（通信与信息系统专业论文）蜂窝视频编码与传输中的容错技术研究.pdf

上海交通大学博士学位论文2 0 0 8 年1 月 摘要 随着第三代、第四代蜂窝移动通信技术的迅速发展，基于蜂窝网络的移动视 频业务正方兴未艾，吸引越来越多的注意力。但是，蜂窝网络的低带宽、高抖动、 高误码等特点，以及基于时域参考的预测编码机制，都导致了视频信息在蜂窝网 络上实时传输时面临包丢失造成的质量受损等挑战。虽然现有的视频编码标准都 提供了编码与传输的容错技术，但这些技术能否适用于蜂窝视频，需要进行验证 或有针对性地改进。本文主要针对蜂窝网络上视频编码与传输中的容错技术进行 了多方面的研究，这些研究工作对于蜂窝视频的实际应用具有重要意义。本文中， 蜂窝视频定义为基于蜂窝移动网络的无线视频通信。具体地说，本文的研究工作 可以概括如下： 首先介绍了蜂窝视频编码与传输所涉及的相关基础技术：视频编码的基本原 理及视频编码国际标准的发展历程、无线视频编码与传输中的容错技术现状及各 自特点。对蜂窝视频的应用场景及相关协议、面临的主要挑战和目前的研究方向， 也作了相应的阐述。 跨层设计打破了网络协议层次间的约束，通过对各层参数的提取分析和信息 共享，实现了资源的最优化配置并达到全局性能最优。论文对基于跨层技术的蜂 窝视频容错编码技术进行了研究，并提出了两个分别适用于下行和上行蜂窝网络 的容错视频编码方案。针对移动基站能够提供视频软件代理的情况，提出了基于 跨层丢帧的容错性视频编码方案：在链路层不对等重传的基础上，通过设计链路 层和应用层( 编码器) 跨层反馈，实现编码器动态的参考帧选择和刷新，将无线 信道突发的连续性丢帧错误扩散为主动的分散性丢帧，以达到更为有效的视频编 码传输和更高质量的接收端重建视频。考虑到在目前的2 5 g 移动基站上设置视 频代理需要巨大的改造和安装成本，提出了一种无需在基站上设置软件代理的蜂 窝视频容错编码方案。该方案面向上行蜂窝网络的视频传输，在不对现有蜂窝网 络移动基站软硬件进行改动或升级投资的条件下，通过基于预测的链路层丢帧感 知和链路层到应用层的跨层反馈，来实现编码器对信道波动的自适应策略调整， 从而达到增强的容错性能。仿真实验的结果表明：所提的基于跨层反馈的容错编 码方案均优于未考虑跨层技术的编码方案。 在基于蜂窝网络的移动流媒体等存储视频业务中，不对等错误保护是对信道 上海燹通大学博士学位论文 2 0 0 8 年1 月 等带宽资源进行优化分配的一种有效措施。而不对等保护的关键，是准确而快速 地进行不同视频内容单元( 宏块、片片组或帧) 的重要性判别。在对已有的传 输失真( 其大小用来判断内容单元的重要性) 估算方案研究分析的基础上，对蜂 窝网络上视频成帧丢失造成的图像组级( g o p 1 e v e l ) 传输失真的估算进行了建 模。首先，在分析传输误差的传播链路和g o p 级传输失真计算的基础上，利用 存储视频流中预先计算得到的运动矢量等信息，设计了一种g o p 级传输失真的 递推计算算法。在此基础上，通过对成帧丢失g o p 内失真传播曲线的统计分析， 提出了基于线性分段拟合的g o p 级传输失真快速估计模型。基于上述算法和模 型，发送端可以准确快速地估算出每帧图像的g o p 级传输失真，为图像帧不对 等重要性的准确判决提供依据。通过对不同场景下多个典型视频测试序列的仿 真，结果证实了本文所提算法和模型的准确性和鲁棒性。 灵活宏块排序( f m o ) 是h 2 6 4 a v c 标准提出的一种用来增强错误掩盖性 能的视频片划分技术。但f m o 存在分片之间重要性无法辨别的缺点，导致其难 以和u e p 技术进行联合应用。论文提出了一个新的用于不对等保护的视频片组 ( s l i c eg r o u p ) 划分方案。通过对基于r s 码的f e c 信道编码后视频包丢失概率 的推导分析发现，在片组划分的宏块分配比例和保护能力之间存在一个折衷。而 找到这个最优的折衷，即最优的片组间宏块分配比例，就会在给定信道资源条件 下得到最小的期望传输总失真。基于此，提出了一个用于不对等保护的失真最小 的片组划分方案。实验仿真结果表明，基于失真最小的视频分割方案在r - d 性 能上要优于现有的片组间宏块平均分配的划分方案。 论文最后介绍了自主设计的基于c d m a 2 0 0 0 1 x 的移动视频监控系统及其 容错措施。在设计实现了基于d s p 和c p u 的嵌入式实现- 甲台基础上，提出了提 出一套适于蜂窝刚络的、信道自适应的容错方案，有效地降低因发送码率与信道 有效带宽不匹配造成的拥塞丢包概率。同时，改进的a i m d 控制算法也提升了 信道带宽的利用率。该项目的成功验收和大量测试结果，表明了系统设计的成功， 也验证了信道自适应的容错策略的有效性。 关键词：蜂窝视频，容错技术，跨层反馈，不对等错误保护，g o p 级传 输失真，视频片组划分，拥塞控制 i i 上海交通大学博士学位论文 2 0 0 8 年1 月 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s si nd i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , v i d e oa p p l i c a t i o n so v e r3 go r4 gc e l l u l a rn e t w o r k sh 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 g a t t e n t i o n s d u et ot h el o wb a n d w i d t h ，l a r g eb a n d w i d t hf l u c t u a t i o na n dh i g hb u r s tl o s s r a t eo ft h ew i r e l e s sc h a n n e l s ，m o b i l ev i d e oc o m m u n i c a t i o no v e rc e l l u l a rn e t w o r k si s e x p e c t e d t o e x p e r i e n c e b u r s tp a c k e tl o s s e s ，w h i c hw i l lc a u s es e v e r e q u a l i t y d e g r a d a t i o n w h e nv i d e o b i t s t r e a m i n g a r e c o m p r e s s e du s i n gt e m p o r a l s p a t i a l p r e d i c t i o nm e c h a n i s m a l t h o u g ht h ep r e v a l e n tv i d e oc o d i n gs t a n d a r d sh a v ed e v e l o p e d m a n ye f f e c t i v ee r r o rr e s i l i e n c et e c h n i q u e s ，t h e r ea r em a n yw o r k sa r e n e e d e dt o d e v e l o pt h en o v e le r r o rr e s i l i e n c ea l g o r i t h m sw h i c hc a na d a p tt ot h ec e l l u l a rv i d e o c o m m u n i c a t i o nw e l l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef o c u so ns o m ek e ye r r o r - r e s i l i e n c e t e c h n i q u e si nc e l l u l a rv i d e oc o d i n ga n dt r a n s m i s s i o n i nt h ec o n t e x to fo u rw o r k ， c e l l u l a rv i d e oi sd e f i n e da st h ew i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o no v e rt h ec e l l u l a rm o b i l e n e t w o r k t os u m m a r i z e ，t h er e s e a r c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , a f t e rab r i e fo v e r v i e wo ft h ec u r r e n tm a i nv i d e oc o d i n gp r i n c i p l e sa n d s t a n d a r d s ，t h ee r r o r - r e s i l i e n c et e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l w ea l s og i v et h e d i s c u s s i o no ft h ea p p l i c a t i o ns c e n a r i o ，r e l a t e dp r o t o c o l s ，m a jo r c h a l l e n g e sa n d r e s e a r c hd i r e c t i o n sf o rt h ec e l l u l a rv i d e oc o m m u n i c a t i o n t h ee m e r g e dc r o s s - l a y e rt e c h n i q u ei sb r o a d l ya d o p t e df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n c r o s s - l a y e rt e c h n i q u eb r e a k s t h er e s t r i c t i o nb e t w e e nl a y e r s ，a n dt h u sj o i n t o p t i m i z a t i o nc a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e sa c r o s sd i f f e r e n tp r o t o c o ll a y e r s i nc h a p t e r2 ，w ed i s c u s st h ec r o s s - l a y e rb a s e de r r o r - r e s i l i e n c ec e l l u l a rv i d e oc o d i n gt e c h n i q u e sa n d p r o p o s et w oo r i g i n a ls c h e m e s t h e f i r s ts c h e m ei su s e df o rt h ed o w n l i n kc e l l u l a rv i d e o t r a n s m i s s i o n ，w h e r ear a d i o - l i n k l a y e r ( r l l ) v i d e oa g e n tc a nb ep r o v i d e db yt h em o b i l e b a s e - s t a t i o nt or e a l i z et h eu n e q u a l l i n k l a y e rr e t r a n s m i s s i o n ( u l r ) b a s e do nt h er e l i a b l e t r a n s m i s s i o no fr e l a t i v e l yi m p o r t a n tf r a m e su s i n gu l r t h ee n c o d e ra tt h ea p p l i c a t i o n ( a p p ) l a y e r c a na c t i v e l yd i s c a r dac e r t a i nn u m b e ro ff r a m e sa c c o r d i n gt ot h ee n d t o - e n df e e d b a c km e s s a g e s t h u s ，u n p r e d i c t a b l eb u r s tf r a m el o s s e sd u r i n gt r a n s m i s s i o nc a nb et r a n s f o r m e di n t os e l e c t i v e i i i 上海交通大学博士学位论文2 0 0 8 年1 月 f r a m ed i s c a r d i n ga tt h ee n c o d e r e x p e r i m e n t sr 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 ni m p r o v e b o t ht h ec o d i n ge f f i c i e n c ya n dt h ee r r o rr e s i l i e n c eo ft h er e a l - t i m ec e l l u l a rv i d e oc o m m u n i c a t i o n s i g n i f i c a n t l y f o rt h ec o n d i t i o nw i t h o u ta n yv i d e oa g e n ti nt h eb a s e s t a t i o n ，o n ee f f e c t i v ee r r o r r e s i l i e n tv i d e oc o d i n gs c h e m ei sd e s i g n e df o rt h ep r a c t i c a lu p l i n kc e l l u l a rv i d e od e l i v e r y u n l i k e t h ea b o v es c h e m e t h ep r o p o s e ds c h e m ea d o p t sar l la g e n ta tt h es e n d e rt oi m p l e m e n tt h e c r o s s l a y e rf e e d b a c k ：g e tt h ef r a m el o s s e si n f o r m a t i o n ( b yp r e d i c t i o no rt i m e - o u t - f r a m ed i s c a r d i n g ) a n ds e n di tt ot h ea p pl a y e rt oa d a p tt h ee n c o d e rw e l lt ot h ev a r y i n gc h a n n e l s s i n c et h ep r o p o s e d s c h e m ed o e sn o tn e e da n ya d d i t i o n a lc h a n g e s0 nt h ee x i s t i n gm o b i l eb a s e - s t a t i o n so ft h ec u r r e n t c e l l u l a rn e t w o r k ，i tp r o v i d e sam o r ef e a s i b l es o l u t i o nf o rt h ep r a c t i c a lc e l l u l a rv i d e o c o m m u n i c a t i o n u n e q u a ll o s sp r o t e c t i o ni sa l le f f e c t i v ee r r o r - r e s i l i e n c et o o lf o rt h er o b u s tw i r e l e s s v i d e os t r e a m i n g ac r i t i c a lc o m p o n e n ti nt h eu n e q u a l l o s s - p r o t e c t i o ns c h e m ei sa m e t r i cf o re v a l u a t i n gt h ei m p o r t a n c eo fd i f f e r e n tf r a m e si nag o ei nt h ee a s eo fv i d e o s t r e a m i n go v e r3 gm o b i l en e t w o r k s ，p a c k e tl o s su s u a l l yc o r r e s p o n d st ow h o l e - f r a m e l o s sd u et ol o wb a n d w i d t h a n ds m a l lp i c t u r es i z e ，w h i c hr e s u l t si nh i g he r r o rr a t e sa n d i n e f f e c t i v eo fm o s te x i s t i n gt r a n s m i s s i o n - d i s t o r t i o n - e s t i m a t em o d e l s i nc h a p t e r3 ，w e f i r s t l yd e v e l o pay e c u r s i v ea l g o r i t h mt oc o m p u t et h e g o p l e v e lt r a n s m i s s i o n d i s t o r t i o na tp i x e l l e v e lp r e c i s i o nu s i n gt h ep r e c o m p u t e dv i d e oi n f o r m a t i o n b a s e do n t h es t u d yo nt h ep r o p a g a t i n gb e h a v i o ro ft h ew h o l e - f r a m e l o s st r a n s m i s s i o nd i s t o r t i o n ， w et h e np r o p o s eap i e c e w i s el i n e a r - f i t t i n ga p p r o a c ht oa c h i e v el o w c o m p l e x i t y t r a n s m i s s i o nd i s t o r t i o nm o d e l i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e p r o p o s e dt w om o d e l sa r ea c c u r a t ea n dr o b u s t t h ep r o p o s e dt r a n s m i s s i o n - d i s t o r t i o n m o d e l sp r o v i d eat y p eo ff a s ta n da c c u r a t ei m p o r t a n c e a s s e s s m e n tt o o li na l l o c a t i n g l i m i t e dc h a n n e lr e s o u r c e so p t i m a l l yf o rt h em o b i l es t r e a m i n gv i d e o ad i s t o r t i o n m i n i m i z e ds l i c i n gs c h e m ei sp r o p o s e di nc h a p t e r4 ，w h i c hc a nb e u s e df o rt h eu n e q u a ll o s sp r o t e c t i o nw h e nd e l i v e r i n gc o m p r e s s e dv i d e ob i t s t r e a mo v e r p a c k e tn e t w o r k s u n l i k ee x i s t i n gs l i c i n gm e t h o d s ，t h ep r o p o s e ds c h e m eu s e s a n u n e q u a li n t e r - s l i c em a c r o b l o c k ( m b ) a l l o c a t i o nr a t i o f o rag i v e nc h a n n e lc o n d i t i o n ( p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ya n db i t s r e s o u r c eu s i n gf o rf e cc o d e s ) ，t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a nf i n do u tt h eo p t i m a lp a c k e tl e n g t ho ft h er e l a t i v ei m p o r t a n ts l i c eg r o u p ， 上海交通大学博士学位论文2 0 0 8 年1 月 w h i c hc o r r e s p o n d st ot h em i n i m a le x p e c t e de n d t o e n dd i s t o r t i o n b a s e do nt h a t p a c k e tl e n g t h ，c o r r e s p o n d i n gn u m b e ro fm b sw i t hm o s ti m p o r t a n c ea l eg r o u p e d t o g e t h e ri nas e p a r a t es l i c e b yp r o t e c t i n gt h a ts l i c e b e t t e ru s i n gu n e q u a ll o s s p r o t e c t i o n ，o p t i m a lr a t e d i s t o r t i o np e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e du s i n gt h ep r o p o s e d v i d e os l i c i n gs c h e m e f i n a l l y , w eg i v et h ei n t r o d u c t i o no ft h ec d m a 2 0 0 0 1xb a s e dw i r e l e s sv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mw h i c hi sd e v e l o p e da u t o n o m o u s l y i nt h i sp r o j e c t ，d s pa n dc p u b a s e de m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，a n da ni m p r o v e d c o n g r e s sc o n t r o la l g o r i t h mi sa l s od e s i g n e dt oa d a p tt h es y s t e mw e l lt ot h ev a r y i n g c e l l u l a rn e t w o r k u n l i k ee x i s t i n ga d d i t i o n a li n c r e a s ea n dm u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s i n g ( a i m d ) a l g o r i t h m ，i m p r o v e dc o n g r e s sc o n t r o ls c h e m eu s e sat i m e - w i n d o wb a s e dr a t e a d ju s t i n gs c h e m et of i l t e rt h es h o r t - t i m e s l o tb a n d w i d t hf l u c t u a t i o n ，w h i c hi sc a u s e d b yt h eb u r s tw i r e l e s sc h a n n e le r r o r sa n dc a nr e s u l ti nw a s t i n go ft h eu s a b l en e t w o r k b a n d w i d t h r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa n dp r a c t i c a lw o r k sa c c e p t a n c es h o wt h a tt h e s y s t e md e s i g ni ss u c c e s s f u la n dt h en e t w o r kc o n g r e s sc o n t r o li se f f e c t i v e k e yw o r d s ：c e l l u l a rv i d e o ，c r o s s - l a y e r f e e d b a c k ，u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ， g o p - l e v e lt r a n s m i s s i o nd i s t o r t i o n ，v i d e os l i c i n g ，c o n g r e s sc o n t r o l v 上海交通大学博士学位论文2 0 0 8 年1 月 英文缩略语 英文缩写英文全称中文含义 3 g 第三代移动通信系统 3 一g 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 3 g 标准化合作组织3 g 3 g p p 3 g p p 2 3 砌g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 标准化合作组织2 a c k a c k n o w l e d g m e n t 数据包正确接收反馈 a d u a p p l i c a t i o nd a t au n i t应用程序级数据单元 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 自动重传请求 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异步传输模式 黼ca d v a n c e dv i d e oc o d i n g高级视频编码 c c i rc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo fi n t e m a t i o n a l国际无线电咨询委员会 r a d i o c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c i fc o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t通用中问格式( 视频分辨 率的一种：3 5 2 x 2 8 8 ) c p uc e n t e rp r o c e s s i n gu n i t中央处理单元 c r c c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k 循环= 己余校验 d c td i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r l l离散余弦变换 d p c m d i f f e r e n c ep u l s ec o d i n gm o d u l a t i o n差分脉冲编码调制 d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g数字视频广播 d v d d i g i t a lv i d e od i s k数字视频光盘 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理 f e cf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错编码 f m 0 f l e x i b l em a c r o b l o c ko r d e r i n g灵活的宏块排序 f p s f r a m ep e rs e c o n d 帧每秒 f s mf i n i t e s t a t e m a c h i n e有限状态机 g o p g r o u po fp i c t u r e s 图象组 g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线服务 g s mg l o b a l s y s t e m f o rm o b i l e全球移动通信系统 c o m m u n i c a t i o n h d t v h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n 高清晰度电视 i e t fi n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e因特网工程任务组 i pi n t e r n e tp r o t o c o l互联蚓协议 v i 上海交通大学博士学位论文2 0 0 8 年1 月 i s o i e ci n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n国际标准化组织国际电 i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l工委员会 c ：o m m i s s i o n i t u ti n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n国际电信联盟远程通信 u n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n标准化组 j v tj o i n tv i d e ot e a m联合视频专家组 k l tk a r h u n e n l e o v et r a n s f o r m k a r h u n e n l e o v e 变换 m a dm e a na b s o l u t ed i f f e r e n c e 平均绝对误差 m c pm o t i o nc o m p e n s a t e dp r e d i c t i o n运动补偿预测 m p e g m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p 活动图像专家组 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 m t um a x i m u m 砌n s m i s s i o nu n i t 最大传输单元 n a c k n e g a t i v ea c k n o w l e d g m e n t 数据包出错反馈 0 s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t 开方式系统互联 p c mp u l s ec o d i n gm o d u l a t i o n 脉冲编码调制 p d a p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t个人数字助理 p s n rp e a ks i g n a lt on o i s er a t i o峰值信噪比 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 q c i fq u a r t e rc o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t1 1 4 通用中间格式( 视频 分辨率的一种：1 7 6 x 1 4 4 ) r dr a t e d i s t o r t i o n 率一失真 r p sr e f e r e n c ep i c t u r es e l e c t i o n参考帧选择模式 r sr e e d s o l o m o n 里德一所罗门( 一种纠错 码) r t pr e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l实时传输协议 r t c pr e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l实时传输控制协议 i 玎s pr e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c o l实时流媒体协议 r t tr o u n d t r i pt i m e 回程时延 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 t c p t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 u d pus e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报协议 v c e gv i d e o c o d i n ge x p e r t sg r o u p视频编码专家组 v l c v a r i a b l el e n g t hc o d i n g 可变长度编码 i 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， 独立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己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己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：多莨囊耘 日期：易右年( 月巧日 上海交通大学 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， 同意学校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。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密睇 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：讥秀p 矿 指导教师签名：拿卉乞芝 日期：炒年t 月7 3 日日期：九。孑年1 月工3 日 上海交通大学博士学位论文2 0 0 8 年1 月 1 1 引言 第一章绪论 从2 0 世纪6 0 年代末开始出现第一个蜂窝电话系统，到今天全球超过1 2 亿的 个人用户，蜂窝移动通信在全球范围内取得了突飞猛进的发展【l 】。随着i n t e m e t 网络 技术、多媒体压缩技术的迅速发展，以及蜂窝网络覆盖面的拓展和网络带宽的增 加，图像、语音、数据相结合的多媒体业务将成为移动通信必不可少的服务内容： 在提供高质量的语音业务和网络浏览、电子邮件收发等业务基础上，手机电视、 移动影院、交互式多媒体、视频监控和电子商务等更为丰富的多媒体服务已称为 蜂窝移动通信业务拓展的主要方向。为描述方便，在本文中将基于蜂窝移动网络 的无线视频通信，称为蜂窝视频。蜂窝视频通过便携终端和无线网络向移动用户 提供视频业务服务，为移动用户获取信息、娱乐以及人际交流，提供了新的通信 方式和业务享受，将实现通信由“听得见 到“看得见 的重大突破! 目前，该 业务已被看作3 g ( 第三代移动通信系统) 的“杀手级 应用1 2 ，3 1 。根据英国的市场 研究和咨询公司s t r a t e g ya n a l y t i c s 的预测，到2 0 0 8 年，全球将有1 亿5 千万的用户 使用移动视频业务【4 j 。 视频流能提供常规语音信号传输所不能比拟的多媒体信息，但蜂窝嘲络自身 的低带宽、高误码率的特点，导致蜂窝视频传输面临信道差错和帧丢失的挑战： 同时低码率视频流间的高依赖性也对误差纠错和传输鲁棒性提出了更高的要求。 虽然从2 0 世纪七十年代开始，人们就进行了视频压缩、鲁棒传输等技术的研究， 到目前为止也已经取得了丰硕的成果。但是，随着视频应用范围的拓展与质量要 求的提升，如何高效、可靠地在低带宽、高波动性的蜂窝网络上进行视频通信仍 然面临许多挑战。 无线蜂窝网络上进行多媒体通信尤其是视频通信，涉及到视频压缩、网络传 输、抗误码等多个方面的技术。本章从视频压缩原理、抗误码技术、蜂窝视频的 蜂窝视频编码与传输中的容错技术研究第一章绪论 挑战与方向等几个方面对蜂窝视频通信所涉及的技术进行简介，最后给出了本文 的内容安排。 1 2 视频压缩的原理和标准发展 1 2 1 视频压缩的基本原理 视频基本组成单元是图像。从信息论观点来看，图像是一个信源，描述信源 的数据是信息量和信息冗余量之和。信息冗余量有许多种，如空间冗余、时间冗 余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余等，数据压缩实质上是减少这些冗余量【5 】。视 频压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法。从信息论角度出发， 视频压缩编码算法原理上可分为两大类：( 1 ) 冗余度压缩方法，也称无损压缩、 信息保持编码或熵编码。具体讲就是解码图像和压缩编码前的图像严格相同，没 有失真；从数学上讲就是一种可逆运算。( 2 ) 信息量压缩方法，也称有损压缩、 失真度编码或熵压缩编码。也就是说解码图像和原始图像是有差别的，允许有一 定的失真。 - 目前视频压缩编码算法主要有以下几种典型的有损压缩编码方法： 预测编码：差分脉冲编码调$ i j ( d p c m ) 、运动补偿。 频率域方法：正交变换编码( 如d c t ) 、子带编码。 空间域方法：统计分块编码。 模型方法：分形编码、模型基编码。 基于重要性：滤波、子采样、比特分配、矢量量化。 预测编码又称为差分脉冲编码调制。其基本思想是利用图像象素之间的相关 性及人眼的视觉特性，对预测误差进行p c m 编码。编码器对当前样本值和预测值 的差值信号进行p c m 编码并传输，由于差值一般较原信号幅度低，因此更适合于 进行压缩。变换编码是对变换域中的变换系数进行量化编码。在诸多种变换编码 中，d c t 由于其性能十分接近均方误差最小意义下的最佳变换k l t 而得到广泛的应 用。子带编码【6 ，7 1 ( s u b b a n dc o d i n g ) 采用滤波和抽样技术将原始图像分解为若干 频带信号，然后对分解后的各个频带信号采用合适的编码方法进行压缩编码。在 2 上海交通大学博士学位论文2 0 0 8 年1 月 解码端，解码后的各频带信号经内插( 恢复到原始信号的尺度) 后用综合滤波器 重构输出信号。分形编码是建立在几何分形理论基础上的，它是利用图像中所存 在的分形特征，即图像中所存在的自相似性来进行图像表征。此方法可获得极高 的压缩比。矢量量化1 8 - 1 0 1 是根据s h a n n o n 率失真理论而提出来的一种量化方法。它 首先将n 个取样值构成一个n 维空间的矢量，然后对这一矢量整体进行量化。由于 矢量量化可以有效地利用矢量中各分量问的线性依赖性、非线性依赖性、概率函 数的形状以及矢量维数四种互相关联的性质，因而可以达到优于标量量化的量化 效果。 1 2 2 视频压缩国际标准的制定及发展历史 制定视频压缩标准的国际组织主要有两个：i t u t 和i s o i e c 。i t u t 推荐委 员会制定的大多数标准都是为实时视频通信应用的，例如h 2 6 1 、h 2 6 2 、h 2 6 3 和 h 2 6 4 ；另一方面，i s o i e c 的m p e g 标准大多是为视频