（计算机软件与理论专业论文）无线局域网视频传输技术研究.pdf

摘要 无线局域网 ( wl a n , wi r e l e s s l a n)由于组网灵活，可为用户提供实时的无 处不在的网络接入， 而取得飞 速发展。 随着无线局域网带宽的增加以及视频编解 码技术的发展，视频传输在w l a n的应用中占 据了重要地位，展示了广i?g i 的应 用前 景。 另一方面， 由 于无线信道的不可靠性和带宽波动性以 及视频应用的高 数 据量、实时性强等特点，如何提高无线视频传输的质量成为研究的热点与 难点。 无线局域网 视频传输技术的 研究近儿 年才刚刚展开， 有很多问 题值得我们研究和 解决。 本文对无 线视频传输技术进行了深入研究， 重点研究了在无线视频传输应用 中极具潜力的精细分级视频编码技术以及无线局域网的视频传输技术， 并在此基 础上对无线局域网视频传输进行有益的探索.，论文主要完成的工作包括: 1 .深入研究了精细分级视频编码技术以及无线视频传输技术。 2 .对目前典型的无线局域网视频传输技术进行了总结与分析。 3 .深入研究了适用于无线视频传输的基于分级视频流的不平等擦除保护 ( u x p )技术，并对u x p的 r t p封装进行了改进，从而能够对分级视 频流的基本层和增强层应用不同的保护策略。 4 在对8 0 2 . 1 1 无线局域网视频传输技术研究的基础上提出了一种自 适应交 叉层视频传输方法，有效地提高了端到端的视频传输质量。 5 针对无线视频传输的特点提出了一种改进的时域差错掩盖算法，并结合 自 适应差错掩盖方法将其应用到无线视频传输中，进一步改善了视频的 传输质量。 关键字:无线局域网、视频传输、m p e g - 4 、精细分级编码、u x p .自 适应交又 层视频传输、差错处理、差错掩盖 ab s t r a c t wi r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ( wl a n ) , w h ic h p r o v i d e s b e t t e r fl e x i b i l it y a n d n e t w o r k s a c c e s s a n y t i m e , a n y w a y t h a n t h e i r w i r e d c o u n t e r p a rt , i s u n d e r g o i n g r a p i d d e v e l o p m e n t . f u r t h e r m o r e , w i t h t h e e v e r - i n c r e a s i n g b a n d w i d t h a n d t h e d e v e lo p m e n t o f v i d e o e n c o d e c , v id e o t r a n s m i s s i o n o v e r wl a n h a s b e c o m e a n i m p o rt a n t p a rt o f wl a n a p p l i c a t i o n s a n d i s w it n e s s i n g m o r e w i d e p r o s p e c t s . o n t h e o t h e r h a n d , w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f w i r e l e s s c h a n n e l a n d t h e v i d e o a p p l i c a t io n c h a r a c t e r i z e d b y m a s s i v e d a t a , h a r d r e a l - t i m e r e q u ir e m e n t s , i m p r o v i n g t h e q u a l i t y o f v i d e o t r a n s m i s s i o n o v e r wl a n h a s b e c o m e t h e f o c u s a n d d i f f i c u l t y o f r e s e a r c h . t h e r e s e a r c h o n v i d e o t r a n s m i s s i o n o v e r wl a n i s c a r r i e d o u t o n l y i n r e c e n t y e a r s , h a v i n g m a n y p r o b l e m s n e e d e d t o r e s e a r c h a n d r e s o lv e . i n t h i s p a p e r , t h e p r o f o u n d r e s e a r c h o n w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y i s c a r r i e d o u t , w i t h t h e e m p h a s i s o n f i n e g r a n u l a r i t y s c a l a b i l it y c o d i n g a n d t h e v i d e o t r a n s mi s s i o n o v e r wl a n . o n t h e b a s i s o f t h e s e r e s e a r c h w o r k s , t h i s t h e s i s ma k e s in s t r u c t i v e e x p l o r a t i o n f o r v i d e o t r a n s m i s s i o n o v e r wl a n a n d i t s m a i n w o r k i n c l u d e : 1 . t h e p r o f o u n d r e s e a r c h e s o n f g s a n d w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e s a r e c a r r i e d o u t . are际 2 . t h e v i d e o t r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e s o v e r wl a n b a s e d i e e e 8 0 2 . 1 1 s u m m a r i z e d a n d a n a l y s e d i n d e t a i l . 3 . t h e p r o f o u n d r e s e a r c h o n u x p ( u n e q u a l e r a s u r e p r o t e c t i o n ) t e c h n i q u e p r o g r e s s i v e v i d e o s t r e a m i n g , w h i c h e s p e c i a l l y c a t e r s f o r w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s i o n , is c a r r i e d o u t . f u r t h e r m o r e , i m p r o v e d m e t h o d f o r u x p r t p e n a b l i n g d i ff e r e n t p r o t e c t i o n p o l i c y f o r b a s e v i d e o s t r e a m i n g i s p r e s e n t e d . a n d e n h a n c e m e n t l a y e r 4 a n e w a d a p t i v e c r o s s - l a y e r v i d e o t r a n s m is s i o n t e c h n i q u e i s o n t h e r e s e a r c h o n t h e t e c h n i q u e s o f v i d e o t r a n s m i s s i o n o v e r p r o p o s e d b a s e d 8 0 2 . 1 1 wl a n, n a n d i t s p r o v e d t o b e a n e ff e c t i v e m e t h o d i m p r o v i n g t h e q u a l i t y o f e n d - t o - e n d v i d e o t r a n s mi s s i o n . 5 . a n i m p r o v e d t e m p o r a l e r r o r c o n c e a l m e n t a l g o r i t h m f o r t h e v id e o t r a n s m i s s i o n o v e r w i r e l e s s c h a n n e l p r o p o s e d b y t h i s t h e s i s , c o u p l e d w i t h a n a d a p t i v e e r r o r c o n c e a l m e n t m e t h o d , i s a p p l i e d t o w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s io n , s o t h e b e t t e r v i d e o q u a li t y i s a c h i e v e d . w o r d s : wl a n , v i d e o t r a n s m i s s i o n , mp e g - 4 , f g s , u x p , a d a p t i v e c r o s s - l a y e r v i d e o t r a n s mi s s i o n , e r r o r c o n t r o l , e r r o r c o n c e a l me n t t o 西_ 匕1 一 业人学硕于论文 第一章 绪论 第一章 绪论 随着 i n t e rn e t 的快速发展， 无线通信也进入了 一个新的发展阶段，成为现代 i t产业最活跃、 最富有生机的领域。在无线通信领域中，视频通信因能够给人 们提供直观、 生动的视觉信息， 而成为无线多媒体通信中的 研究热点。 但是视频 通信具有数据量大、实时性高等特点，因而对无线视频传输提出了更高的要求， 使面向无线通信的视频传输技术成为当今信息科学与技术的前沿课题。 1 . 1 wl a n技术及应用 无线局域网 ( wl a n ，wi r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k )作为无线通信网络的 一个重要组成部分， 近几年取得了飞速发展; 尤其是基于i e e e 8 0 2 . 1 1 协议族的 无线局域网目 前己 成为无线局域网领域中的主流， 取得了 广泛的应用， 基本上 成 了 无线局域网的代名词， 。另一方面，随 着无线局域网带宽的增加，以 及视频编 解码技术的发展， 使无线局域网中的视频传输成为可能， 也为无线局域网的视频 通信提供了广阔的发展空间。 1 ) 无线局域网技术及其优点 无线局域网属于一种短距离无线通信技术， 它是以无线信道为传输媒介构成 的计算机局域网络， 弥补了一些特殊应用环境下有线局域网的不足， 能够将网 络 延伸到线缆无法或不便连接的 地方， 使个人计算机及其它通信终端( 如p d a等) 能 迅速、 方便地解决通过有线方式不易实 现的网 络通信问 题 i .2 3 。 无线局 域网主 要具有以下优势: i .组网快速、简便:从网络的建设上看，无线局域网一般只需根据所覆盖 的范围，以自组网的方式构成对等网络 ( a d h o c ) ;或通过一些无线网 络设备如无线接入点 ( a c c e s s p o i n t , a p )等，构建成基础结构式 ( i n f r a s t r u c t u r e ) 网络， 从而避免了线缆的敷设等工程， 节省了施工时间， 减少了工程量。 2 .可移动性好:无线局域网提供了便捷的接入环境，用户可以在其覆盖区 切木文 所抬无线局域网除特别说明外均折尽于正e e助2 t 1 协议族的无线局城网 西_ 匕1 一 业人学硕于论文 第一章 绪论 第一章 绪论 随着 i n t e rn e t 的快速发展， 无线通信也进入了 一个新的发展阶段，成为现代 i t产业最活跃、 最富有生机的领域。在无线通信领域中，视频通信因能够给人 们提供直观、 生动的视觉信息， 而成为无线多媒体通信中的 研究热点。 但是视频 通信具有数据量大、实时性高等特点，因而对无线视频传输提出了更高的要求， 使面向无线通信的视频传输技术成为当今信息科学与技术的前沿课题。 1 . 1 wl a n技术及应用 无线局域网 ( wl a n ，wi r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k )作为无线通信网络的 一个重要组成部分， 近几年取得了飞速发展; 尤其是基于i e e e 8 0 2 . 1 1 协议族的 无线局域网目 前己 成为无线局域网领域中的主流， 取得了 广泛的应用， 基本上 成 了 无线局域网的代名词， 。另一方面，随 着无线局域网带宽的增加，以 及视频编 解码技术的发展， 使无线局域网中的视频传输成为可能， 也为无线局域网的视频 通信提供了广阔的发展空间。 1 ) 无线局域网技术及其优点 无线局域网属于一种短距离无线通信技术， 它是以无线信道为传输媒介构成 的计算机局域网络， 弥补了一些特殊应用环境下有线局域网的不足， 能够将网 络 延伸到线缆无法或不便连接的 地方， 使个人计算机及其它通信终端( 如p d a等) 能 迅速、 方便地解决通过有线方式不易实 现的网 络通信问 题 i .2 3 。 无线局 域网主 要具有以下优势: i .组网快速、简便:从网络的建设上看，无线局域网一般只需根据所覆盖 的范围，以自组网的方式构成对等网络 ( a d h o c ) ;或通过一些无线网 络设备如无线接入点 ( a c c e s s p o i n t , a p )等，构建成基础结构式 ( i n f r a s t r u c t u r e ) 网络， 从而避免了线缆的敷设等工程， 节省了施工时间， 减少了工程量。 2 .可移动性好:无线局域网提供了便捷的接入环境，用户可以在其覆盖区 切木文 所抬无线局域网除特别说明外均折尽于正e e助2 t 1 协议族的无线局城网 西北 业人学硕士论文第一章 绪论 域内的任何位置方便地接入网络， 不受网络布线接点位置的限制: 同时， 还可以提供如 “ 网间漫游”等业务。 3 网络结构弹性化:无线局域网可以根据实际需要，灵活地选择工作方式 和增减网络配置，构建从几个用户的小局域网到上千用户的大型网络 2 )无线局域网的应用 由于无线局域网技术具有多种优点， 其发展十分迅速。 在最近几年内， 无线 局域网己 经在视频监控、 制造、 仓储、 运输、 展会、 金融、 小型和家庭办公( s o h o ) 及学校等许多场合得到了广泛的应用。 例如， 企业通过无线局域网的组建， 可以实现语音、 视频及数据业务功能的 整合以及流媒体的传输， 支持各种关键的公务活动， 实现诸如视频会议以及网络 广播等功能。 一 般而言 ， 无线局域网 技术主要可以实 现三种应用: 第一， 在现有 的有线局域网中扩增无线技术， 整合无线功能， 借以 提高使用的机动性和网络的 弹性。 第二， 利用无线局域网技术， 可以使难以布建或需重新布建高速网络的应 用获得接入环境。第三，通过无线桥接器为远程接入点与使用者提供网络连接。 作为对有线局域网不足的补充， 无线局域网可以 大幅提高有线局域网的可用性和 扩展性，以实现网络的延伸。 此外， 在新兴的数字家庭网络应用中， 为了方便灵活地实现多媒体资源在家 庭数码设备之间的共享 ( 例如将p c中的视频信息传输到h d t v中 进行观看) ， 采用无线局域网技术实 现数码设备间的这种无线通信将是最佳选择3 1 无线局域网虽有了较快发展，占有了一定的市场， 但伴随其的网络安全、 视 频传 输等仍存在不少问 题，需要进一步研究。 1 .2 无线视频流编码技术 在无线视频通信中， 无线终端可以 通过无线网络实现视频会议、 视频监控和 视频点播等功能。 但是无线信道不同于有线信道， 无线环境下， 信道的多 径干扰、 衰落、 带宽波动都会造成视频数据的出错或丢失; 所以对视频编码的研究非常关 键， 如果传输的视频码流本身就具有一定的适应带宽变化的能力， 以 及一定的抗 误码能力 ( 鲁棒性) ，那么就在一定程度上提高了无线视频传输的质量。这就要 求视频编码在寻求高压缩率的同时也要考虑编码后码流的可扩展性( 可伸缩性) ， 西北 业人学硕士论文第一章 绪论 域内的任何位置方便地接入网络， 不受网络布线接点位置的限制: 同时， 还可以提供如 “ 网间漫游”等业务。 3 网络结构弹性化:无线局域网可以根据实际需要，灵活地选择工作方式 和增减网络配置，构建从几个用户的小局域网到上千用户的大型网络 2 )无线局域网的应用 由于无线局域网技术具有多种优点， 其发展十分迅速。 在最近几年内， 无线 局域网己 经在视频监控、 制造、 仓储、 运输、 展会、 金融、 小型和家庭办公( s o h o ) 及学校等许多场合得到了广泛的应用。 例如， 企业通过无线局域网的组建， 可以实现语音、 视频及数据业务功能的 整合以及流媒体的传输， 支持各种关键的公务活动， 实现诸如视频会议以及网络 广播等功能。 一 般而言 ， 无线局域网 技术主要可以实 现三种应用: 第一， 在现有 的有线局域网中扩增无线技术， 整合无线功能， 借以 提高使用的机动性和网络的 弹性。 第二， 利用无线局域网技术， 可以使难以布建或需重新布建高速网络的应 用获得接入环境。第三，通过无线桥接器为远程接入点与使用者提供网络连接。 作为对有线局域网不足的补充， 无线局域网可以 大幅提高有线局域网的可用性和 扩展性，以实现网络的延伸。 此外， 在新兴的数字家庭网络应用中， 为了方便灵活地实现多媒体资源在家 庭数码设备之间的共享 ( 例如将p c中的视频信息传输到h d t v中 进行观看) ， 采用无线局域网技术实 现数码设备间的这种无线通信将是最佳选择3 1 无线局域网虽有了较快发展，占有了一定的市场， 但伴随其的网络安全、 视 频传 输等仍存在不少问 题，需要进一步研究。 1 .2 无线视频流编码技术 在无线视频通信中， 无线终端可以 通过无线网络实现视频会议、 视频监控和 视频点播等功能。 但是无线信道不同于有线信道， 无线环境下， 信道的多 径干扰、 衰落、 带宽波动都会造成视频数据的出错或丢失; 所以对视频编码的研究非常关 键， 如果传输的视频码流本身就具有一定的适应带宽变化的能力， 以 及一定的抗 误码能力 ( 鲁棒性) ，那么就在一定程度上提高了无线视频传输的质量。这就要 求视频编码在寻求高压缩率的同时也要考虑编码后码流的可扩展性( 可伸缩性) ， 西北 业人学硕十论文第一章 绪论 使视频流在带宽受限或者信道不可靠的 情况下也 能进行可靠有效的传输。 为了能在时变、 带宽有限、 误码率高的无线信道上 实时传输海量的视频数据， 并能适应用户的异构性特点，视频编码必须满足以下要求: 具有高效的视频压缩能力。 具有较强的误码恢复能力。 能够支持带宽、码率等多 种扩展形式。 视频容错性编码和可分级编码正是针对以上要求而发展起来的无线视频编 码技术。 在容错性编码和 可分级编码中， m p e g -4编码和f g s编码最具发展 潜 力，在无线视频通信中占据了重要地位。 为了 提高差错复原能力 和满足易发生差 错信道中的视频传输， m p e g - 4 标准 中提供了许多工具 ( 如包的重同步、数据分割等) ，具有较强的抗误码性，因此 对于无线视频通信，mp e g - 4 是比较理想的编码方式。 mp e g - 4已经完成了标准 的制订， 并取得了一定的应用， 但不是很成熟， 其标准还在不断的升级当中。 下 面简要介绍一下m p e g - 4 技术。 1 ) m p e g - 4 是签干对象的标准4 1 mp e g - 4 是mp e g工作组制定的第三个国际标准， 它是一个用于自 然及人工 合成的音频、 视频信息编码的标准。 作为全新的标准， 它具有高效压缩、 基于内 容交互 ( 操作、 编辑、 访问等)以及基于内容分级扩展等特点。 它与其他标准的 最大区别在于 mp e g - 4是一个基于对象的标准。在己往的视频编码标准里，比 如m p e g - 1 / 2 ， 将运动视频、图像、 文本组合到一个象素平面，并 编码成运动视 频象素， 在客户端，直接进行解码操作。 m p e g - 4 是动态的， 不同的对象可以单 独编码，而不是都当 成运动视频的象素，并通过自 有的基本流传输到解码端。 2 ) m p e g - 4系统流(5 1 mp e g - 4 系统流定义了表示场景信息的码流的语法和语义，并包括它们的解 码过程。mp e g - 4 系统流中给出了以下一些工具和定义: . 定时和缓冲管理的终端模型; . 交互的视听场景描述信息的编码表示 ( b i f s ) ; . 用于基本流辨认、描述的元数据的编码表示; . 视听内容的描述信息的编码表示 ( o c i ) ; 西北 1 _ 业人学硕一 卜 论文第一章 绪论 . 属性的智能管理和保护 ( i p m p ) ; . 同步信息的编码表示: . 各个基本码流在一个复合流中的表示 ( f l e x mu x ); 3 ) m p e g - 4视频流14 , 6 1 mp e g - 4 视频流中包括以下 几种数据:视频数据、静态纹理数据、二维网格 数据和人脸活动参数数据。 这些结构化的数据称为对象， 对象和它们的属性按分 层形式组织， 以便支持码流的可扩展性和对象的可扩展性。 特别的， m p e g - 4 视 频部分的修正稿2 ( a m d 2 ) 在2 0 0 2 年定稿， 提出了 流视频框架( s t r e a m i n g v i d e o p r o f i l e ) ， 其主 要内容就是精细分级编码 ( f i n e g r a n u l a r i t y s c a l a b i l i t y , f g s ) o 最新 的m p e g - 4 视频编码算法是h .2 6 4 e m p e g - 4 视频流的逻辑结构如图1 - 1 所示: 视觉对象 序列头 视 觉 对 象 2 视 觉 对 象 层 卫 生 - - 习一 l 2 t 图1 - 1 m p e g 一视频流的逻辑结构 4 ) m p e g - 4的f g s 编码技术 无线信道具有高误码率、 带宽波动大等特点， 对无线信道中的视频传输， 可 分级编码是解决这些问题的重要方法之一。 可分级编码一般是指对视频数据编码 后， 接收端可以根据获得数据的多少解出不同分辨率和不同质量的视频。 传统的 可分级编码， 如信噪比、 空域和时域可分级编码等， 只能提供粗糙突变的分级能 力， 并不能很好地适应网 络资r的变化及q o s 的要求。 f g s是一种全新的可分级 编码方法，它首次在mp e g - 4 中提出。 f g s 编码的基本层采用传统的视频编码技 术 如 h .2 6 3 ( 1 , m p e g - 2 1否则播放过程会中断， 放质量的严重下降。 2 )无线信道的不可靠性:相比于有线信道，无线信道具有较多的噪声， 流畅地 造成播 小范围 ( 多路) 和大范围 频段的8 0 2 . 1 1 无线局域网， ( 遮挡)的衰减，尤其对于工作在 2 .4 g h z 并伴有 的 i s m 很容易受到无绳电话、微波炉等设备的干扰。 这 使得无线信道的位错误率非常高， 位差错将严重损坏视频表现质量。 3 ) 带宽的波动: 对于无线信道而台 ，由 于频率资源有限，无线网 络的信道带宽 远小于有线网的带宽。为了达到可接受的表现质量，典型的实时视频传输有 最小的带宽要求 ( 例如 2 8 k b ( s ) 。 无线信道很可能受到多径衰落、同信道千 扰等而造成信道吞吐量的下降。当 视频数据流的有效传输带宽突然降 低时， 将直接影响用户接收视频信息的质量和速度，甚至造成无法观看。 4 )异构性问题:异构性问题也是无线视频传输中一个不可忽视的问题。 特别是 在数字家庭环境下， 接收终端在功率、 显示能力以 及内 存、 硬件的支持等方 面存在很大的差异，每个用户的网 络连接带宽也不尽相同。 此外，在组播应 用中，接收端在延迟、视觉质量、处理能力、功耗限制和带宽限制等方面也 西北 i 一 业人学硕十论文 第一章 绪论 j性， 码流可任意地被截断， 因此该码流可以根据可用的网络带宽进行任意码率的 传输， 接收端即终端用户根据接收到的增强层码流来增强基本层的视频质量， 接 收的增强层码流越多， 终端用户享受的视频服务的质量就越高， 因 此f g s 编码技 术可以 在一个很大的码率范围内调整数据传输，适应各种复杂的网络带宽变化， 这对信道易变的无线网络具有明显的优势。本文在第二章将对f g s 作详细论述。 1 . 3 wl a n视频传输技术 i e e e 8 0 2 . 1 1 无线局域网的出现将无线局域网推向了 一个新的发展阶段， 不少 学者对 8 0 2 . 1 1 无线局域网技术进行了 大量的研究， 但是多集中在对数据链路层 的 性能 研究 1 1 - 14 1 。 对8 0 2 . 1 1 无线 局 域网 视 频传 输 技术的 研究是 近两 年 才 展开 的。 由于无线视频传输面临着以下问题， 所以给无线局域网的视频传输技术带来了一 定的挑战。 1 )视频的 实时 性要求: 实时 视频有严 格的 端到 端时延要求， 对延迟非常 敏感， 视频通信应用中延迟范围通常在s m s 至3 0 0 m s 之间。为了保证连续、 播放视频，视频数据必须及时 地到达接收端;否则播放过程会中断， 放质量的严重下降。 2 )无线信道的不可靠性:相比于有线信道，无线信道具有较多的噪声， 流畅地 造成播 小范围 ( 多路) 和大范围 频段的8 0 2 . 1 1 无线局域网， ( 遮挡)的衰减，尤其对于工作在 2 .4 g h z 并伴有 的 i s m 很容易受到无绳电话、微波炉等设备的干扰。 这 使得无线信道的位错误率非常高， 位差错将严重损坏视频表现质量。 3 ) 带宽的波动: 对于无线信道而台 ，由 于频率资源有限，无线网 络的信道带宽 远小于有线网的带宽。为了达到可接受的表现质量，典型的实时视频传输有 最小的带宽要求 ( 例如 2 8 k b ( s ) 。 无线信道很可能受到多径衰落、同信道千 扰等而造成信道吞吐量的下降。当 视频数据流的有效传输带宽突然降 低时， 将直接影响用户接收视频信息的质量和速度，甚至造成无法观看。 4 )异构性问题:异构性问题也是无线视频传输中一个不可忽视的问题。 特别是 在数字家庭环境下， 接收终端在功率、 显示能力以 及内 存、 硬件的支持等方 面存在很大的差异，每个用户的网 络连接带宽也不尽相同。 此外，在组播应 用中，接收端在延迟、视觉质量、处理能力、功耗限制和带宽限制等方面也 两北 业人学硕十论文第一章 绪论 具有不同的要求和性能。 目前针对 wl a n 视频传输的研究主要集中在以下几个方面:应用层差错控 制、 链路层优化以及交叉 层技术。 应用层差错控制主要从应用层角度提高视频传 输的鲁棒性， 但是没有考虑网络底层特点。 链路层优化技术主要根据无线链路的 当前状况对链路层的可变参数进行调整，如ma c层重传次数等。交叉层技术则 综合考虑了 应用层与底层的传输机制， 因而具有较好的性能， 是无线局域网视频 传输技术研究的趋势。 本文在对无线局域网视频传输技术深入研究的基础上， 提 出了一种基于 8 0 2 . 1 1 wl a n的自 适应交叉层视频传输技术，并通过仿真实验证 明其较好地提高了视频传输质量。 1 .4 研究内容及论文组织 本论文研究的具体内容如下: 1 )比较传统的分级编码和精细分级编码，阐述了精细分级编码用于无线网 络视频传输的优势。 2 )深入研究了无线视频传输的差错控制技术，以及基于无线局域网的视频 传输技术， 并对目前提出的无线局域网视频传输技术进行了总结和分析。 3 )对分级视频流的u x p 技术进行了深入研究， 对基于u x p的r t p 封装提 出了改进方案，并将其应用到提出的无线局域网自 适应交叉层视频传输 算法中。提出了一种基于 8 0 2 . 1 1 无线局域网的自 适应交叉层视频传输方 法，并对其进行了仿真测试。 4 )深入研究了视频传输的差错掩盖技术，提出了一种改进的时域差错掩盖 算法并结合自 适应差错掩盖方法将其应用到无线视频传输系统的解码端 进一步提高了视频的传输质量。 本论文的章节安排如下: 第一章主要介绍了 研究背景以及研究领域的发展现状， 由此引出具体的 研究 内容。 第二章首先比较传统的分级编码和精细分级编码， 然后论述了精细分级编码 在无线视频传输中的优势。 第三章对无线视频传输中的常用技术进行了详细的阐述并对典型的 wl a n 两北 业人学硕十论文第一章 绪论 具有不同的要求和性能。 目前针对 wl a n 视频传输的研究主要集中在以下几个方面:应用层差错控 制、 链路层优化以及交叉 层技术。 应用层差错控制主要从应用层角度提高视频传 输的鲁棒性， 但是没有考虑网络底层特点。 链路层优化技术主要根据无线链路的 当前状况对链路层的可变参数进行调整，如ma c层重传次数等。交叉层技术则 综合考虑了 应用层与底层的传输机制， 因而具有较好的性能， 是无线局域网视频 传输技术研究的趋势。 本文在对无线局域网视频传输技术深入研究的基础上， 提 出了一种基于 8 0 2 . 1 1 wl a n的自 适应交叉层视频传输技术，并通过仿真实验证 明其较好地提高了视频传输质量。 1 .4 研究内容及论文组织 本论文研究的具体内容如下: 1 )比较传统的分级编码和精细分级编码，阐述了精细分级编码用于无线网 络视频传输的优势。 2 )深入研究了无线视频传输的差错控制技术，以及基于无线局域网的视频 传输技术， 并对目前提出的无线局域网视频传输技术进行了总结和分析。 3 )对分级视频流的u x p 技术进行了深入研究， 对基于u x p的r t p 封装提 出了改进方案，并将其应用到提出的无线局域网自 适应交叉层视频传输 算法中。提出了一种基于 8 0 2 . 1 1 无线局域网的自 适应交叉层视频传输方 法，并对其进行了仿真测试。 4 )深入研究了视频传输的差错掩盖技术，提出了一种改进的时域差错掩盖 算法并结合自 适应差错掩盖方法将其应用到无线视频传输系统的解码端 进一步提高了视频的传输质量。 本论文的章节安排如下: 第一章主要介绍了 研究背景以及研究领域的发展现状， 由此引出具体的 研究 内容。 第二章首先比较传统的分级编码和精细分级编码， 然后论述了精细分级编码 在无线视频传输中的优势。 第三章对无线视频传输中的常用技术进行了详细的阐述并对典型的 wl a n 西北 卜 业人学硕十论文第一章 绪论 视频传输技术进行了总结与分析。 第四章论述了适用于无线视频传输的分级视频流的 u x p模式并提出了改进 方案。 第五章提出了一种自 适应交叉层视频传输技术并进行了仿真实验。 第六章论述了适用于无线视频传输的差错掩盖算法。 西北 1 业人学硕十论文第_章 精细分级编码 第二章 精细分级编码 在无线信道上传输数字视频遇到的两个主要问题是带宽波动和包丢失( 包错 误) 。一个好的视频编码方案必须能够自 适应信道状态，并且能够较好的恢复丢 包和误码。视频流在无线信道中传输必须具有良好的兼容性、伸缩性和可靠性， 这对图像编码提出了很高的要求。 传统的视频编码方式都是针对一个特定的比特率进行优化的编码方式，如 m p e g - 1 / 2 , h .2 6 1 / h .2 6 3 等编码方式。 在这种编码方式中有两个基本的假设: 一 是编码的时候知道通道的能力， 也就是知道应该针对哪个特定的比特率来压缩编 码视频数据;二是解码器能够以足够快的速度全部接收通道中的数据并及时解 码。 对于传统的视频应用， 如本地存储视频播放， 这两个假设都是满足的。 但是 对网络流媒体应用尤其是无线网 络中的 视频流传输， 这两个假设受到了 一定的 挑 战， 首先， 在编码的时候我们通常不能预知网络通道能力， 因为网络带宽依赖于 网络的接入方式和任意时刻的瞬时网络负载， 尤其在无线网络中， 无线信道在受 到外界因素的影响时其带宽会发生较大波动， 从而导致网络通道带宽的不可预知 性: 另外解码器一般要和别的进程竞争资源， 可能无法保证数据接收和解码的及 时性。 因此， 较好的视频编码方案应该 针对一定范围的比特率作出优化而非仅针 对一个特定的比特率。 mp e g - 4的精细分级编码f g s就是针对带宽可变的流媒 体应用而引入的一种编码方式。 由于它对带宽具有很好的适应性， 因此在无线网 络的视频传输中逐渐占据了重要地位，具有很好的应用前景。 2 . 1传统的分级编码 在f g s 提出之前， 视频压缩编码领域已经有若千分级编码方式， 主要有信噪 比 分 级编码、 空 域分 级编码和时 域分级 编码 1 5 ,16 1 。 下面先 对这些编码方式 作简要 的介绍。 2 . 1 . 1 s n r 分级编码 s n r分级编码的基本思想是将视频压缩成两 层: 基本层和增强层。 这两层具 有相同的帧率和相同的空间分辨率，但是具有不同的量化精度。 西北 1 业人学硕十论文第_章 精细分级编码 第二章 精细分级编码 在无线信道上传输数字视频遇到的两个主要问题是带宽波动和包丢失( 包错 误) 。一个好的视频编码方案必须能够自 适应信道状态，并且能够较好的恢复丢 包和误码。视频流在无线信道中传输必须具有良好的兼容性、伸缩性和可靠性， 这对图像编码提出了很高的要求。 传统的视频编码方式都是针对一个特定的比特率进行优化的编码方式，如 m p e g - 1 / 2 , h .2 6 1 / h .2 6 3 等编码方式。 在这种编码方式中有两个基本的假设: 一 是编码的时候知道通道的能力， 也就是知道应该针对哪个特定的比特率来压缩编 码视频数据;二是解码器能够以足够快的速度全部接收通道中的数据并及时解 码。 对于传统的视频应用， 如本地存储视频播放， 这两个假设都是满足的。 但是 对网络流媒体应用尤其是无线网 络中的 视频流传输， 这两个假设受到了 一定的 挑 战， 首先， 在编码的时候我们通常不能预知网络通道能力， 因为网络带宽依赖于 网络的接入方式和任意时刻的瞬时网络负载， 尤其在无线网络中， 无线信道在受 到外界因素的影响时其带宽会发生较大波动， 从而导致网络通道带宽的不可预知 性: 另外解码器一般要和别的进程竞争资源， 可能无法保证数据接收和解码的及 时性。 因此， 较好的视频编码方案应该 针对一定范围的比特率作出优化而非仅针 对一个特定的比特率。 mp e g - 4的精细分级编码f g s就是针对带宽可变的流媒 体应用而引入的一种编码方式。 由于它对带宽具有很好的适应性， 因此在无线网 络的视频传输中逐渐占据了重要地位，具有很好的应用前景。 2 . 1传统的分级编码 在f g s 提出之前， 视频压缩编码领域已经有若千分级编码方式， 主要有信噪 比 分 级编码、 空 域分 级编码和时 域分级 编码 1 5 ,16 1 。 下面先 对这些编码方式 作简要 的介绍。 2 . 1 . 1 s n r 分级编码 s n r分级编码的基本思想是将视频压缩成两 层: 基本层和增强层。 这两层具 有相同的帧率和相同的空间分辨率，但是具有不同的量化精度。 西北 i : 业大学硕十论文第二章 精细分级编码 在编码的时候，s n r分级编码的编码器在对离散余弦变换 ( d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r tn ,d c t )系数进行量化的时候， 先采用量化级较大的矩阵， 得到s n r较 低的基本层数据。 对于增强层则有两种方法: 一种是将基本层数据的量化误差用 一个量化级较小的量化矩阵进行量化， 把第二次量化的结果作为增强层数据: 另 一种方法是将解码图像与原始图 像的差值再 进行d c t变换， 并用量化级数小的 量化矩阵进行量化。 一 增 强 层 些 丝 : 共 一 奋 增 强 层 解 码 一 1 视颇轴出 c石0 c， 口 一一一- 一一 li l mo t o n c o m0 n s f l i o n 一一t 一一一 i f r,. ,- i mg mo , y 图2 - 1 s n r分级解码 2 . 1 .2时域分级编码 时域分级编码是将视频编码成具有相同的空间分辨率但具有不同帧率的两 层。 基本层提供相对低的帧率， 增强层提供为形成较高帧率而应该在基本层基础 上增加的 帧。 在基本层里， 采用的是i 帧和p 帧编码方式， 而在增强层里采用的 是基于基本层i 帧的p帧编码、 基于基本层p 帧的b帧编码和基于增强层的p 帧。 增强层 从本ii 西北 业大学硕十论文第_章 精细分级编码 图2 2 时域分级编码 2 . 1 . 3空域分级编码 空域分级编码是将视频编码成具有相同的帧率但是具有不同的空间分辨率 的两层。 基本层编码成较低的空间分辨率。 增强层编码的是高空间分辨率图像和 低分辨率图像之间的差值。 空间分级编码先在原始图像中用下采样的方法得到一 帧较低空间分辨率的图 像， 并 将其编码成基本层帧; 然后从原始图 像上减去经过 内插值的基本层图像得到差值图像，对此差值图像编码就得到了增强层。 增强尼解码 el tf it r7r_i .ti v l 司 一 万 q . 强层视频 i dct 基本层位流 一 一-一 i o c t 叫 vl o 基木层视频 ( 优先物出) me m o r y 图2 - 3空域分级解码 以上分级编码方式都是将视频编码成针对不同比 特率的两层， 基本层针对于 一个相对较低比特率编码，增强层在基本层的基础上针对于一个较高比 特率编 码。 当网 络带宽较低的情况下， 解码器只是接收和解码基本层数据， 得到较低质 量的视频数据， 当网络带宽较高的情况下， 解码器同时接收和解码基本层数据和 增强层数据，通过复合基本层和增强层数据得到较高质量的视频数据。 这些分级编码的一个共同缺点就是:只有当增强层被完全传输、 接收、 解码 的情况下， 增强层刁能提供增强效果。 这个缺点导致了在较宽的带宽中这些分级 编码只有两级阶梯状的视频效果， 如图2 一所示， 所以这些传统的分级编码并不 适合为自 适应的网络带宽提供不同视频效果的流媒体应用。 西北 业人学硕十论文 第二章 精细分级编码 一 一 精细分级编码 未分级的视颇编码 通道比特率 氏 才，1 一一一一一一仁 图2 一 4各分级编码的分级能力 2 . z f g s 编码方式 mp e g 一 4提出一种全新的针对网络流媒体应用的视频压缩编码方式一f g s 。 这种压缩编码方式可以 根据网 络带宽提供精细分级的视频效果( 如图2 一所示) 。 有三种技术被提交用于实现f g s 编码，分别是:基于d c t系数的位平面编码、 图 像的小波编码、图像的匹配追击编码。 最终基于d c t系数的 位平面编码因为 它的编码效率较高而且实现比较简单而被选用。 2. 2 . 1基于位平面编码的f g sll7 在文 1 7 中wei p i ngu提出了 基于 位平面 编码的f g s 。 其基本思 想就是 将视 频编码成一个基本层和一 个增强层， 其中基本层采用传统的编码方式编码， 增强 层将原始图像和重构图像之间的差异采用基于d c t系数的 位平面编码方式来编 码。其定义的编码器和解码器结构如图2 巧和2 一 6 所示。 西北 业人学硕十论文 第二章 精细分级编码 一 一 精细分级编码 未分级的视颇编码 通道比特率 氏 才，1 一一一一一一仁 图2 一 4各分级编码的分级能力 2 . z f g s 编码方式 mp e g 一 4提出一种全新的针对网络流媒体应用的视频压缩编码方式一f g s 。 这种压缩编码方式可以 根据网 络带宽提供精细分级的视频效果( 如图2 一所示) 。 有三种技术被提交用于实现f g s 编码，分别是:基于d c