（信号与信息处理专业论文）无线传感网络中分布式分级视频编码研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：图堡处堡皇垒堪佳通篮 作者：盟级研究生余少洁 指导教师：塞菱昌熬拯盟昱 题目：无线传感网络中分布式分级视频编码研究 英文题目：r e s e a r c ho fd i s t r i b u t e dl a y e r e dv i d e oe n c o d i n gi n 胁l e s ss e n s o rn e t w o r k 主题词：视频编码分布式分级视频编码码率控制边信息 k e y w o r d s ：v i d e oc o d i n g ，d i s t r i b u t e dl a y e r e dv i d e oe n c o d i n g ，b i tr a t e c o n t r o l ，s i d ei n f o r m a t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着无线通信技术和互联网的飞速发展，人们可以实时地获取多媒体数据，特别是信 息丰富的高分辨率视频数据。但在无线传感网络中，由于传感网络受节点资源、传输带宽 等方面的限制，用于该网络的视频编码算法必须简单易实现，编码效率高，而且具备较强 的抗误码能力。分布式分级视频编码作为一种新的编码方法，将编码复杂度由编码端转移 到了解码端，同时能够获得较好的视频重建质量，可以适应无线传感网络视频传输的要求。 本文主要研究在无线传感网络中分布式分级视频编码方法，具体内容包括以下几个方 面： 首先，分析无线传感网络视频传输的特点，研究分布式视频编码和分级视频编码的原 理及实现方式。 然后，在分级视频编码的基础上，重点研究基本层和增强层的视频编码的关键技术。 在基本层的编码端，分析基本层的码率控制技术，以像素梯度作为图像复杂度标准，研究 并实现了一种自适应帧内编码的码率控制算法，可以有效控制编码端输出码率。 接着，在基本层的解码端，研究实现了两种时域帧内插值预测边信息算法，一种是一 般的帧内插值算法，另一种是优化算法。优化算法产生的边信息的客观质量比一般的帧内 插算法的结果有明显改善。 此外，在增强层中，研究了空间域w y n e r - z i v 视频编码，提出一种d c t 域w y n e r - z i v 视频编码方法，对边信息性能进行改进。d c t 域w y n e r - z i v 编码方法的编码效率比空间域 的w y n e r z i v 视频编码效率提高了数倍。在编码率相同时，d c t 域w y n e r - z i v 编码方法的 重建图像质量比空间域w y n e r - z i v 编码方法的重建图像质量高。 最后，在计算机上仿真实现分布式分级视频编码系统，与传统帧内编码( h 2 6 l ) 算 法进行性能比较，并得出相关结论。 关键词：视频编码分布式分级视频编码码率控制边信息 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei n t e r n e t , i ti sp o s s i b l ef o rr e a l t i m ea c c e s s i n gt om u l t i m e d i ad a t a , e s p e c i a l l yi n f o r m a t i o n - r i c h h i g h - r e s o l u t i o nv i d e od a t a h o w e v e r , i nw i r e l e s s n s o rn e t w o r k s ，d u et o s e n s o rn e t w o r k r e s o u r c e sb yt h en o d e s ，t h et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hc o n s t r a i n t sf o rt h en e t w o r kv i d e o c o d i n ga l g o r i t h mm u s tb es i m p l ea n de a s yt oa c h i e v e ，c o d i n ge f f i c i e n c y , b u ta l s os t r o n g a n t i - e r r o rc a p a c i t y a san e wc o d i n gm e t h o d ，d i s t r i b u t e dl a y e r e dv i d e oe n c o d i n g sc o d i r i gc o m p l e x i t ys h i f t e dt ot h ed e c o d e rs i d ef r o mt h ec o d i n gs i d e ，a n da tt h es r t n et i m eb e a b l et o o b t a i nb e t t e rv i d e or e c o n s t r u c t i o nq u a l i t y s oi tc a nb ea d a p t e dt ow i r e l e s ss e n s o m e t w o r kv i d e ot r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rs t u d i e sd i s t r i b u t e dl a y e r e dv i d e oc o d i n gi nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w h i c hs p e c i f i c a l l yi 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 , t h i sp a p e ra n a l y z e sw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o f n e t w o r k st os t u d yt h ed i s t r i b u t e dv i d e oc ( d i n ga n ds c a l a b l ev i d e oc o d i n gt h e o r ya n d i m p l e m e n t a t i o n b a s e d t h es c a l a b l ev i d e o d i 】喀她f o c u s 蚰k e yt e c h n o l o g i e so ft h e b a s i cl a y e ra n de n h a n c e m e n tl a y e rv i d e oc o d i n g i nt h eb a s el a y e rc o d i n g ，t h ea n a l y s i s o fu n d e r l y i n gl a y e rr a t ec o n t r o lt e c h n o l o g y , r e s e a r c ha n di m p l e m e n ta na d a p t i v ei n t r a - f r a m ee n c o d i n gr a t ec o n t r o la l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h e o u t p u tb i tr a t eo fe n c o d i n gs i d e i nt h eb a s el a y e rd e c o d i n gs i d e ，s i m u l a t i o n , i n t e r p o l a t e dt oa c h i e v eat i m e - d o m a i ni n t r ap r e d i c t i o ns i d ei n f o r m a t i o no ft h e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m , a n dw i t ht h eg e n e r a l p e r f o r m a n c eo fi n t r a - f r a m ei n t e r p o l a t i o na l g o d t h r nf o rc o m p a r i s o n i nt h ee n h a n c e dl a y e r t os t u d yt h es p a t i a ld o m a i nw y n e r - z i vv i d e oc o d i n ga n dad c td o m a i nw y n e r - z i vv i d e oc o d i n ga l g o r i t h mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs i d ei n f o r m a t i o n f i n a l l y , t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nad i s t r i b u t e dl a y e r e dv i d e oc o d i n gs y s t e mw i t ht h et r a d i t i o n a li n t r a - f r a m ec o d i n gf f i 2 6 l ) a l g o r i t h m ，a n dt od r a wr e l e v a n tc o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：v i d e oc o d i n g ，d i s t r i b u t e dl a y e r e dv i d e oe n c o d i n g ，b i tr a t ec o n t r o l ，s i d ei n f o r m a t i o n i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要耍i a b s t r t 目录i i i 第一章绪论1 1 1 无线传感网络1 1 1 1 传感网络的特点1 1 1 2 传感网络中的视频传输2 1 2 分布式分级视频编码3 1 2 1 分布式视频编码3 1 2 2 可分级视频编码3 1 3 课题介绍 1 3 1 课题的研究背景 1 3 2 课题内容与意义 1 3 3 国内外研究现状 1 4 本文主要研究工作和论文结构 第二章分布式分级视频编码一7 2 1 分布式编码理论基础7 2 1 1 无损的分布式编码7 2 1 2 分布式有损信源编码8 2 2 分布式视频编码的典型方法9 2 3 分布式视频编码中边信息。l o 2 3 1 边信息的预测l o 2 3 2 边信息与系统性能l l 2 4 可分级视频编码1 2 2 4 1 视频编码的可分级1 2 2 4 2 可分级视频编码的主要方法1 3 2 5 分布式分级视频编码框架1 3 2 6 本章小结1 5 1 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 第三章基于帧内编码的基本层视频编解码- 1 6 3 1 基于h 2 6 l 的帧内编码1 6 3 2 分布式视频编解码的码率控制1 6 3 2 1 关键帧的自适应码率控制1 7 3 2 2 实验结果与分析1 9 3 3 基本层解码端边信息估计。2 l 3 3 1 分布式视频编码的运动估计与边信息预测2 l 3 3 2 一般运动补偿帧内插法2 2 3 3 3 运动补偿帧内插法优化2 3 3 3 4 实验结果及分析2 7 3 4 本章小结。3 0 第四章基于纠错码的增强层视频编解码。3 2 4 1 空间域基于纠错码的增强层3 2 屯1 1 基于t u r b o 码的分布式视频编码 4 1 2 空间域w y i 坝。z i v 视频编码 4 13 实验结果及分析 4 2 频域基于纠错码的增强层 3 2 3 8 3 8 4 2 1 斯坦福大学的基于d c t 域的分布式视频编码4 0 4 2 2 一种基于d c t 域的增强层w 油e r z i v 视频编码4 l 4 3 实验结果及分析一4 3 4 4 本章小结4 6 第五章分布式分级视频编码系统的性能。4 7 5 1 分布式分级视频编码率失真性能4 7 5 1 1 视频编码中的率失真4 7 5 1 2 帧内编码的基本层的率失真性能4 7 5 1 3 分布式分级编码的率失真性能4 9 5 2 其他性能。5 l 5 2 1 抗误码性能5 l 5 2 2 计算复杂度5l 5 3 本章小结5l 第六章总结和展望5 2 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 6 1 荐l 结5 2 6 2 展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 攻读硕士论文期间参加的科研项目和发表的论文5 8 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 无线传感网络 1 1 1 传感网络的特点 第一章绪论 传感器技术、嵌入式技术、现代网络、分布式信息处理技术、以及低功耗无线通信等 技术的飞速发展，推动了现代无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 的产生和 发展，它已经成为2 1 世纪的一个新研究领域。无线传感网络能够通过各类集成化的小型 传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式 被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现对目标信息的获取，典型网 络拓扑结构【l 】如图1 - 1 所示。图中小型传感器称作传感器节点( s e n s o rn o d e ) 。网络中一 般也有一个或几个基站( 称作s i i 屯或b a s es t a t i o n ) 用来集中从小型传感器收集的数据。 图1 1 无线传感器网络的拓扑结构 与计算机技术和网络技术不同，传感器网络通常是面向具体应用和具体任务的。传感 器可以包括声音传感器、图像传感器、温度传感器等各种形式的传感器。无线传感网络的 特点也很明显，主要有： ( 1 ) 带宽有限； ( 2 ) 传感节点功耗低； 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 3 ) 内存、缓存容量有限； ( 4 ) 易受噪声干扰： ( 5 ) 基站具有更强的数据处理和通讯能力以及更持久的电力。 1 1 2 传感网络中的视频传输 传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环 境数据( 如温度、湿度、光强等) 的采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日趋复杂多 变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求， 迫切需要将数据量大、内容丰富的图像、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监 测活动中。针对这种需求，无线视频传感器网络( w i r d e s sv i d e os e n s o rn e t w o r k , w v s 的研究应运而生 2 - 7 。 无线传感网络中视频传输的研究始于2 0 0 3 年，主要应用于监控，例如野生动物、自 然灾害、安全、军事领域等。目前，美国俄勒冈健康与科学大学、弗吉尼亚大学、卡耐基 梅隆大学、马萨诸塞大学等著名学府也开始了视频传感器网络方面的研究工作。在国内， 北京邮电大学等机构也已经开始了该领域的探索。 无线视频传感器网络具有电源能量有限、通信能力有限、节点计算能力有限、传感器 节点数量大且分布范围广、网络动态性强、感知数据流巨大等特点，对视频编码器的功耗、 复杂度、存储能力和传输能力提出了较高的要求。传统的视频编码标准，如m p e g 或h 2 6 l ，都采用基于d c t 变换和运动估计帧间预测技术的混合编码结构，在编码端充分挖掘视 频信号的空间和时间相关性，降低信号冗余度，达到压缩视频信号数据量的目的。在这种 混合编码框架中，编码器承担了运动估计这一高运算量的计算任务，且率失真性能完全由 编码端决定，使编码器的设计复杂度远高于解码器。尽管它们在当今的视频编码领域中得 到了普遍应用，然而在无线视频传感网络这类特殊场合，这种编码框架将面临严峻的挑战， 需要一种低功耗、低复杂度、低存储空间、高压缩效率和抗误码能力的编码策略适应这种 需求。 分布式分级视频编码算法恰恰可以解决这类问题，它的编码方式就是各个节点独立的 编码采集的信号，然后将编码后的信号送到同一个解码器进行联合解码。这种视频编码方 法可以应用于野生动物监控、自然灾害监控等的无线视频传感网络中【引。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 分布式分级视频编码 1 2 1 分布式视频编码 分布式视频编码是一种新的视频编码方式。这种新的视频编码方式在信息论方面时间 可追溯至u s l e p i a n w o l f 在1 9 7 3 年提出的无损分布式编码的信息论原理【9 】和1 9 7 6 年w y n e r - z i v 的使用解码端边信息实现的有损分布式编码原理。而分布式视频编码的实现算法却从2 0 0 2 年开始才随着无线传感器网络这类无线终端应用的产生而出现【l o 。1 3 】 因为不需要像传统的视频编码方法那样对输入信源进行帧间编码，分布式视频编码具 有下列特点：低复杂度的编码、高复杂度的解码；对于丢包的通信网络具有天生的鲁棒性； 压缩效率高于传统的帧内编码。基于这些特点，分布式视频编码适用于需要编码复杂度较 低的无线视频场合，特别是无线视频传感网络。在这些应用中，视频编码的复杂度和存储 都受限，分布式视频编码有着独到的优点：它的编码复杂度相当于帧内编码，远远小于帧 间编码，能够将复杂的运动估算转移到解码端，然后利用边信息进行联合解码得到较好的 恢复图像。 1 2 2 可分级视频编码 随着无线通信技术和i n t e r n e t 的飞速发展，人们实时获取多媒体数据，特别是信息 丰富的高分辨率视频数据已经成为可能。但是无线信道具有时变、带宽有限、误码率高等 特性使得在无线网络上实时传输高质量的视频成为一个挑战性的工作。 在这种背景下，可分级视频编码技术正在受到越来越多的关注。分级视频编码的基本 方法为：分级编码形成分层的比特流，一般包括一个基本层( b a s el a y e r ) 和一个或多个 增强层( e n h a n c e m e n tl a y e r ) ，基本层提供基本的图像质量，基本层加增强层提供更高质 量的图像质量【1 4 1 。 在带宽有限的情况下，分级编码可以优先传送基本层码流，随后再根据信道条件实时 调整传输策略，得到不同质量的解码图像。还可以根据解码器的处理能力或显示要求等因 素决定传送的比特率。另外，为了解决无线信道误码率高的问题，可以对基本层的码流实 施一定的保护措施。因此，对于资源有限并易受噪声干扰的无线视频传感网络，视频信号 的分级编码特性显得尤为重要。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 课题介绍 1 3 1 课题的研究背景 本课题研究的内容是在无线传感网络中的视频编码方式，来自于江苏省高校研究生创 新计划项目：无线传感网络中的分布式分级视频编码。 传统的数字视频编码方法( 如m p e g 系列和h 2 6 l 等国际编码标准) 普遍是采用基 于d c t 变换和运动估计帧间预测技术的混合编码结构。这种编码方式在编码端充分挖掘 视频信号的空间和时间相关性，降低信号冗余度，达到压缩视频信号数据量的目的。通常 情况下，编码器承担了运动估计这一高运算量的计算任务，且率失真性能完全由编码端决 定，使编码器的设计复杂度远高于解码器。 在无线传感网络中，视频传感节点( v s n ：v i d e os e n s o rn o d e ) 有两个基本要求：( 1 ) 编码器复杂度低、功耗低；( 2 ) 由于速率限制，编码器有较好的压缩效率和抗误码性。但 是，传统的混合编码方式无法很好的解决这个闯题 如本章第1 2 节所述，分布式分级视频编码具有的编码复杂度低、存储空间小、抗误 码性能强等特点恰好满足了无线传感器网络中低处理能力的发送终端和高处理能力的接 收服务器的视频编码的需求 本课题主要解决的问题是在无线传感器网络中的视频编码方案，在传感器节点上拟采 用分布式视频编码的方法和视频信号的分级编码策略，并在计算机上仿真实现。 1 3 2 课题内容与意义 本课题基于无线传感网络中的视频编码的理论【1 5 】【1 6 】，在传感器节点上采用视频的分 级编码策略，探索一种适用于无线传感网络的视频编码方案弓争布式分级视频编码方式。 本课题研究内容主要分为两个部分。第一部分重点研究分布式分级视频编码基本层的两个 关键技术：基于h 2 6 l 帧内编码的码率控制和解码端基于运动估计的边信息预测。第二 部分重点研究在增强层上使用分布式视频编码中的w - z 帧编码，以及基本层加上增强层后 图像质量的改善。 分布式分级视频编码，基本层编码部分采用符合视频标准的帧内编码( h 2 6 l 的帧内 编码) ，解码采用灵活有效的分布式视频解码，这样这个编解码系统即有视频标准的兼容 性，又可以具有分布式视频编码优良的特性【1 7 l 【1 踟。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 本课题的目标就是研究一种新的适用于无线传感网络的分布式编解码算法，编码构架 基于视频标准，复杂度不高于传统的帧内编码，解码的复杂度较高。编码效率高于传统帧 内编码，并具有良好的抗误码特性，适合无线传感网络中的视频通信。 1 3 3 国内外研究现状 目前关于分布式视频编码的研究刚刚起步，主要的编码算法有：b c m dg i r o d 等提出 的w y n e r - z i v 视频编码【均1 1 2 0 ；r a m c h a n d r a n 等提出的p r i s m 视频编码【2 1 】；z i x i a n gx i o n g 提出的分级w y n e r - z i v 视频编码【捌；基于小波编码的分布式视频编码方案因】等。 通常在分布式分级视频编码中的基本层用传统的编码方法，而增强层用分布式信源编 码方案。x u 2 4 1 等是最早提出分布式分级视频编码的，把w y n e r - z i v 信源编码的思想引入 视频信号的可分级编码，基本层用标准的视频编码方法进行编码，而增强层用w z 编码。 文献【2 5 】把w y n e r - z i v 方法用于增强层的编码，通过视频帧编解码的过程中改变空间分辨 率实现了空间域可分级编码。文献【2 6 】同时实现了空域、时域和信噪比可分级编码。 目前，分布式视频编码已经成为视频编码领域的热点课题之一。2 0 0 6 年在北京召开 的第2 5 届p i c t u r ec o d i n gs y m p o s i u m 口c s ) 会议上，将分布式视频编码作为做了专题讨 论。欧洲e l s e v i e r 出版社的期刊 s i g n a lp r o c e s s i n g ) 在2 0 0 6 年1 1 月出版了“分 布式编码一专刊。i e e e 学报t r a n s a c t i o n so nc i r c u i t sa n ds y s t e m sf o r v i d e ot e c h n o l o g y 也即将推出“分布式视频编码 专刊。国内也有一些研究机构正 在开展这方面的研究，如清华大学，微软亚洲研究院、北京邮电大学和南京邮电大学等高 校及科研机构【2 7 l 【2 8 】【2 9 1 。随着分布式信源编码研究的日益深入，它已被学者们用来解决更广 泛的问题，如用于低复杂度编码、多视角编码、信息安全、可伸缩编码、多描述编码、光 场编码等领域。这些研究成果和研究工作，无疑对推动分布式视频编码的研究发展都起到 了积极的推动作用。 1 4 本文主要研究工作和论文结构 本文首先研究无线传感网络中视频通信的特点。分析网络中的视频节点对编码复杂 度，计算量的限制，无线传感网络中的误码特性，在视频节点上采用并实现分级分布式视 频编码。在基本层上，深入研究了两个关键技术，帧内编码的码率控制和边信息预测算法， 实验仿真了编码码率的控制效果和生成的边信息的性能测试。在增强层上，使用分布式视 频编码中的d c t 域w - z 帧编码，这种d c t 域w - z 帧编码复杂度低于传统的频域分布式 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 视频编码，最后仿真实现了基本层加上此增强层后，系统的性能测试分析。- 本文结构安排： 第一章主要介绍了无线传感网络的特点和分布式视分级视频频编码技术。课题的研究 背景和广阔的应用前景，以及本文的主要研究内容和结构安排： 第二章介绍了分布式视频编码技术和分级视频编码技术的基本原理；介绍了几种典型 的分布式视频编码系统方案，并给出了分布式分级视频编码理论及方案。 第三章首先介绍了基于h 2 6 l 的帧内编码，然后详细研究了分布式分级编码系统基 本层的关键技术，关键帧的自适应码率控制和解码端边信息估计算法。最后，实验仿真了 编码码率的控制效果和生成的边信息的性能测试。 第四章介绍分布式分级编码系统增强层技术，采用了一种新的基于d c t 域的w y n c r - z i v 帧编解码方法。最后，在加上第三章基本层的基础上，给出了实验结果及分析。 第五章给出了整个分布式分级视频编码系统的性能测试和分析，重点介绍了率失真性 能，同时也介绍了计算复杂度和抗误码等其他性能。 第六章对全文做了一个总结，并指出本课题继续研究的方向。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章分布式分级视频编码 第二章分布式分级视频编码 2 1 分布式编码理论基础 分布式视频编码是一种全新的视频压缩编码框架，其理论基础是s l e p i a n 和w o l f 于l 9 7 3 年提出的无损信源编码理论，以及帅和z w 于1 9 7 6 年提出的在解码端获得辅助 信息( s i d ei n f o r m a t i o n ) 的有损信源编码理论。由于视频编码一般是有损信源编码，所 以视频编码一般都是基于w 扣e r 和z i v 有损信源编码理论，而基于此原理构造的视频编 码方案称为“分布式信源编码”。 2 1 1 无损的分布式编码 观察图2 一l ，假设x ，y 表示两个统计相关的独立同分布随机过程，分别以码率足和s 独立编码，在解码端利用它们之间的相关性进行联合解码。式( 2 - 3 ) 给出了以任意小错 误率重建图像x 和y 时需要的联合码率疋+ 母。具体的公式表述为： k h ( x ld ( 2 一1 ) r y h ( r i x ) ( 2 - 2 ) r 工+ r j ，h ( x y ) ( 2 - 3 ) 其中，h ( x i y ) 是在y 已知条件下x 的条件熵，h ( y i x ) 是在x 已知条件下y 的条 件熵。式( 2 3 ) 表明对联合信源进行独立编码得到的总码率是完全可以等于联合熵的， 如图2 - 2 所示，该等价关系可以表示为： r = r 工+ r ， ( 2 - 4 ) 图2 - 1 分布式信源编解码 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章分布式分级视频编码 凶 n 露 上 琏 不会发生错误的q c 鹰 h 8 1 e p i a n - w o l t 编码区 q 一一誉 ； 错误可消除的s l e p i 锄w o l f 编码区 一r 。下k w y 们岖 h ( 枷i i ( ：) l 一时r r h ( x y ) r ，【l 图2 - 2s l e p i a n w o l f 编码码率的可达区域 由s l e p i a n - w o l f 理论可知，在编码端进行独立编码不会造成任何压缩效率的损失。图 2 2 给出了以任意小错误率恢复两个统计相关的信源时其码率的可达区域。图中垂直、水 平和倾斜的虚线分别对应于式( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 中的条件，实线表示墨和b 混合码率的 下界。这时两个统计相关的输入信号在编码端进行独立编码，在解码端进行联合解码实现 了任意小错误率的重建，接近于无损的情况。 2 1 2 分布式有损信源编码 在s l e p i a n 和w d l f 理论研究的基础上，w y a e r 和z i v 创立了在解码端获得辅助信息 的有损分布式编码率失真理论。他们的研究结果表明，在d o ( d 表示待编码序列x 和解 码得出的序列之间的失真) 且x 和y 为统计相关的高斯序列时，分布式视频编码系统所 需的传码率与传统的视频编码方式相同。这有力地证明了输入信号为统计相关的高斯序列 时，分布式视频编码方法完全可以达到编解码端都使用相关性系统的传输码率，因而可以 代替传统的视频编码方式。w y n e r - z i v 视频编码的质量在很大程度上依赖于重建边信息( 即 对当前帧的估计) 的质量。边信息是通过对两个相邻的解码关键帧进行运动内插算法得到 的。而对解码关键帧的外推只能得到质量较低的边信息估计，尤其是在相邻帧间的运动量 较大的时候。大多数的w y n e r - z i v 视频编码方法采用了帧内插方法，例如，周期的插入采 用帧内编码的关键帧。否则，就必须依赖于对前一解码帧进行插值或者外推来获取边信息。 这类似于m p e g 和h 2 6 l 视频编码方法中的b 帧。这种方法可以用于视频下载，但是不 适用于实时编码等一些要求低延时的环境。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章分布式分级视频编码 2 2 分布式视频编码的典型方法 目前分布式视频编码的研究才刚刚起步，其典型方法可以分为以下三种：w y n e r - z i v 视频编码、p r i s m 视频编解码方案、分级w y n e r - z i v 视频编码。本节将简单介绍分布式 视频编码的三种方法。 l 、w y n e r - z i v 视频编码： 在分布式视频编码的各种方案中，以b e m dg i r o d 等提出的空间域d v c 算法最具有代 表性。空间域w y n e r - z i v 视频编码算法框图如图2 3 所示，编码采用了两种帧内编码：一 种是均匀量化后再使用t u r b o 编码的w y n c r - z i v 帧编码；另一种编码采用的是传统视频编 码中的帧内编码( 如h 2 6 3 的帧内编码) 作为关键帧( k e yf r a m e ) 。解码端利用已解码帧 的运用运动估计，时域插帧求取边信息( s i d ei n f o r m a t i o n ) ，进行联合解码。 帧内编码 帧间解码 图2 - 3 空间域w y n e r - z i v 视频编解码框图 在w y n e r - z i v 视频编码框架中，解码是最复杂的部分，主要步骤如下：1 ) 利用解码 后的关键帧反量化后做运动估计，得到边信息；2 ) 假定原图像s 和边信息估计值的误差 满足拉普拉斯( l a p l a c i a n ) 分布，即p ( e ) = 音p 俐6 ，利用最大后验估计( m a p ：m a x k n u ， ma p o s m f i o f i ) 勉耐s i 触，奠) 估计最佳的重构值，重构公式如( 2 - 5 ) 式所示，其中q ( 砷 表示2 m 级的量化： i is g ( x ，y ) ，q ( j s k ( x ，y ) ) q ( & ( x ，y ) ) 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章分布式分级视频编码 在相同输出码率的情况下，空间域w y n e r - z i v 视频编码的性能要比传统的帧内编码 好，同时编码的计算复杂度较小，所需的缓存少，抗误码性高。 2 、p r i s m 视频编解码方案： p r i s m ( p o w e r - e f f i c i e n tr o b u s th i g h - c o m p r e s s i o ns y n d r o m e b a s em u l t i m e d i a ) 视频 编码是对“高效、健壮、高压缩、基于特征的多媒体编码一方法的简称。它的编码框架是 由加州大学b e r k e l e y 分校视频工作组提出的 2 3 1 ，和b e r n dg i r o d 等提出的频域w y n e r - z i v 视频编码方案类似，然而所提出的时间更早。在这种分布式视频编码方案中，帧内编码算 法主要思路和视频标准帧内编码相似：首先，进行8 8 或1 6 1 6d c t 变换：然后，再 分别对低频系数和高频系数进行编码处理。解码端通过运动估计求取边信息联合帧间解 码。p r i s m 编码的目标是实现既有帧内编码特性：低编码复杂度和鲁棒性，又具有帧间编 码压缩率的编码方法。 3 、分级w y n e r - z i v 视频编码： z i x i a n gx i o n g 提出的分级w y n e r - z i v 视频编码( l a y e r e dw y n e r - z i vv i d e oc o d i n g ) 也是一种较有代表性的分布式视频编码方案在该编码方案中，基本层采用h 2 6 l 编码， 增强层采用基于低密度奇偶校验码( l d p c ：l o wd e n s i t yp a r i t yc h e e k ) 的w y n e r - z i v 编 码。其w y n e r - z i v 编码器的主要编码过程是依次进行d c t 变换、嵌套标量量化( n s q ：n e s t e a ls c a l a rq u a n t i z e r ) 和基于l d p c 的s l e p i a w w o l f 编码。 2 3 分布式视频编码中边信息 边信息可以理解为解码端在重建当前帧之前从信道得到的关于当前图像帧的信息，它 可以是概率结构或模型等形式，为重建当前图像提供了重要信息。它是由编码端独立编码 并通过信道传送给解码端的。传送边信息的信道可以看作为一个独立信道，虽然该信道在 实际上也传送了经过编码端编码的输入视频序列。 2 3 1 边信息的预测 在s l e p i a n 和w o l f 发表了他们的理论基石性论文之后不久，w y n e r 和z i v 就在其基础 上详细讨论了有损压缩中解码端利用边信息的理论界限问题。但是在w y n e r - z i v 定理中假 设边信息在解码端是已知的，并没有讨论边信息是如何获得的。在分布式视频编码中，解 码端通过对已解码重建的图像进行运动估计、时域内插，得到当前解码帧的估计值作为边 信息。解码端通过运动估计来得到边信息并利用边信息实现联合解码的通用框架如图2 4 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章分布式分级视频编码 所示。解码端需要获得的关于w y n e r - z i v 帧x 的信息量为h ( 如，如果在解码端能够获得 关于x 的边信息的信息量可以达到h ( y ) ，那么信道就只需要传输h ( 闲】，) 的信息量就 可以了。当前帧x 和解码端获得的边信息y 的关系就可以用用虚拟信道来描述，其信道 转移概率为p ( 闰】，) 。 帧内编码帧间解码 一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一- 图2 - 4 分布式视频编码中采用运动估计求取边信息 由图2 - 3 和2 - 4 看出解码端是通过对两个相邻关键帧进行运动估计内插得到边信息 的。通过对已解码帧进行外推只能得到质量较差的估计结果，而且当相邻帧间的运动量较 大的时候这个结果会更差。因此大多数的 呐j l l c r - z i v 视频编码方法采用帧内插值方法，例 如，周期地插入采用帧内编码的关键帧。后来，科学家们对这个方案进行了改进，增加了 d 口变换并且传输一些附加信息到解码端，使得解码端的运动估计变得比较容易。在参考 文献 3 0 中就介绍了一种频域w y n e r - z i v 视频编码方案。它与前者的编码类似，都采用两 种编码方式：w y n e r - z i v 帧和关键帧。但是它们对w y n e r - z i v 帧编码方式有所不同，后者 增加了对w y n e r - z i v 帧的d c t 变换，从而压缩了视频信号的空间冗余信息。这种方法在 增加编码复杂度的同时，也提高了压缩效率。但是在性能方面它与h 2 6 3 + 帧间编码相比 还有一定的差距。 2 3 2 边信息与系统性能 本节将讨论利用边信息进行联合编码方法以及该系统率失真函数的性能。假设彳，b 分别表示两个独立同分步随机过程a 、夕的采样。口是信源数据的概率模型，夕是边信 息的概率模型( 如图2 - 5 所示) 。分别对信源彳与边信息b 进行独立编码，并且彳和b 的编码之间没有任何联系。解码端可以获得关于召信息，并且利用信息曰可以重建得到盒。 其中盒是会集合中的一个值，会是包含所有信源数值的字母表。利用这些数据可以计算出 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章分布式分级视频编码 失真函数d ：e d ( d ，盒) 】ow y n e r - z i v 率失真函数昨( d ) 就是失真函数刃的码率的下限， 本文使用r a i 口( d ) 表示编码端可以获得边信息的前提下所获得的码率。 信源a i b 飞 a f 、 j ( 、 犬具幽双 b 嚣 b ud ：刚砌 图2 5 利用统计相关的边信息b 对序列进行有损压缩 s l e p i a n 和w r o l f 在文