占了相当大的运算量。基于菱形搜索和六边形搜索,我 们提出了一种搜索形状可变( v s s ) 的快速块匹配算法:初始步骤中的大菱形搜索用 来适应视频运动矢量场的中心偏置分布特性;接着,小同方向性的六边形搜索用 来确定最佳运动矢量所在的小范围区域;最后,小菱形搜索用于在小范围区域内 选择最终的运动矢量。与m p e g 4 基本档次中常用的菱形搜索( d s ) 算法相比,建 议的v s s 算法能够在质量f i 明显降低的情况下取得一定的计算速度增益。v s s 算 法也具有易于硬件实现的简单规整性,适合于当前3 g 刚络中的实时视频应用。 最后一章,我们研究t r e e d s o l o m o n ( r s ) 编码在视频流应用中的相关技术问 题。绝大多数基于r s 码的视频流方案都专注于分层视频技术,这些方案往往并不 适合于众多的非分层视频编解码器。为了对付有损网络中的包丢失,我们提出了 上海交通大学博士学位论文 一种适合于非分层视频流的i p 包封装方式,它有效地结合了按序宏块组织与跨包 r s 两种技术。另外,针对多个并发视频流的情形,基于视频内容复杂度的联合信 源编码技术是维持不同流之间以及同一流内相对一致质量的有效方式。但是,这 种联合信源编码机制并不能扩展到联合信道编码中去。特别是对于存在包丢失的 i n t e r n e t 场合。因此我们针对多个并发视频流通过i n t e m e t 的情形提出了一种新的联 合r s 保护方案。根据不同视频流的信道传输失真估计,r s 码被有效地分配给不同 的视频流,从而在不同流之间取得了相对一致的视频降质性能。 关键词:视频流,帧内刷新,参考帧选择,信道感知云帧,跨层优化,条件反馈, 可变形状搜索,前向纠错 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o d i n ga n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ,v i d e os t r e a m i n g a p p l i c a t i o n sb a s e do ni ph a v er e c e n t l yr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o nf r o mt h es c i e n t i f i c a n di n d u s t r i a lc o m m u n i t i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ee f f e c t i v e c o d i n ga n dr o b u s t t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e so fr e a l t i m ev i d e os t r e a m i n ga r es t u d i e de x t e n s i v e l y , w h i c hi s o fg r e a ti m p o r t a n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s : 一 f i r s t ,w eb r i e f l yr e v i e wt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fv i d e os t r e a m i n gt e c h n i q u e s c o m p a r e dw i t ht h ec i r c u i t - s w i t c h e dv i d e oc o m m u n i c a t i o n , v i d e os t r e a m i n gh a si t s s p e c i f i cs o u r c e - c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s i nc h a p t e r1 ,w ec o n t r i b u t eaw h o l ec h a p t e rt o i n t r o d u c ed i f f e r e n tt e c h n i q u e sa n dt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d su s e df o rv i d e os t r e a m i n g f o rv i d e o s t r e a m i n g o v e r l o s s yc h a n n e l s ,i n t r a - r e f r e s h c a l l m i t i g a t e t h e e r r o r - p r o p a g a t i o ne f f e c tc a u s e db yp a c k e tl o s s e s b e s i d e sf e wi n t m - m o d em a e r o b l o e k s ( m b s ) g e n e r a t e db yt h e l a g r a n g i a nr a t e - d i s t o r t i o n o r “s u mo fa b s o l u t ed i f f e r e n c e ” m o d ed e c i s i o n , t h ee n c o d e ro rt r a n s c o d e rp o s s i b l yn e e d st oi n c r e a s es o m e f o r c e d i n t r a - m o d em b sf o rr o b u s tv i d e os t r e a m i n g b a s e do nt h ee r r o r - p r o p a g a t i o na n a l y s i si n ag r o u po fp i c t u r e s ( g o p ) ,i nc h a p t e r2 ,w ep r o p o s ea nu n e q u a lf o r c e d - i n t r a - r e f r e s h ( f i r ) s c h e m et oi m p r o v ee r r o rr e s i l i e n c eo fv i d e os t r e a m i n g a c c o r d i n gt oag o p l e v e l e r r o r - p r o p a g a t i o nm o d e l ,t h ep r o p o s e du n e q u a lf i rs c h e m ec a no p t i m a l l yd i s t r i b u t et h e u n e q u a ln u m b e ro ff o r c e di n t r a m o d em b st od i f f e r e n tf r a m e si nag o p s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a ne f f e c t i v e l ye n h a n c et h er o b u s t n e s so fv i d e o s t r e a m i n gu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s a n da c h i e v ea b o u to 1 - 0 9d bg a i n so v e r t h ea v e r a g ef i rs e h e m ei nh 2 6 4 a v ct o o l s i nt h ec a s eo fl o w - b i t r a t ev i d e os t r e a m i n go v e rw i r e l e s sc h a n n e l s ,c o n s e c u t i v e f r a m el o s s e sm a yb eu n a v o i d a b l e i nc h a p t e r3 ,w ep r o p o s et w oe r r o r - r e s i l i e n c ev i d e o s t r e a m i n gs c h e m e st oc o m b a tt h ec o n s e c u t i v ef r a m el o s s e s c o n s i d e r i n gt h eu n e q u a l i m p o r t a n c eo fd i f f e r e n tp f r a m e si nag o p a n dt h et i m e - v a r y i n ge r r o rc h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sc h a n n e l s ,w ef i r s tp r e s e n tac h a n n e l a w a r ef l a m ed r o p p i n gs c h e m es oa st o 上海交通大学博士学位论文 s h i f tb u r s t l o s s e si n t or e l a t i v e l yu n i m p o r t a n tf r a m e si nt h es a m eg o p b yu s i n g s e l e c t i v er e t r a n s m i s s i o na tt h el i n kl a y e r , ap r o x ys e r v e rc a nb ea w a r eo ft h ev a r i a t i o no f w i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n s ,t h u sa d a p t i v e l ya s s i g nt h eu n e q u a ll i n k l a y e rt r a n s m i s s i o n a t t e m p t s t od i f f e r e n tv i d e o f r a m e s f u r t h e r m o r e ,w e a l s o p r e s e n t s an o v e l e r r o r - r e s i l i e n c ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h er e f e r e n c ep i c t u r es e l e c t i o n f r p s ) w i t h o u tb a c k - c h a n n e l ,w h i c hi sc a l l e dr p s - b a s e dp a c k e ts c h e d u l i n g ( r p s - p s ) b ya p p l y i n gt h ed e l a y e dp a c k e ts c h e d u l i n gi nag o pa c c o r d i n gt od i f f e r e n td e l a y r e q u i r e m e n t s ,t h ep r o p o s e dr p s - p sa l g o r i t h mc a l ls p r e a do u tc o n s e c u t i v ef r a m el o s s e s i n t od i f f e r e n tc h a i n s ,t h u sr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fs i m u l t a n e o u sl o s s e sf o rd i f f e r e n t p r e d i c t i o nc h a i n s s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ea b o v et w os c h e m e sm a y i n c r e a s ee l f o rr e s i l i e n c eo f l o w - b i t r a t ev i d e os t r e a m i n go v e rw i r e l e s sc h a n n e l s w h e nt h ed i f f e r e n t i a t e dr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi sa v a i l a b l ei nw i r e l e s sl a n s , l a y e r e dv i d e oc o d i n gc a l lb eu s e dt oi m p r o v ee r r o rr e s i l i e n c eo fv i d e os t r e a m i n g a n o v e le r r o r - r e s i l i e n c es c h e m e ,c a l l e dr e t r a n s m i s s i o n b a s e de r r o rs p r e a d i n g ,i sp r o p o s e d i nc h a p t e r4f o rl a y e r e dv i d e os t r e a m i n go v e rw i r e l e s sl a n s s i n c ed i f f e r e n tv i d e o p a r t i t i o n sh a v et h eu n e q u a li m p o r t a n c eu n d e rt h er e a l - t i m ea n db a n d w i d t hc o n s t r a i n t s , t h e p r o p o s e d s c h e m eu s e s u n e q u a l r e t r a n s m i s s i o n a t t e m p t s a tt h e m e d i u m a c c e s s c o n t r o l ( m a c ) l a y e rt os p r e a do u tb u r s te r r o r s c o n s e q u e n t l y ,b u r s t e r r o r sa r es e p a r a t e di n t ot h o s er e l a t i v e l yu n i m p o r t a n tp a r t i t i o n si nap i c t u r e ,a n dg r a c e f u l q u a l i t yd e g r a d a t i o n c a l lb ea c h i e v e d i nc e l l u l a rn e t w o r k s aw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ki sm o r ee r r o r - p r o n ea sc o m p a r e dt o aw i r e dc o r en e t w o r k ,w h e r ec h a n n e le r r o r so f t e no c c u rb e c a u s eo ff a d i n g ,i n t e r f e r e n c e o rl o s s yh a n d o v e r s i no r d e rt oa v o i du n a c c e p t e dq u a l i t yd e g r a d a t i o no f v i d e os t r e a m i n g o v e rc e l l u l a rn e t w o r k s ,aj o i n to p t i m i z a t i o na c r o s sv a r i o u sc o m m u n i c a t i o nl a y e r si s d e s i r a b l e i nc h a p t e r5 ,w ep r o p o s eac r o s s - l a y e rc o n d i t i o n a lf e e d b a c ks c h e m e t h e p r o p o s e ds c h e m ef i r s tu s e st h eu n e q u a ll i n k - l a y e rf e e d b a c kt oc o m b a tc h a n n e lr e s i d u a l e 1 0 1 名i naw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ;a n dt h e nu s e st h ee n d t o - e n d t r a n s p o r t - l a y e r f e e d b a c kt oe r l h a n c ee r r o rr e s i l i e n c eo fc e l l u l a rv i d e os t r e a m i n g t h ep r o p o s e ds c h e m e 上海交通大学博士学位论文 c a l lc o o r d i n a t em a p p i n go fq u a l i t y o f - s e r v i c e ( q o s ) p a r a m e t e r sa td i f f e r e n tl a y e r so f p r o t o c o ls t a c k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ep e r c e p t u a lq u a l i t yo f c e l l u l a rv i d e os t r e a m i n ga sc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a l c o n d i t i o n a lf e e d b a c ks c h e m e s i nc h a p t e r6 ,t h ea l g o r i t h mo p t i m i z a t i o ni nv i d e oc o d i n gi sd i s c u s s e d i ti sw e l l k n o w nt h a tb l o c k - m a t c h i n gm o t i o ne s t i m a t i o ni sq u i t ec o m p u t a t i o n a l l yi n t e n s i v e b a s e d o nd i a m o n ds e a r c ha n dh e x a g o ns e a r c h , w ep r o p o s eav a r i a b l e s h a p e s e a r c hf v s b l o c k m a t c h i n ga l g o r i t h m n l ei n i t i a lb i g - d i a m o n ds e a r c hi sd e s i g n e dt of i tt h e c e n t r e - b i a s e dc h a r a c t e r i s t i c so fr e a l w o r l dv i d e os e q u e n c e s ,a n dt h ed i r e c t i o n a lh e x a g o n s e a r c hi sd e s i g n e dt oi d e n t i f yas m a l lr e g i o nw h e r et h eb e s tm o t i o nv e c t o ri se x p e c t e dt o l o c a t e f i n a l l y , t h es m a l l d i a m o n ds e a r c hi su s e dt os e l e c tt h eb e s tm o t i o nv e c t o ri nt h e l o c a t e ds m a l lr e g i o n 。e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dv s sa l g o r i t h mc a l l p r o v i d ec o m p e t i t i v ec o m p u t a t i o n a ls p e e d - u pa tt h ep r i c eo fs l i g h tq u a l i t yd e g r a d a t i o na s c o m p a r e dt ot h ep o p u l a rd i a m o n d s e a r c h ( d s ) a l g o r i t h mi nt h em p e g - 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d i s t o r t i o ne s t i m a t i o n u n d e rd i f f e r e n tn e t w o r kc o n d i t i o n s ,t h ep r o p o s e ds c h e m e c a l lp r o v i d em o r eu n i f o r mq u a l i t yd e g r a d a t i o nf o rt h er e c e i v e dv i d e os t r e a m s 上海交遇大学博士学位论文 k e yw o r d s :v i d e o s l r e a m i n g ,i n t r a - r c f r c s h ,r e f e r e n c ep i c t u r es e l e c t i o n , c h a n n e l a w a r ef r a m e d r o p p i n g , c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o n ,c o n d i t i o n a lf e e d b a c k , v a r i a b l es h a p es e a r c h ,f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 圭塑兰圣奎兰兰圭兰竺兰三 缩略语表 英文缩写英文全称中文含义 3 g p p 3 g p p 2 a c k a l f a p a r q a s o a t m a v c b m e c a f d c d m a c i f c r c c s m a d c t d p d s d t f e l f d e r p s f d m a f e c f g s f h f m o g e p g o p i d r 删r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c ti i a c k n o w l e d g m e n t a p p l i c a t i o nl e v e lf r a m i n g a c c e s sp o i n t a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a r b i t r a r ys l i c eo r d e r i n g a s y n c h o m o u st r a n s f e rm o d e a d v a n c e dv i d e oc o d i n g b l o c k m a t c h i n gm o t i o ne g i m m i o n c h a n n e l a w a r ef r a m ed r o p p i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m d a t ap a r t i t i o n i n g d i a m o n ds e a r c h d e a d l i n e - 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l a y e rf e e d b a c k v a r i a b l eb i t r a t e v i d e o c o d i n ge x p e r t sg r o u p v e r i f i c a t i o nm o d e l v i d e o - p a c k e tl o s sr a t e v i d e o r e d u n d a n c yc o d i n g v a i l a b l es h a p es e a r c h 用户数据报协议 不均等的链路层反馈 可变比特率 i t u 的视频编码专家组 校验模型 视频包丢失率 视频冗余编码 可变形状搜索 上海交通大学博士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明;所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独讧进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。
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