（信号与信息处理专业论文）联合信源信道编码方法的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 联合信源信道编码( j s c c ) 就是兼顾信源编码和信道编码，两种编码在彼此不独立的 情况下设计和运行，依靠通信系统各个部分的联合优化，使通信系统达到整体上的最优。 本文主要介绍了作者在联合信源信道编码方面所做的一些研究工作。重点研究了基于信 道不等差错保护的联合信源信道编码方案和基于帧内宏块刷新率( 口) 的联合信源信道 编码方案。 本文首先对与信源信道联合编码方案相关的一些必要背景知识作了简要介绍。然 后，对基于r c p c 不等差错保护的信源信道联合编码的设计方法进行了深入的研究。研 究中指出，信源编码后的码流均可按各部分的重要性级别分类，各部分受信道误码的干 扰程度不同可以采用不同的信道保护方案。本文采用了一种可生成多码率码的特殊的删 余卷积码r c p c 码作为信道编码技术，以实现不等差错保护机制( u e p ) 。实验证明 此方法要比采用同等差错保护机制( e e p ) 得到更佳的图像重建性能。 本文在分析基于不等差错保护联合方案的不足之后，进而详细研究了另一种基于帧 内宏块刷新率( 口) 的联合方案。此方案综合考虑了通信系统各个环节对整体性能的影 响，给出了信源编码的率失真预测模型( d 。) 和信道编码的统计模型( d 。) ，由 d = d ，+ d 。得端到端的失真模型。针对此模型本文在最佳刷新率卢的选取上以及帧内 宏块位置的选择上给出了自己的改进方法：采用数学求极值的方法计算端到端失真最小 情况下的最佳刷新率口；引入宏块运动复杂度的概念，并以此判断当前宏块的编码模式。 实验结果表明：经本文改进后端到端失真模型的效率大大提高，编码后图像信噪比 ( p s n r ) 也较原始方法有明显提高，恢复图像质量也得到了明显的改善。 关键词：联合信源信道编码；r c p c 码：复杂度：帧内宏块 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y o fj o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n gm e t h o d s a b s t r a c t j o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g ( j s c c ) m e t h o dc o n s i d e r sb o t hs o t l c ec o d i n ga n dc h a n n e l c o d i n g w h i c ha r e d e s i g n e d a n dr u n i n d e p e n d e n t l y i to p t i m i z e s d i f f e r e n t p a r t s o f c o m m u n i c a t i o ns y s t e mj o i n t l yt og e tt h ei n t e g r a t e do p t i m i z a t i o n j o i n t i n gs o u r c ec h a n n e l c o d i n gs c h e m eb a s e do nu n e q u a le r r o rp r o t e c t e da n di n t r am bu p d a t e ( 芦) a r ei n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ep a p e rg i v e s ab r i e fo v e r v i e wo ft h en e c e s s a r yb a c k g r o u n dk n o w l e d g e i n v o l v e di nd e s i g n i n gj s c cs c h e m e t h e nt h ej s c cs c h e m eb a s e do nr c p cu n e q u a le r r o r p r o t e c t e di si n v e s t i g a t e d i ts h o w st h a tt h ec o m p r e s s e db i t s t r e a m sc a r lb ec l a s s i f i e da c c o r d i n g t ot h e i ri m p o r t a n c ep r o p e r t y e a c hp a r to fb i t - s t r e a m sc a nb ep r o t e c t e db yu s i n gd i f f e r e n t c h a n n e lc o d i n gb e c a u s et h e ya r ei n f l u e n c e dd i f f e r e n t l yi nc h a n n e l u n e q u a le r r o rm e t h o di s d o n e r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e - - r c p ci sa d o p t e da st h ec h a n n e l c o d i n gt oc a r r yo u tt h eu e p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss c h e m ec a r lg e th i g h e r p i c t u r er e c o n s t r u c t e dp e r f o r m a n c et h a nt h a to fu s i n g e q u a le r r o rp r o t e c t e dm e t h o df e e p ) a f t e ra n a l y z i n gd i s a d v a n t a g e so ft h ej o i n t i n gs c h e m eb a s e do nu e p ，a n o t h e rj o i n t s c h e m eb a s e do i lt h eu p d a t eo fi n t r am b s ( ) i si n v e s t i g a t e d i nt h i ss c h e m e ，i n f l u e n c e c o m i n gf r o md i f f e r e n tp a r t so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sc o n s i d e r e d ，t h e nt h es o n r c ec o d i n g r a t e - d i s t o r t i o ne s t i m a t e dm o d e l ( d i ) a n dc h a n n e lc o d i n gs t a t i s t i c a lm o d e l ( d c ) a r eg o t f i n a l l yt h ee n dt oe n dd i s t o r t i o nm o d e ld = d s + d ci sg o t b a s e do nt h i se s t i m a t e dm o d e l ， n e wa l g o r i t h m si n 血es e l e c t i o no fo p t i m a li n t r am bu p d a t er a t e 口a n dt h es e l e c t i o no fi n t r a m b s p o s i t i o na r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r i no r d e rt om i n i m i z et h ee n d - t o e n dd i s t o r t i o n ， o p t i m a ! 口i so b t a i n e db yu s i n gt h em a t h e m a t i cm e t h o di nt h i sp a p e r t h e na c c o r d i n gt ot h e m b sa c t i v i t yc o m p l e x i t y ，t h ec o d i n gm o d eo fc u r r e n tm bi sf i x e do n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h m sc a l li n c r e a s et h ep s n rm o r et h a nt h eo r i g i n a ls c h e m e m o r e o v e r ，t h er e c o n s t r u c t e dp i c t u r eq u a l i t i e sa r ea l s ob e t t e rt h a nb e f o r e k e yw o r d s ：j o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g ；r c p cc o d e ；c o m p l e x i t y ；i n t r am b 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： l 氢遮 日期： 迎：! i ：绰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 ! 虱生 盘z 出年也月三l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本文研究的背景 随着计算机技术、现代通讯技术、微电子技术、网络技术和信息处理技术的不断发 展，特别是i n t e m e t 和个人无线移动通信的飞速发展，对多媒体通信的需求也日益增加， 其相关技术已成为当今通讯领域的研究重点和热点，在无线多媒体通信、多媒体电子邮 件、交互式多媒体、远程医疗、电子商务等应用中展现了广阔的前景。其中图像和视频 流传输技术作为多媒体通信的一个基本的组成部分，正日益受到重视，具体表现在以下 几个方面【1 - 2 1 ： ( 1 ) 社会对图像信息的处理、传输和交换的需求越来越迫切，这使图像通信技术面 临着一个巨大的市场需求，孕育着丰富的商业机会。 ( 2 ) 电子器件及设备处理能力和处理速度的大幅度提高，使图像的实时数字化处理 和传输成为可能，从而使以前提出的许多方法得以实现并有了实际用途。 ( 3 ) 图像通信的关键技术，例如图像压缩编码技术、交换技术和现代数字调制技术 己成为异常活跃的研究课题，吸引了越来越多研究工作者和企业家的兴趣，小波变换、 分形和基于模型的编码方法等相继问世，新理论、新方法和新技术层出不穷。 ( 4 ) 由于数字化图像传输质量高、处理方便、频带利用率高且易于集成化，数字化 的图像通信已成为当前和未来图像通信的主要发展方向。特别是在移动通信的3 g 和4 g 时代，数字图像和视频通信将是一项重要的移动业务。 与话音等其它信息相比，图像信息由于信息量很大，其所需的传输带宽比较宽。但 是在这其中往往存在各种信息冗余，为了在有限的信道容量下传输尽可能多的图像信 息，也就是降低数码率，必须要进行图像压缩。自从1 9 8 8 年以来，国际标准化组织( i s o ： i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o no fs t a n d a r d i z a t i o n ) 和国际电信联盟( i t u ：i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 针对不同的场合、不同的传输速率、不同的分辨率和不同的 视频质量要求制定了一系列的视频压缩编码国际标准。这些国际标准的制定大大加快了 视频压缩编码技术的产业化和视频通信的发展与应用。无论是国际电信联盟( i n j t ) ， 还是国际标准化组织( i s o m p e g ) 制定的压缩标准，虽然其指定的年代和应用的背景都 不同，但是他们所采用的基本编码原理确是相同的。都是因为图像在相邻像素间、相邻 扫描行间、活动图像的相邻帧间，都存在着较强的相关性，因而可以依据信息论中的信 源编码原理，去除这些相关性引起的冗余度。另一方面，图像始终是由人们通过视觉来 感觉的，可充分利用人的视觉特性实现图像压缩，以节省存储容量或传输信道的容量。 联合信源信道编码方法的研究 当前各种压缩方法都极大地提高了信源编码的效率，但同时也使得视频流对于传输 错误十分敏感。在无线通信系统中( 系统框图如图1 1 所示) 引起传输错误的根本原因是 信道内存在各种噪声以及信道传输特性不理想所造成的码间串扰。根据噪声性质的不 同，一般情况下可以把噪声信道分为随机噪声信道、突发噪声信道和组合噪声信道。某 些实际信道如卫星信道或深空信道就属于随机噪声信道，可近似看成二进制对称信道 ( b s c ) ；但也有许多实际信道如高频、射频、有线等信道，由于各种干扰所造成的错误 往往是有相关性的错误串，这就形成了突发错误信道；大多数信道则是既有随机噪声又 有突发噪声的组合噪声信道。无线通信系统要求传输过程中所造成的数据差错足够低。 通常，由信道线性畸变所造成的码间串扰可以通过均衡的方法来消除，因此研究中也只 把信道中的噪声作为传输差错的根本原因。为了提高无线通信系统的抗噪声性能，可以 采取增大发射功率，降低接收设备本身的噪声，选择好的调制制度和调制方式，即加强 天线的方向性等措施。但这只能将差错减少到一定程度，要迸一步提高通信的可靠性， 就需要采用信道编码技术，对可能或已经出现的差错进行控制，以提高视频通信的质量。 图1 1 视频传输系统基本框图 f i g 1 _ 1f r a m e w o r ko f v i d e ot r a n s f e rs y s t e m 1 2 面临的问题及解决方法 在无线信道中提供多媒体( 包括语音、图像和数据等) 等业务的支持已成为2 l 世纪 通信系统发展的必然趋势。然而它的实现势必要解决两大问题，其一是信源进行高效率 的压缩以充分利用有限的带宽信源编码问题；其二是对压缩后的信息进行纠错保护 以抗击信道或网络所带来的误码或数据丢失信道编码问题。由于信源编码压缩率的 提高将导致码流抗误码能力的降低，同时提高码流的抗误码性能又要以牺牲编码效率为 代价，因此信源编码和信道编码所要解决的问题在此意义上是相互矛盾的。 联合信源信道编码已被证明是一种行之有效的解决上述问题的编码技术。该技术将 通信系统的信源编码和信道编码联合考虑，进行最优化设计，并且允许根据不同的通信 网络或信道条件来调整信源编码的参数，或者根据信源编码以及输出码流的特性来选择 大连理工大学硕士学位论文 信道编码参数，这种方法比将最优的信源编码方案与最优的信道编码方案相级联的传统 方法更加有效。很适合于各种违背s h a n n o n 信源信道分离理论的情况。主要应用于以下 三个方面： j ( 1 ) 在系统对资源约束条件( 数据在信道传输的速率或称带宽，系统的复杂度，实时 系统的时延等) 严格的条件下，联合信源信道编码可以通过在信源编码和信道编码之间 合理的分配编码码率来达到系统的最优化设计。 ( 2 ) 在多用户共用信道的情况下( 如：无线通信系统) ，多用户在有限的带宽资源下 竞争地传输信息，一个用户成为另一用户的干扰，采用联合信源信道编码可以限制用户 间的干扰，从而提高系统的整体性能。 ( 3 ) 在信源或信道的特性具有不确定性的情况下。无线信道是一个典型的时变信道， 采用联合方法将有助于使系统品质适度的在一个期望的信道条件范围内变化。 可见，联合信源信道编码方法在改善无线信道系统传输音频、视频的能力上已经显 示出极大的优越性，简化系统结构，降低实现的复杂度，对联合方法的进一步探索将具 有很高的研究价值。 信源信道联合编码解决了信源信道分离技术不能充分利用资源的缺点，大体上它可 以分为3 类【3 】：第一，基于信源编码的信道编码或调制方式的优化；第二，基于信道编 码的信源编码的优化；第三，信源信道的联合设计，一般用迭代方式实现。 1 3 本文研究内容 本文对联合信源信道编码技术在无线衰落信道中的传输应用进行了研究，详细分析 了基于不等差错保护的联合编码方案，在总结其优缺点基础上，对基于帧内宏块刷新率 的联合信源信道优化方法的设计理念和实现方法作了深入探讨，分析其不足，给出了相 应的改进。具体工作如下： ( 1 ) 不等差错保护机制克服了传统的信道编码只能给予各部分数据相等保护的缺 点，可以根据信源码流信息的重要性程度来决定对各部分数据采用不等的保护措施，实 现了图像在无线信道有针对性的差错控制传输，在保证传输质量的同时可以有效的利用 信道有限的带宽资源。在该编码传输系统中，首先对信源输出的码流进行重要性分类， 分成重要比特流信息部分( s b ) 和不重要比特流信息部分( i b ) ，然后采用自适应删余卷积 码( r c p c ) 对分类后的比特流进行不等差错保护。实验证明与均等错误保护机制相比， 这种保护方案可以在接收端获得较好的重建质量。 ( 2 ) 基于不等差错保护的联合信源信道编码仅考虑了信源编码后比特流的特性，未 对比特流的传输信道环境进行分析，信道的突发性误码是不可测的，所以这种方案的缺 联合信源信道编码方法的研究 点就是在对比特流进行保护的同时没有考虑到信道的条件，这样，在设计信道时，若要 保证一定的传输质量，就必须为最差的信道情况设计保护策略，当信道条件好时，由于 过量的比特用作保护，而过少的比特用于信源编码导致编码效率降低。因而我们又研究 了基于帧内宏块刷新率的联合编码方法。在详细分析了信源率失真预测模型和信道的 统计失真模型之后，得出了端到端的总率失真预测模型。再对总率失真模型进行优化， 得到最小失真情况下，最佳的信源信道编码参数及最佳的码率分配方案。 ( 3 ) 进一步分析方案( 2 ) 中的不足，对不足之处做出了相应的改进，实验证明改进后 的效果要明显优于方案( 2 ) 。 1 4 本文结构安排 本论文章节内容安排如下： 第一章：绪论。简要介绍了联合信源信道编码研究背景，研究内容以及应用范围。 第二章：信源、信道编码理论。阐述了信源压缩编码和信道纠错编码的一些基本理 论，对现有的视频压缩标准和信道编码方法做了概括总结。 第三章：联合信源信道编码概述。对联合信源信道编码方案进行了总结，概括分析 了前人提出的各种方法。 第四章：基于r c p c 不等差错保护的联合编码方案。对信源特性进行了详细分析， 进而与r c p c 不等信道编码方法联合，最终给出实验结果。 第五章：基于i n t r am b 刷新的差错控制方法。针对基于不等差错保护联合方案的不 足，引入了基于帧内宏块刷新率方法，并具体分析了几种典型的刷新方法。 第六章：基于帧内宏块刷新率( ) 的联合优化策略及改进。在详细探讨了信源率失 真模型和信道统计失真模型的基础上，着重分析了端到端的总率失真预测模型及其性 能，从中发现其不足之处并给予改进。对口的选取，采用数学求极限的方法的得到最佳 声的求解表达式，并给予了理论证明；在帧内宏块位置的选择上，引入了宏块运动复杂 度m a d 。d 的概念，依据m a d 。d 的大小选择最佳的帧内宏块位置。最后给出了仿真结 果并进行了对比分析。 第七章：总结和展望。对本文工作的总结和对联合信源信道编码方法的研究展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 信源、信道编码理论 2 1 信息论的编码知识 信息论解决了通信中的两个基本问题：信源编码和信道编码。首先对于信源编码， “达到不失真信源压缩编码的极限( 最低) 编码速率是多少? ”这一问题。s h a n n o n 对这问 题的答案是，这个极限速率等于该信源的熵h 。s h a n n o n 认为每个随机过程不管是音乐、 语言、图像，都有一个固有的复杂性，该随机过程不能被无失真的压缩到该固有复杂度 之下，这个固有复杂性就等于该随机过程的熵。 信息论对通信解决的第二个问题是关于信道编码方面的。s h a n n o n 在他的开创性论 文通信的数学理论中，提出了著名的有噪信道编码定理，定理指出：对任何信道， 只要信息传输速率r 不大于信道容量c ，就一定存在这样的编码方法：在采用最大似然 译码时，其误码率可以任意小。该定理在理论上给出了对给定信道通过编码所能达到的 编码增益的上限，并指出了为达到理论极限应采用的译码方法。在信道编码定理中， s h a n n o n 提出了实现最佳编码的三个基本条件： ( 1 ) 采用随机编译码方式； ( 2 1 编码长度一o o ，即分组的码组长度无限： ( 3 ) 译码采用最佳的最大似然译码算法。 在满足这三个条件的前提下，s h a n n o n 认为在有噪信道中可以实现无差错传输。由 此可见，在传输图像、信息及文字等信息时，只要信息传输速率小于信道容量c ，传输 的错误概率可以任意的小，反之，如果超过信道容量，则传输的错误是不可避免的。对 每个信道可以根据它的噪声干扰特征计算出它的容量。在这编码定理的理论引导下， 人们开始了对设计出信道好码的探索与研究。信道编码定理为人们探索信道的最佳编码 方案提供了理论依据，但并没有指明如何获得好码。但经过前人的不懈努力，已经研究 出了多种信道编码方案，如r s 码、卷积码、级联码等。每一种编码方案的提出，性能 虽有所提高，但距s h a n n o n 极限还有很大距离的。 在实际的信息传输系统中，必须限制传输码流的码长、复杂性以及系统的时延，因 此必然会导致性能的下降，这和s h a n n o n 编码定理的假设是矛盾的。在许多情况下，采 用独立编码技术并不能获得满意的效果。例如噪声严重的衰落信道( 移动通信信道) ，其 独立编码技术不能满足要求。若能将信源编码和信道编码两种编码合二为一，可使编译 码器更理想化。在经济上可能也更优越。 联合信源信道编码方法的研究 2 2 信源编码概述 2 2 1 经典的压缩编码方法 数据压缩的理论研究开始于s h a n n o n 的信息论。1 9 4 8 年s h a n n o n 的经典论文通信的 数学原理首次提到了信息率一失真函数的概念，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。从此理论出发不难得到数据压缩的两种基本途径：其 一，设法改变信源的概率分布，使其尽可能的非均匀，再用最佳编码方法使平均码长逼 近信源熵；其二，联合信源的冗余度也寓于信源间的相关性之中。除去它们之间的相关 性，使之成为或差不多成为不相关信源。 经典方法 4 1 中的无损压缩方法，虫i h u f f m a n 编码、算术编码、游程编码等，基于上 述的基本途径一，其压缩效率都以其熵为上界。估计压缩比饱和于1 0 ：1 左右。有损压 缩方法，如预测编码、变换域编码、混合编码、矢量量化等基于基本途径二，同时也大 都受信息熵的约束。 虽然经典方法依据了图像本身固有的统计特性和利用人眼视觉系统的某些特性进 行压缩编码，但是利用的还不够充分，且伴随着感知生理心理学的发展，人们越来 越清楚地认识到，人的视觉感知特点与统计意义上的信息分布并不一致，即统计上需要 更多的信息量才能表征特征，对视觉感知可能并不重要。从感知角度来讲，无需详细表 征这部分特征。这时，压缩技术的研究就突破了传统s h a n n o n 理论的框架，注重对感知 特性的利用，i p n 用所谓的“感知熵”理论，使得压缩效率得以极大提高，我们称其为 现代压缩编码方法【4 】。 2 2 ，2 现代压缩编码方法 伴随着数学理论，如小波变换( w t ：w a v e l e tt r a n s f o r m ) 、分形几何理论、数学形 态学等以及相关学科，如模式识别、人工智能、神经网络、感知生理、心理学等的深入 发展，新颖高效的现代压缩方法相继产生。 子带编码( s b c ：s u b b a n dc o d i n g ) 利用滤波器组( f b ：f i l t e rb a n k s ) ( 分解滤波器) 将 图像分割成不同频率的分量，在对这些分量进行亚抽样，形成子带图像，最后对不同的 子带图像分别用与其相匹配的方法进行编码压缩。在解码端，将解码后的图像补0 ，放 大，并经合成滤波器的内插，将各予带信号相加进行图像重建。s b c 的关键技术就是滤 波器组f b 的设计。针对这一问题，已经有不少学者作了大量的研究工作【5 叫。 小波变换( 、v t ) 可以提供一个更合理的子带多分辨率分析时一频表示框架，丰 富了子带编码的研究。小波表示介于空间域和时间域之间，此时若小波函数是正交的则 没有冗余信息。由小波函数构造的滤波器组是正交的，且具有一定的光滑性。小波函数 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 稀疏的时宽带宽积很小，且在时间和频率轴上都很集中，也就是说w t 系数的能量集中， 并且不同频带之间的w t 系数相关联。据此，有人提出零树矢量量化方法【7 】。它可以达 到上百倍甚至几百倍的压缩比和重建图像的可分辨率，且可按不同的压缩比编码。灵活 性大。 分形编码【8 i ( f r a e t a lc o d i n g ) 自2 0 世纪8 0 年代中后期b a m s l e y 等人提出后，无论在理论 上还是在实现方式上，都完全不同于传统的压缩编码方法( d p c m 、d c t 、v q 等) 。它突 破了以往图像变换编码的格局以及熵压缩编码的理论界限，利用自然图像不同尺度下区 域之间存在的某种相似性特征，用一组仿射函数一迭代函数系统( i f s ：i t e r a t e d f u n c t i o ns y s t e m ) 来描述待编码图像。在传输和存储时，只需传输和存储仿射函数的参数， 从而达到高效压缩的目的。 2 2 3 图像压缩编码的国际标准 数据压缩技术的迅速发展促使国际标准化组织( i s o ) 及国际电信联盟( i t u ) 制定出 了一系列视频压缩编码的国际标准【9 】，按推出的先后顺序有h 2 6 1 、m p e g i 、m p e g 2 、 h 2 6 3 、m p e g 4 和h 2 6 4 等。其中h 2 6 1 、m p e g l 、m p e g 2 和h 2 6 3 是采用第一代压缩编 码方法，如预测编码、变换编码、熵编码以及运动补偿；而m p e g 4 和h 2 6 4 则是采用第 二代压缩编码方法，如分段编码、根据模型的编码和基于对象的编码等。下面对几种比 较成熟的压缩编码标准作简要介绍。 ( 1 ) h 2 6 1 h 2 6 1 是i t u t 第1 5 研究组于1 9 8 4 1 9 8 9 年制定的针对可视电话和视频会议等业务 的视频压缩标准，目的是在窄带综合业务数字网( n i s d n ) 上实现速率p x 6 4 k b p s 的x y , 声像业务，其中p = 1 3 0 。主要应用于视频会议和可视电话。 h 2 6 1 压缩编码算法是种采用帧间编码减少时间冗余、变换编码减少空间冗余的 混合编码方法，具有压缩比高、算法复杂度低等优点。由于会话双方都需要同样的编码 器和解码器，故h 2 6 1 标准的一个特点是编、解码器的复杂程度相当。仅使用i 帧和p 帧， 格式为每一对i 帧之间有3 个p 帧。在i 帧和p 帧中每6 个8 x 8 的像素块( b l o c k ) 构成一个宏块 ( m i c r o b l o e k ) ，其中包括4 个亮度( y ) 块和2 个色度( c r 和c b ) 块。每个宏块都会有一个专 门的地址来标识宏块本身，另外还会有一个类字段，用来说明该宏块是独立编码( 帧内 编码) ，还是参考前一帧内的宏块进行了帧间编码。一定数量的宏块构成一个块组 g o b ( g r o u po f b l o c k ) ，若干块组构成一帧图像。块层、宏块层、块组层和帧层4 个层次 中每个层次都有说明该层次信息的头( h e a d e r ) ，编码后的数据和头信息逐层复用就构成 了h 2 6 1 的码流。 联合信源信道编码方法的研究 ( 2 ) m p e g l m p e g l 由i s o 和i e c ( 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 lc o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 的 共同委员会中的活动图像专家组m p e g ( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t s g r o u p ) 为速率1 5 m b p s l 拘 数字声像信息的存储而制定的。它通常用于能够提供录像质量( v h s ) 视频节目的光盘存 储系统，图像采用s i f ( s o u r c e i n t e r m e d i a t e f o r m a t ) 格式，图像分辨率为3 5 2 x 2 8 8 像素，双 声道立体声伴音具有c d ( 激光唱盘) 音质。 m p e g l 码流的构成分为6 个层次：最高层为视频序列层，然后依次为图组层、图层、 条层、宏块层和块层。其中，每一层都支持一个确定的函数，或者是一个信号处理函数 ( d c t ，m c ) ，或者是一个逻辑函数( 同步，随机存储点) 等。m p e g l 支持的编辑单位是 图组和音频帧，通过对包头图组的信息和音频帧头进行修改，可以完成对视频信号的剪 接。由于m p e g l 的主要应用领域为视频和伴音的存储，因此采用逐行扫描，帧频率分别 为3 0 h z ( n t s c 铜 式) 和2 5 h z ( p a l $ , 式) 。m p e g l 采用的图像有3 种类型：帧内编码图( i 图) ，预测编码图( p 图) 和双向预测编码( b i d i r e c t i o n a l l yp r e d i c t i v ec o d e d ) 图( b 图) 。 m p e g l 中压缩编码数据流是i 、p 和b 图的组合，这些图的组织结构十分灵活。在m p e g l 中必须通过i 图来提供各种与v c r 相关的随机接入操作，通常人们可接受的最大随机接 入时间是0 5 s 。随机接入时间以及图像质量是影响序列中i 图之间间隔的主要因素。 ( 3 ) m p e g 2 m p e g 2 是由活动图像专家组和i t u t 的第1 5 研究组于1 9 9 4 年共同制定的。在i t u 标 准中，m p e g 2 被称为h 2 6 2 。m p e g 2 标准是一个通用的标准，它克服并解决了m p e g l 不能满足日益增长的多媒体技术、数字电视技术、多媒体分辨率和传输率等方面的技术 要求上的缺陷，即能在很宽范围内对不同分辨率和不同输出比特率的图像信号有效地进 行编码，它的编码效率为4 m b p s 1 0 0 m b p s 。m p e g 2 标准广泛应用于多媒体、视频会议 9 视电话、数字电视、高清晰度电视( h d t v ) 、广播、通信和网络等领域。m p e g 2 视 频体系向下兼容m p e g l ，其图像分辨率有低( 3 5 2 x 2 8 8 ) 、中( 7 2 0 x 5 7 6 ) 、高 1 4 4 0 ( 1 4 4 0 x 1 1 5 2 ) 和高( 1 9 2 0 x 1 1 5 2 ) 4 种级别。对于每一个级别，m p e g 2 又分为5 个档次 ( p r o f i l e ) ：简单( s i m p l e ) 、主( m a i n ) 、空间分辨率( s p a t i a lr e s o l u t i o n ) 、量化精度 ( q u a n t i z a t i o na c c u r a c y ) 和高( h i g h ) 。这样，4 种级别和5 个档次组合起来构成一个二维 表，作为m p e g 2 的标准框架，这有利于在现有标准的基础上做相应的改进和新标准的建 立。虽然制定m p e g 2 比m p e g l 晚，但是它们在技术手段和基本理念上并没有多大的差 别。由于m p e g 2 在提高图像分辨率和兼容未来的数字电视方面做了一些补充，造成它与 m p e g i 存在如下差异： 向量的精确度提高到半个像素； 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 由于关键帧里存在特殊向量，扩展了错误冗余； 离散余弦变换可选择精度； 超前预测模式； 质量伸缩性( 在同一视频流中容忍不同质量的图像) 。 ( 4 ) h 2 6 3 h 2 6 3 标准是i t u t 于1 9 9 5 年制定的甚低比特率视频压缩编码标准，其传输码率可以 低于6 4 k b p s 。h 2 6 3 特别适用于无线网络、p s t n 和因特网等环境下的视频传输，所有的 应用都要求视频编码器输出的码流在网络上进行实时传输。为了提高编码效率，增强编 码功能，i t u t 对h 2 6 3 进行了多次补充，补充修订的版本有1 9 9 8 年制定的h 2 6 3 + ，2 0 0 0 年制定的h 2 6 3 + + 。h 2 6 3 标准采用的是基于运动补偿的d p c m 的混合编码，在运动矢量 搜索的基础上进行运动补偿，然后运用d c t 变换和“之”字扫描游程编码，从而得到输 出码流。h 2 6 3 可以处理以下5 种图像格式：s u b q c i f ，q c m ，c i f ，4 c i f 和1 6 c i f 。h 2 6 3 视频编码器的基本结构与h 2 6 1 基本类似。h 2 6 1 编码器由于仅使用了i 帧和p 帧，所以一 定要采用较高的量化阈值和低的频率，才能输出相对较低的码率，因此当码率低于 6 4 k b p s 时输出的图像质量较差。使用高阙值量化和使用低阈值量化所编码的宏块之间的 差别导致了所谓的方块效应：而使用低帧率会使物体的运动看起来不连续。为了减少上 述方法带来的不利影响，h 2 6 3 在h 2 6 1 的基础上，运动估计采用半像素精度，同时又增 加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码模式、先进的预测模式和p b 帧模式等4 种可 选编码模式。h 2 6 3 + 增加了1 2 个新的高级模式，并修正了h 2 6 3 中的一个模式。h 2 6 3 + + 则又增加了3 个高级模式。h 2 6 3 标准版本升级主要体现在增加或修正些高级编码模 式，即保持了对旧版本的兼容，又增加了新的功能。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。 ( 5 ) m p e g 4 活动图像专家组于1 9 9 9 年2 月正式公布了m p e g 4v 1 0 版本，同年1 2 月又公布了 m p e g 4v 2 0 版本。m p e g 4 标准的应用范围主要是因特网以及娱乐网上的各种交互式多 媒体应用。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( o b j e c t ) ，并对 其进行操作。更具体地说，m p e g 4 标准主要针对可视电话、视频电子邮件和电子新闻等， 其传输码率要求较低，在4 8 0 0 6 4 0 0 b p s 之间，分辨率为1 7 6 x 1 4 4 像素。m p e g 4 除采用变 换编码、运动估计与运动补偿、量化、熵编码等第一代视频编码核心技术外，还提出一 些新的有创见性的关键技术，充分利用人眼视觉特性，抓住图像信息传输的本质，从轮 联合信源信道编码方法的研究 廓、纹理思路出发，支持基于视觉内容的交互功能。m p e g 4 标准同以前标准的最显著差 别在于它采用基于对象的编码理念，即在压缩之前每个场景被定义成一幅背景图和一个 或多个前景音视频对象，然后背景和前景分别进行编码，再经过复用传输到接收端，然 后再对背景和前景分别解码，从而组合成所需要的音视频。m p e g 4 视频编码器编码时， 首先形成视频对象( v o ：v i d e oo b j e c t ) ，即从原始视频流中分割出v o ，然后由编码控制 机制为不同的v o 以及描述各个v o 的3 类信息即运动信息、形状信息和纹理信息分配码 率，再将各个v o 分别独立编码，最后将各个v o 的码流复合成一个位流。其中，在编码 控制和复合阶段可以加入用户的交互控制或智能化算法的控制。解码基本上为编码的逆 过程。m p e g 4 视频编码器标准支持以下新的功能：基于内容的交互性；高效的压缩 性；通用的访问性。 ( 6 ) h 2 6 4 ，a v c h 2 6 4 标准是由i t u t 的视频编码专家组( v c e g ) 和i s o i e c 的活动图像专家组共同 成立的联合视频小组( t ：j o i mv i d e ot e a m ) 于2 0 0 3 年3 月公布的。h 2 6 4 也称m p e g 4 的第1 0 部分，即高级视频编码( a v c ：a d v a n c e dv i d e oc o d i n g ) 。h 2 6 4 是在i t u t 增强型 多媒体通信标准h 2 6 l 基础上提出的，它继承了h 2 6 3 、m p e g l 、m p e g 2 和m p e g 4 的优 点，在沿用m c d c t 结构，即运动补偿加变换编码的混合( h y b r i d ) 结构基础上，增添了 类d c t 整数变换、基于上下文的变长编码( c a v l c ) 和基于上下文的二元算术编码 ( c a b a c ) 等新技术，进一步提高了编码算法的压缩效率和图像播放质量。与以往标准 相比，在相同失真率条件下h 2 6 4 的编码效率提高了5 0 左右。 h 2 6 4 采用“网络友好”的结构和语法，达到提高网络适应能力的目的，以适应i p 网络和移动网络的应用。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 ： v i d e o c o d i n g l a y e r ) 负责高效率的视频压缩能力；网络抽象层( n a l ) 负责以网络所要求 的恰当的方式对数据进行打包和传送。h 2 6 4 标准有三个档次，分别是基本档次、主档 次和扩展档次。每个档次都定义了一系列的编码工具或算法。低于1 m b p s 的低延时会话 业务使用基本档次，具体应用有h 3 2 0 会话视频业务、3 g p p 会话h 3 2 4 m 业务、基于 i p r t p 的h 3 2 3 会话业务和使用i p r t p 和s i p 的3 g p p 会话业务。带宽1 8 m b p s 且时 延0 5 2 s 的娱乐视频应用使用主档次，具体应用有广播通信、d v d 和不同信道上的 v o d 。带宽5 0 k b p s 1 5 m b p s 且时延2 s 或以上的流媒体业务使用基本档次或扩展档次， 如3 g p p 流媒体业务使用基本档次，有线i n t e m e t 流媒体业务使用扩展档次。其他低比 特率和无时延限制业务可以使用任意档次，具体应用有3 g p p 多媒体消息业务和视频邮 件。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 信道编码概述 无线信道受到各种噪声和衰落的影响，在这种环境下传输高压缩的视频码流必将引 起图像质量的严重降级。比特误码率是衡量信道优劣程度的重要指标，定义为在传输的 比特总数中发生差错的比特数所占的比例( 平均值) 。一般情况下有两种途径降低误码率 以满足系统要求：首先，降低信道( 调制解调器传输媒介) 本身引起的误码率，采用增 加发射功率、利用高增益天线、低噪声放大器等主要方法来改善无线信道环境。但是在 某些情况下，信道的改善可能比较困难或者不经济，这就要求采用信道编码，以便满足 系统差错率的技术指标要求。所以，另一种途径，就是采用信道编码，在无线通信系统 中增加差错控制部分，以减少信道干扰的影响。 信道编码，又称差错控制编码，它通过增加一定的冗余度使发送的编码比特数据具 有一定的规律性，而在接收端根据这一预定的规律进行检测，从而发现或纠正差错。采 用信道编码不仅可以提高通信的可靠性和准确性，通过采取错误控制措施，减小误码率， 确保数据的可靠传输和重放；还可以节省频率资源，以便于在有限的频带内传送尽可能 多的多路视频节目。常用的信道编码按照回路性质可分为：反馈信道编码、无反馈信道 编码和混合信道编码。 2 3 1 反馈信道编码 反馈信遁编码的典型技术就是检错重发( a r q ) 技术。它在信道中设计一反馈回路， 当解码器发现带误码的数据包后，通过反馈回路通知信源重发，反复重复此过程，直到 收到正确的码字为止。a r q 技术由于需要重新发送分组，从而带来大量冗余数据。网络 丢包率太高时，重传不仅不能解决丢包问题，由于循环重传而会导致网络性能的急剧下 降，从而带来更大的传输延迟。有选择性的重传可以在一定程度上降低延迟，可以作为 一般应用下的视频传输方案。但考