（通信与信息系统专业论文）无线网络视频评估系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前在国际上，网络视频通信己经成为许多公司追求的未来电信市场目标， 而无线网络视频通信的研究又是多媒体通信特别是移动视频通信的研究热点之 一。从最初的话音传输到图像传输再到视频传输，多媒体交互式传输，传输业 务越来越丰富多彩。视频( 图像) 编码技术与通信技术的发展与成熟使得通过 因特网和无线网络传输视频( 图像) 成为了当前的一大热门领域，发展迅速， 取得了很大的成功。视频( 图像) 传输被广泛应用于商用，军用以及航天等高 科技领域，例如视频点播、网上购物、电视会议、远程教育、安防监控以及实 况转播等l i 巧】。 同时，由于有限的带宽和恶劣的通信环境，使得窄带高噪声成为无线和互 联网视频通信的难点。本文研究了基于h 2 6 3 视频压缩编码标准的视频评估系 统若干关键问题，包括：无线网络实时传输协议、视频质量评价方法等，并且 实现了基于3 g 无线网络视频评估实验系统。主要工作和研究成果如下： ( 1 ) 分析无线网络传输的特点，提出了一种无线网络模拟测试方法。基于 该测试方法模拟实际无线网络发生丢包，延时，失序三种情况。通过对这三种情 况的测试来检验评估系统的实际评估效果。同时，实现了基于u d p 的实时视频流 传输协议，该传输协议先将视频数据打包，然后增加包括了视频包序号、视频数 据的c r c 校验、实际数据长度三个字段等，再作为一个完整的包传给u d p 层。 ( 2 ) 提出一种直观运动图像与基于客观参数的视频质量评价方法。视频质 量是衡量视频传输服务质量的重要指标，对其的评价表面上反映在人眼视觉感 受的程度，而实际上是表征视频帧传输的实时性，正确性等。考虑了人眼对视 频信号感受质量与画面运动剧烈程度之间的关系，分别讨论了反映视频质量的 直观上视频清晰度和流畅度与客观上数学模型参数分析度。评价结果更符合人 眼视觉特性，并且这种评价对编码具有一定的指导作用。 综合以上研究，该评估系统实现了包括采集、压缩编码、传输、解码，错 误检测，评估和实时显示等环节。测试结果表明，该系统的传输方法和传输格 式具有通用性，评估结果具有实用性和有效性。 关键词：无线视频通信；实对传输协议；视频质量评价；h 2 6 3 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n e t w o r kv i d e oc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h ef u t u r ep u r s u i n gt a r g e tm a r k e to f m a n yt e l e c o m m u n i c a t i o nc o m p a n i e s ，m e a n w h i l e ，w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s t u d i e sa n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ，e s p e c i a l l yt h em o b i l ev i d e oc o m m u n i c a t i o n i so n eo ft h e s er e s e a r c hh o t s p o t s 1 1 1 ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s n o to n l yg r e a t l yi m p r o v e da n de n h a n c e dt h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ha n d r e l i a b i l i t y , b u ta l s oc o n t r i b u t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ed i v e r s i t yo ft r a n s m i s s i o n f r o mt h eo r i g i n a lv o i c et r a n s m i s s i o n ，i m a g et r a n s m i s s i o nt ot h ev i d e ot r a n s m i s s i o n , a n dm u l t i m e d i ai n t e r a c t i v et r a n s m i s s i o n ，t h eb u s i n e s so ft r a n s m i s s i o nb e c a m em o r e a n dm o r ec o l o r f u l v i d e o ( i m a g e ) c o d i n gt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y e n a b l e st h et r a n s m i s s i o no fv i d e o ( i m a g e ) t h r o u g hi n t e m e ta n dw i r e l e s sn e t w o r k t o b eo n eo ft h ec u r r e n th o ta r e a sw h i c hh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l ya n dm a d eg r e a t s u c c e s s v i d e o ( i m a g e ) t r a n s m i s s i o ni sw i d e l yu s e di nc o m m e r c i a l ，m i l i t a r ya n d a e r o s p a c ea n do t h e rh i g h - t e c ha r e a s ，s u c ha sv i d e o o n - d e m a n d , o n l i n es h o p p i n g ， v i d e oc o n f e r e n c i n g ，d i s t a n c el e a r n i n g ，s e c u r i t ym o n i t o r i n g ，a sw e l la sl i v ea n ds oo n a tt h es a m et i m e ，h o w e v e r , d u et ol i m i t e dc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t ha n dp o o r e n v i r o n m e n t ，t h eh i 曲n o i s en a r r o w - b a n dr a d i oa n dt h ei n t e m e th a v eb e c o m ev i d e o c o m m u n i c a t i o nd i f f i c u l t i e s t 1 1 i sp a p e rd i s c u s s e san u m b e ro fk e yi s s u e sb a s e do n t h eh 2 6 3v i d e oc o m p r e s s i o na u d i ov i d e oc o d i n gs t a n d a r de v a l u a t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n g ：w i r e l e s s n e t w o r kr e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o l s ，v i d e oq u a l i t y e v a l u a t i o nm e t h o d ，e t c a n dr e a l i z e d3 gw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yb a s e do nv i d e o e v a l u a t i o ns y s t e m m a j o rw o r k sa n dr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o n s ， t h i sp a p e rp u t sf o r w a r daw i r e l e s sn e t w o r ks i m u l a t i o nt e s t b a s e do nt h et e s t ，t h i s p a p e rs i m u l a t e dw i r e l e s sn e t w o r k s l o s tp a c k a g e ，d e l a y , d i s o r d e nt h r o u g ht h et h r e e k i n d so ft e s t i n g ，i tv e r i f i e st h ea c t u a le v a l u a t i o ne f f e c te v a l u a t i o ns y s t e m a tt h e s a m et i m e i tr e a l i z e dt h er e a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o nb a s e do nu d pp r o t o c 0 1 t h i s p r o t o c o lp a c k st h ev i d e o d a t aa tf i r s t ，t h e np u t si nt h r e ef i e l d s ，i n c l u d i n gv i d e op a c k e t i i 武汉理工大学硕士学位论文 n u m b e r , t h ec r cc h e c k s u mo fv i d e od a 趣a n dt h el e n g t ho ft h ea c t u a ld a t a , i nt h e p a c k a g e ，a n ds e n d si tt ou d p a saw h o l ea tl a s t s e c o n d ，t h i sp a p e rp r o p o s e s ad i r e c ta n do b j e c t i v ev i s u a lv i d e o q u a l i t y e v a l u a t i o nm e t h o db a s e do no b j e c t i v ep a r a m e t e r s v i d e oq u a l i t yi st h ei m p o r t a n t i n d e x e so ft h es e r v i c eq u a l i t yo fv i d e ot r a n s m i s s i o n i sap r o c e s sc l o s e l yr e l a t e d 、析t 1 1 c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh u m a nv i s i o nr e m a i n s a n di t si n i t i a le v a l u a t i o ni sr e f l e c t e di n t h ed e g r e eo fv i s u a le x p e r i e n c e ，b u ti sa c t u a l l yc o n c e r n e da b o u tt h et r a n s m i s s i o no f r e a l - t i m ev i d e of l a m e ，a c c u r a c y , e t e c o n s i d e r i n gt h eq u a l i t yo fv i d e os i g n a lh u m a n f e e l i n g sa n di t sr e l a t i o n s h i p 、析t 1 1t h ed e g r e eo ft h ei n t e n s i t yo fp i c t u r em o v e m e n l d i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yt h ei n t u i t i v e l yv i d e oc l a r i t ya n df l u e n c yo fv i d e ow h i c h r e f l e c t st h eq u a l i t yv i d e oa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lp a r a m e t e r sa n a l y z e do b j e c t i v e l y e v a l u a t i o nr e s u l t sa l em o r ei na c c o r d 谢t 1 1h u m a nv i s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e e v a l u a t i o nh a sc e r t a i nd i r e c t i v er o l et oc o d i n g k e y w o r d s ：w i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n ；r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ；v i d e o q u a l i t ya s s e s s m e n t ；h 2 6 3 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：形脊i 导师( 签 日期b 7 ，y 沙 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章简要回顾了无线视频传输发展的历程，介绍了无线视频传输中的主要 问题、研究背景以及技术现状，并指出了目前无线视频传输的主要发展方向。 1 1 引言 随着科学技术的发展和社会生活的进步，人类对信息的需求量越来越大， 人们希望无论何时何地都能够方便、快捷、灵活地通过语音、数据、图像与视 频等多种方式进行通信。这其中，对视觉信息的需求占据了大约6 0 以上，它 能给人们以直观、生动的形象反映，也正因此，图像视频的传输更受到人们越 来越广泛的关注。 近几年来，光纤网、移动通信网和下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ， n g n ) 的不断飞速发展，大大改善和提高了不同网络业务的可利用带宽资源，这 也促使了网络业务类型的多样性发展。视频流传输( v i d e os t r e a m i n g ) 就是其中一 项正在迅速发展的技术，它可以广泛应用于视频点播、网上购物、电视会议、 远程教育、远程医疗、安防监控以及实况转播等领域1 1 5 】。所谓网络视频流传输， 站在服务器的角度来看是一个动态的概念，即连续发送视频数据经过网络信道 到达用户端，这一连续的随时间变化的码流数据被称为流( s t r e a m i n g ) ；从客户端 的角度来看，并不需要下载或者接收全部码流就可以开始解码播放，而且后续 码流的到达是连续的、无间隔的。网络视频流传输业务具有连续性传输、数据 量大、对实时性和可靠性要求高等特点，同时其传输信道也具有如下不利于该 业务的特征，首先基于无链接传输的i n t e m e t 网络不是为连续媒体数据的传输而 设计的，它是一个与时间变化和空间变化都有很强相关性的共享通信信道，这 决定了i n t e m e t 网络“尽力而为”( b e s t e f f o r t - t ) 的服务特色，其本身并不确保数据 传输的可靠性；其次，网络通信中同一群组的各个用户不仅可能在机器类型、操 作系统、外设性能( 如显示分辨率和颜色) 、c p u 处理能力等方面存在巨大差异， 而且网络接入类型及连接各用户的不同网络段也会在物理通道、带宽资源、传 输延时和信道丢包率等方面有所不同，此即所谓的网络异质特性 ( h e t e r o g e n e i t y ) 峥j ，如图1 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 无线通信以及网络协议的快速发展终究会实现无线视频任何时间、任何地 点、采用任意终端设备、进行任意内容的通信的目标。但目前，无线视频应用 依然面临多方面挑战，如动态变化的网络结构、较高的错误概率、稀缺的无线 资源( 带宽、功率、处理能力) 以及时变的传输环境。正因为如此，围绕无线 视频传输技术的研究正进行得如火如荼【l 司，广泛开展的研究大致可分为三类： 源编码视频编码技术及标准，无线网络传输技术及协议，无线视频传输系 统研究。 以上我们简要介绍了视频编码传输的研究背景及主要问题。下面，我们回 顾一下视频编码传输的历史，描述一下无线视频传输的现状，并展望一下无线 视频传输的未来。 1 2 技术背景、国内外研究现状及发展方向 1 2 1 技术背景 研究视频数据可以发现其中存在大量的冗余，减少图像的冗余度就可以极 大地减少图像的数据量。这些冗余主要表现在空间冗余度、时间冗余度两个方 面，其它还包括信息嫡冗余、视觉冗余、结构冗余、知识冗余、纹理统计冗余 等等。早在1 9 4 8 年，被称为“信息论之父”的香农( s h a n n o n ) 发表了通信的 数学理论一文瞵j ，其中阐述了噪声信道下数据传输以及数据压缩的基本理论， 为设计有效而可靠的通信系统提供了坚实的理论依据。香农信息论的最大特点 就是将概率统计的观点和方法引入到通信理论中，揭示了通信系统中传送的对 象是信息，并对信息给出科学的、定量的描述，指出通信系统设计的中心问题 是在随机噪声干扰下如何有效而可靠地传送信息，实现这一目标的途径是信源 编码和信道编码，并且从理论上证明了可以达到的最佳性能限。 通信系统的实质就是研究传输信息和存储信息的原理和方法【啦】。各种通信 系统( 包括存储系统) ，如电报，电话，图像，计算机和雷达等系统，虽然其形 式和用途各不相同，但从信息传输的角度讲，都具有相同的模型。即一个完整 的通信系统( 除去信源，信道和信宿) 可以分为三大部分信源编码、信道 编码和调制。信源编码也称压缩编码 3 ，4 ，5 】，目的是为信源信息( 如文本、声 音、图形、图像、数据等) 提供有效的表述。表述的越有效，信息传送速度越 快，占用的存储空间或带宽越少。信道编码又称差错控制编码【6 】，目的是为了 2 武汉理工大学硕士学位论文 纠正或是掩盖由传输或存储引起的错误，保证在满足信息传输可靠性( 错误概 率小于特定值) 的条件下最有效的利用信道的传信能力。调制的主要目的是将 信道编码的输出变成适合于信道传输要求( 带宽、波段、功率、通信时间等) 的信号形式。对于信源编码，香农1 9 4 8 年的文章中指出信源压缩在大于一个理 论极限的情况下可以被完好的重建，这一极限描述了无损压缩( h u f f m a n ， l e m p e l z i v 以及算术编码等) 能力的极限。同时，香农还在他的信源编码理论 中提出了有损压缩的框架。他定义了信源的率失真函数来描述在一定失真情况 下信源信息所能达到的最小比特率的界限，并且指出在信源采用的编码序列足 够长的情况下，编码速率可以以任意速率接近这一界限。 对于信道编码，香农发现了描述信道传送信息最大能力的物理量信道 容量，并且指出在传送的信息量低于信道容量的情况下，可以获得任意小的错 误概率。但是在香农的文章中并没有提出在实际中如何找到最佳编码的方法。 到目前为止，已有很多文献在信道编码和调制领域中做了广泛的研究，并且取 得了一些成果，但这一问题仍然没有解决。 在香农的信源信道定理的指导下，人们在信源编码系统和信道编码系统的 理论和实际应用上都取得了很大的进展。在理论上，人们在设计性能优秀的信 源编码和信道编码方法上取得了令人振奋的成绩。在实际应用方面，人们也为 各种优秀的信源和信道编码方法设计出了快速算法。 以视频( 图像) 压缩领域为例：在短短的几十年内，各种压缩算法标准推 陈出新，不断涌现( 表1 1 ) 。静止图像压缩算法从最早的用于传真的二值图像 或低精度的灰度图像无损压缩国际标准j b i g 9 1 发展到用于数字照相、图像编辑 的灰度和彩色静止图像编码j p e g 标准【l o 】，到现在的用于碑网、移动通信、电 子商务的j p e g 2 0 0 0 标准【1 1 1 ，用了不到1 0 年的时间。视频压缩算法从用于i s d n 视频会议的i t u 标准h 2 6 1 标准【1 2 1 ，到用于在模拟电话线路传输视频会议和连 接到因特网的桌面和移动终端的h 2 6 3 标准【l 习；从用于在c d r o m 上存储电影 以及其它消费视频应用系统的m p e g 1 标准【1 4 】，到用于广播和d v d 数字视频 存储的m p e g 2 标准i l 引，再到应用于因特网视频、交互式视频、专业视频、二 维和三维计算机图形以及移动视频通信的基于对象的m p e g 4 标准【1 6 】，用于内 容管理( 如数字图书馆) 的基于内容检索的m p e g 7 标准【1 7 】，到刚刚制定出来 的用于更加有效地提高视频编码效率和对网络适配能力的h 2 6 l ( h 2 6 4 ) 标准 u 引，也才用了1 0 年的时间。并且前进的步伐还在不断的继续。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1国际标准化组织制定的一系列视频图象压缩编码标准 标准标题制定者目标应用场合 v i d e oc o d e cf o ra u d i ov i s u a l 综合业务数字网i s d n 中的视 l l2 6 l i t u t s e r v i c e sa tp 6 4k b i t s s 频会议 p r o g r e s s i v eb i l e v e li m a g e j b i g j p e g传真、打印等 c o m p r e s s i o n d i g i t a lc o m p r e s s i o na n dc o d i n g数字照相、图像视频编辑 j p e g j p e g o fc o n t i n u o u s t o n es t i l li m a g e 等 c o d i n go fm o v i n gp i c t u r e sa n d 肝e g 一1a s s o c i a t i e da u d i of o rd i g i t a l加e g 光盘存储、家用视频摄像、 视频监控等 s t o r a g em e d i au pt o1 5 m b it s 数字电视、d v d 、高清晰度 e ( 卜2 g e n e r i cc o d i n go fm o v i n g 蛐e g 电视、有线电视及卫星电 p i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i of 视、视频点播等 h 2 6 3 桌面可视电话、移动视 v i d e oc o d i n go fl o wb i tr a t e i t 【j t l2 6 3 + c o m m u n i c a t i o n 频通信等 i p 网络视频会议、交互 式视频通信、便携式视 m p e ( 卜4 c o d i n go fa u d i o - v i s u a lo b j e c t s 加e g 频通信终端、专业视频 等 l i 2 6 3 + + v i d e oc o d i n gf o rl o wb i tr a t e i t u t 桌面可视电话、移动 c o m m u n i c a t i o n 频通信等 传真、电子商务、卫星 j p e g 2 0 0 0j p e g 2 0 0 0i m a g ec o d i n gs y s t e mj p e g通信、遥感图像编码、 i p 网图像监控等 有线电视、无线视频通信、 j o i n tv i d e os p e c i f i c a t i o n ( i t u 1o f包基网络的视频传输、i p 视 k 2 6 4 f 峨ctr e c h 2 6 4i s o i e c1 4 4 9 6 1 0加e ga n d频会议系统、光盘存储、高 a r c )i t u t 质量视频编解码系统、多媒 体邮件等 在信道编码方面，从最早的汉明( h a m m i n g ) 码，到b c h 码、r s 码，到 卷积码、级联码，以及近年来应用较广的t u r b o 码等【1 9 1 ，各种编码方法已经广 泛应用于各种通信系统的可靠性传输方面。例如t u r b o 码就已经被确定为第三 代移动通信系统中的信道编码方式。 1 2 2 国内外技术现状 对于无线视频传输，带宽始终是最关键的瓶颈，因而如何尽可能地提高视 频编码的压缩率以有效利用有限带宽是需要解决的一个重要问题。作为视频压 缩的最新标准，h 2 6 4 是由i t u t 大力发展的适用于低码率传输的新一代视频 压缩标准。i t u t 认为，今后花费在计算芯片和内存上的成本将急剧下降，从 4 武汉理工大学硕士学位论文 而带来视频压缩功能的大幅提高，最终促成设立i t u 视频编码专家组v c e g 领 导下的h 2 6 l 项目。它的目标是发展一种简单的、直接的、高压缩性能的视频 编码设计，并针对“会话”服务( 如可视电话) 和“非会话”服务( 如视频的存储、 广播及视频流) 提供更加适于网络传输的方案。h 2 6 3 仍采用了混合编码模式， 但它在吸收原有标准优点的基础上，全面应用视频通信的最新理论和技术成果， 对视频编码多个环节的技术方案进行了改进并引入了一些新的算法，显著地提 高了编码效率。编码效率的提高不是没有代价。由于h 2 6 3 采用了相当复杂的 预测编码技术，其编码复杂度也远高于其它编码标准，同时压缩码流对传输误 码非常敏感，即使单个比特的误码也可能严重干扰正常解码过程，造成视频重 建质量的急剧下降。因此，如何降低运算复杂度、如何提高视频编码算法的抗 误码能力是h 2 6 3 在应用时需要考虑的重要问题。 图1 1i n t e r n e t 网络的异质特性 当前通过无线信道接入因特网( 例如无线通信网络) 获得了广泛的重视。 由于基于无连接传输的因特网不是为连续媒体数据的传输而设计的，它是一个 武汉理工大学硕士学位论文 与时间变化和空间变化都有很强相关性的共享通信信道，这决定了因特网“尽力 而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务特色，其本身并不确保数据传输的可靠性；其次， 网络通信中的不同用户不仅可能在机器类型、操作系统、外设性能( 如显示分 辨率和颜色) 、c p u 处理能力，缓存能力等方面存在巨大差异，而且网络接入 类型及连接各用户的不同网络段也会在物理通道、带宽资源、传输延时和信道 丢包率等方面有所不同，此即所谓的网络异质特性( h e t e r o g e n e i t y ) ，如图1 1 所示。 因此，即便是对于一个高效压缩编码后的视频流数据，当多个用户试图通 过不同的通信链路( 具有不同的可利用带宽资源) 同时接入相同的视频时，仍 会出现相当的困难。例如，某个用户可以在通过高速链路( 例如a d s l 调制解 调器) 连接到服务器的终端上实时下载以1 5 m b p s 编码的m p e g 1 视频并重放， 但仅有5 6 k b p s 调制解调器连接的用户将不能实时接收足够的比特进行重放。这 样，视频码流的可伸缩性概念就应运而生了【2 0 _ 2 2 1 ，它是指通过仅解码一部分压 缩的比特流就可物理地恢复有意义的图像或视频信息的能力。如上面所说的网 络传输视频流业务，如果数据是可伸缩的，那么具有高带宽接入的用户可以下 载或接收整个比特流以观看高质量的视频，而具有5 6 k b p s 低带宽接入的用户则 可以只下载或接收视频数据流的一部分，观看一个低质量的演播。可伸缩视频 流可以提供对变化的信道误差特征的适应性以及对接收终端计算能力的适应 性。对于无线通信，可伸缩性允许调整信源编码速率，并允许应用不等重误码 保护技术以适应不同的信道误码环境。对于i n t e m e t 网络信道，视频流的可伸缩 性使得同时为具有不同接入速率、信道带宽和终端设备能力的用户提供不同质 量的视频通信服务成为可能，因为服务器可以根据不同用户的可利用带宽资源， 有选择的丢弃一部分相对不重要的数据，从而保证其他重要数据的传输质量和 可靠性。除了可伸缩编码之外，最近的研究表明，多描述编码( m u l t i p l e d e s c r i p t i o n c o d i n g m d c ) 可以有效改善视频流在无线网络中的鲁棒性及传输质 量 2 3 锄j 。m d c 将视频内容编码成多个描述子并通过不同的信道( 或者同一物理 信道上的不同路径) 分别传输，每个描述子均包含从其它描述子中无法获得的 信息并且独立可解，接收端参与解码的描述子越多，恢复图像的质量就越好。 1 2 3 发展方向 一系列标准的制定并不意味着视频压缩算法研究的终止。随着新的应用领 6 武汉理工大学硕士学位论文 域和新的业务类型的不断出现，原有的标准会表现出一定程度的不适应和缺陷。 同时，国际标准的制订组织为了兼顾绝大多数图像视频处理领域的需求，并没 有提出或者强制规定某些功能模块的具体算法，因此就为从信源端信号处理方 法的角度研究更有效、更高编码效率的视频压缩算法提供了可能性和发展空间。 除了压缩率之外，无线网络传输还对视频码流提出了更多要求，例如良好的抗 误码性能和可伸缩性等。码流的完全可伸缩性是视频压缩的一个重要努力方向。 由于预测环路的存在，传统的可伸缩视频编码器生成的码流都不具有完全可伸 缩性。如何在不牺牲编码效率的前提下，消除预测环路，实现码流的完全可伸 缩性，是当前视频压缩的一个重要方向。目前主要的工作集中在三维小波变换 等，例如运动补偿时域滤波( m o t i o nc o m p e n s a t i o nt e m p o r a lf i l t e r , m c t f ) 2 7 1 。 可以预见，下一代的无线通信网络将是基于因特网与各种接入技术( 例如 无线局域网) 的结合之上的【2 引，例如第四代无线通信系统( 4 g ) 。它将有着更 宽的带宽和更高的传输可靠性，网络结构也将更加多样。m p e g 4 开发组将媒 体传输过程归为以下三方的互动协作过程，即：媒体内容提供者、传输服务提 供者和媒体内容消费者。媒体内容提供者负责生成媒体内容的表示例如音视频 编码等，传输服务供者负责媒体内容的传输。对媒体内容提供者而言，主要的 任务在于使得媒体内容的表示更加紧凑( 亦即压缩效率更高) ，更适合传输( 例 如具有容错性，可伸缩性等) 。对传输服务提供者而言，主要的任务在于使得传 输速度更快( 高带宽) ，可靠性更高( 低误码) 。多媒体业务对传输有多方面的 要求，例如带宽，延时，可靠性等。尤其是视频内容具有数据量大的特点，对 于流式服务和对话服务，还有实时性的要求，而由于传输系统( 因特网、无线 网络等) 存在的局限，当前的传输信道具有不利于视频传输的特征，无法保证 满足多媒体业务对传输的多方面要求，因而引入了服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ， q o s ) 的概念。网络视频流传输业务具有连续性传输、数据量大、对实时性和 可靠性要求高等特点。 研究不同的q o s 要求下的无线视频传输的质量评估是当前的一个重要方 向。 1 3 无线视频面临的主要问题 由于图像和视频业务的数据量大、对误比特率( v b r ) 要求高，无线信道 又具有易错、时变和带限的特点，因此信道的误比特率要比有线环境大得多， 7 武汉理工大学硕士学位论文 并且随着基站、终端位置、方向的改变而变化很大。一方面，试图通过适应尽 量做好( b e s t e f f o r t ) 的i n t e m e t 模型来保持端到端的视频服务质量( q o s ) 实在 太具有挑战性了，因为视频流具有可变比特率( v b r ) ，同时无线信道是一个不 可预测的时变信道。另一方面，许多媒体编码器根本就没有考虑信道的情况。 基于无线信道不太稳定和易受干扰的特性，在考虑压缩算法的同时，也要考虑 容错和纠错技术。为了适应带有更多便携无线终端的下一代无线网络进行信息 传输，在满足q o s 需求的同时必须使功率的消耗最小化。由于上述原因，无线 视频系统在实用化进程中面临着许多艰难的问题，主要有两方面如下： ( 1 ) 实时性要求高人眼对视频信号的基本要求是，延迟小，实时性好。而 普通的数据通信对实时性的要求就比较低，因此相对普通数据通信而言，视频 通信要求更好的实时性。人的视觉和生理特性要求视频图像的编解码器必须满 足每秒完成1 6 幅以上图像的编解码才不会让人产生“闪烁”，“慢动作”等不良效 果。因此，文中所有应用的算法都必须满足实时应用的要求。同时，实时性也 是无线视频评估系统的不可缺的特性。如果没有实时性的保证，一个断断续续 的视频图像，高延迟的画面是视频用户不能接受的。 ( 2 ) 缺乏q o s 保证。无线视频的播放有严格的实时性要求，要求网络为 视频传输提供足够的带宽、可以容忍的延时和误码率。为了获得可接受的重建 视频质量，视频传输通常至少需要2 8 k b s 左右带宽。而视频传输对延时非常敏 感，为了保证连续、流畅地播放，视频数据必须及时地到达接收端，否则播放 过程会中断，造成播放质量的严重下降。然而一般的无线通信网络难以提供可 靠的服务质量( q o s ) 保证。视频通信数据往往是通过压缩编码之后的数据。 压缩编码一般都使用去除视频空间和时间相关性的技术，在接收端恢复时，恰 恰又是利用这些相关性恢复原来的视频数据。从中可以看出，视频编码数据在 传送时如果发生误码，就不只是影响本数据的恢复，而且还影响了与其有相关 性( 包括空间和时间相关性) 的数据的恢复，这一现象，通常称之为误码扩散。 即使误码对于图像质量影响不大，经过以上的误码扩散，也会使恢复图像面目 全非。 1 4 本文研究的内容 本文的结构安排如下： 第一章绪论。介绍了无线视频传输的研究背景以及存在的主要问题。简要 8 武汉理工大学硕士学位论文 回顾了无线视频传输的发展历程，描述了当前的技术现状，指出了未来的发展 方向。并给出了本文的研究内容、主要贡献和成果以及论文的结构安排。 第二章无线网络评价的研究。本章介绍了无线网络的评价方法，综述了无 线网络的音频视频评估的技术指标。提出了一种基于h 2 6 3 的视频源压缩格式 的3 g 无线网络视频评价方法。该方法比较输入的原始语音视频数据和衰减后 的数据，输出一系列比较结果，以指出通信网络对视频数据的传输服务质量。 第三章视频流无线网络实时传输协议。本章在分析常见传输层协议及其分 组报文数据结构的基础上，提出了一种基于u d p 的视频流分组网络实时传输协 议，并分别从数据打包结构、包失序及滑动大小的缓冲区控制等几个方面详细 讨论了该协议的工作原理、流程，无线网内部的测试结果验证了该协议的可行 性和有效性。 第四章系统应用及分析 第五章总结与展望 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线网络评价的研究 一评估工作是网络建设中不可或缺的重要环节。本章介绍了无线网络的评价 方法，综述了无线网络的音频视频评估的技术指标。提出了一种基于h 2 6 3 的 视频源压缩格式的3 g 无线网络视频评价方法。 2 0 1 引言 由于无线信道不太稳定和易受干扰的影响，这就对传输的码流造成一定的 误码率。如何对搭建好的3 g 无线网络公正、客观的评价，就需要对通过无线 网络传输的码流进行评估。通过对其传输的音频视频数据帧的误码率、延迟时 间、乱序、吞吐量、稳定性等综合性能的分析，来评估3 g 无线网络的实际通 信效果。 视频电话和视频点播作为3 g 网络的新型业务，从推出开始就受到了较大 的关注。除了从用户角度主观感受视频业务质量外，还需要通过专业、量化的 视频参数来客观评估视频业务的服务水平，例如p e v q ( p e r c e p t u a le v a l u a t i o no f v i d e oq u a l i t y ) ，帧信息，同步信息，c r c 校验信息，抖动，时延等。目前，p i o n e e r 测试系统支持两种测试方式，一种是类似于m o s 测试，通过传输标准的视频 文件给被叫方，在接收端同步录制接收方视频并计算评估相应的视频指标；另 一种是通过终端自带摄像头，实时录制视频图像发送给被叫手机，记录相关的 无线指标。这种测试方式更为直观，但其受限于终端的处理能力和摄像头的捕 捉能力，无法保证测试的客观性。 2 2 无线视频传输的分层模型 典型的视频通信系统通常由以下几个部分组成，如图2 1 所示。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 视赢耐1 闼i| 豳攀睢数据 i 瞳囟i甲l 函i i 毯豳卜觥一l 囫豳l 图2 1 视频通信系统框图 信源编译码器：信源编码器就是把信源发出的消息( 如语言、图像、文字 等) 转换成为二进制或多进制形式的信息序列，并且为提高传输效率而进行压 缩，以去除冗余。信源译码器则根据收到的信息恢复出原始信源信息。 信道编译码器：信道编码器为经过信源压缩的信息增加冗余度 2 9 。3 1 】，使其 具有自动检错或纠错能力，以抗击传输过程中的各种干扰。信道译码器则从受 干扰的信号中最大限度地提取出有关信源输出的信息。 信道：是将信号从发端传到收端的媒体或通道。 干扰源：包括衰落、多径、码间干扰、非线性失真、噪声等。主要可以分 为两类。一类称为加性干扰【3 2 】，是由外界引入的随机干扰( 如天电干扰、设备 内部的噪声) ，它们与信道输入信号统计无关【3 3 1 ，信道的输出就是输入和干扰的 和。另一类称为乘性干扰【3 4 j ，这类干扰使信号在传播过程中由于物理条件的变 化( 如温度、电离层位置随机变化等) 引起信号参量( 如频率色散、幅度衰减、 相位偏移等) 随机变化【3 5 】，此时的信道输出为输入信号与某些随机变量相乘的 结果。 由于无线信道的可靠性比有线信道差，误码率高，因而对搭建好的无线网 络在应用之前先进行评估测试显得尤为重要。建立一套视频质量客观评价标准， 来更好地对3 g 网络服务质量定量分析和评估，就逐步成为移动网络运营商在 网络建设过程中必须考虑的关键问题。就必须在评估达标以后，才能正式颁布 应用。 2 3 视频质量的特性 ( 1 ) 静态性与动态性 空间域上的损伤，如量化损伤、d c t 变换损伤等对人眼的刺激称为静态损 伤。视频信号连续播放时，各种损伤对人眼的刺激称为动态损伤。人眼对静态 武汉理工大学硕士学位论文 损伤比对动态损伤更为敏感。 ( 2 ) 内容相关性 一定量的编码损伤是否被人眼察觉，即取决于损伤的大小，也取决于图像 的内容。因为同样幅度的损伤位于图像不同区域或时间段，给人的感觉也不尽 相同。 ( 3 ) 编码算法相关性 编码算法不同，损失的信息也有不同的特点，从而人眼的感受也不相同。 2 4 视频质量的评价方法 实际的视频编码均采用失真编码，视频传输都可能出现误码，从而引起失 真。如何客观的度量这种失真，并且使客观度量结果和人的视觉感受一致，是 视频编码、视频通信领域的一个重要问题。在以人眼为最终信宿的视频应用中， 视频图像质量应与人的视觉相匹配，评价视频图像质量应以人的视觉为依据。 一般来说，视频图像质量评价方法分为主观评价方法和客观评价方法。 2 4 1 视频质量的主观评价方法 在视频编解码过程中，目前一般采用峰值信噪比( p e a ks i g n a l n o i s e r a t i o ，p s n r ) 或均方差( m e a ns q u a r ee r r o r , m s e ) 衡量视频序列的失真度，即 姗= 1 0 1 9 ( 为 ( 2 - 1 ) m s e = 素一毫) 2 ( 2 - 2 ) 其中，x i 和x i 分别为原始图像与重建图像中对应的