（检测技术与自动化装置专业论文）蓝牙无线视频通信及其差错控制编码技术的研究.pdf

江南大学硕士学位论文 论文题目： 学科专业： 研究生姓名： 导师姓名： 蓝牙无线视频通信及其差错控制编码技术的研究 检测技术与自动化装置 昌庆江 纪志成、邹静娴 摘要 基于蓝牙无线a d h o e 网络的短距离视频传输是个崭新的课题。由于蓝牙a d h o c 网络具有带宽波动、网络拓扑结构时变、信道误码率高以及用户异质性等特征，使得 蓝牙a d - - h o c 网络中的视频通信面临巨大的挑战。通常多描述编码和分层编码被认为 是解决无线a d h o c 网络下视频传输的有效差错控制编码方法，但是在不同的网络应用 环境下，它们具有各自的优势和定的局限性。多描述编码和分层编码的不同特点促 使我们寻找一种能够结合它们优点的联合编码方法，以适应在蓝牙无线a d h o c 这种特 殊的网络应用环境中传输视频信号。 本文在深入研究蓝牙技术和无线视频通信差错控制编码方法的基础上，首先提出 一种基于蓝牙技术和m p e g 4 视频标准的短距离无线视频传输方案( m p e g 4 b t ) ， 分析了蓝牙无线a d h o e 网络进行视频传输的系统性能，给出了一种增强蓝牙视频传 输性能的方法并进行了仿真，为利用蓝牙技术进行无线视频通信提供参考。 其次，根据蓝牙无线a d h o c 网络的特点，提出一种新颖的适用于蓝牙无线a d h o c 网络的联合编码方案多描述分层编码技术，通过构建蓝牙a d h o c 网络模型并分 析其特性，为多描述分层编码产生的视频码流设计了一种有效的多路径传输策略，仿 真测试结果显示，提出的多描述分层编码差错控制方案对于蓝牙无线网络下的视频传 输具有良好的信道自适应和差错控制性能。 利用蓝牙技术实现短距离无线视频通信日益受到学术晃和工业界的广泛关注，本 论文对实现蓝牙无线a d h o c 网络环境下的视频可靠传输具有一定的参考价值。 关键词：蓝牙a d h o c 网络； 视频传输；多描述编码： 分层编码；多描述分层编码 摘要 a b s t r a c t v i d e ot r a n s m i s s i o nb a s e do nt h eb l u e t o o t hw i r e l e s sa d h o cn e t w o r ki sab r a n d - n e w t o p i c ，b u tp r o v i d i n gv i d e os e r v i c e s i nt h eb l u e t o o t hw i r e l e s sa d h o cn e t w o r k si s p a r t i c u l a r l yc h a l l e n g i n ga s ( f ) t h eh e t e r o g e n e o u sc l i e n tp r o c e s s i n ga n dd i s p l a yc a p a b i l i t i e s ， ( i i ) w i r e l e s sc o n n e c t i o n st y p i c a l l ys u f f e rf r o mb a n d w i d t hv a r i a b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o n e r r o r s ，a n d ( i i ot h en e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r ei sc h a n g e a b l e u s u a l l y , m u l t i p l ed e s c r i p t i o n c o d i n g ( m d c ) a n dl a y e r e dc o d i n g ( l c ) a r et w oe f f e c t i v es o u r c e c o d i n ga p p r o a c h e s p r o p o s e da i mt oa d d r e s st h ev i d e ot r a n s m i s s i o nv i ab l u e t o o t ha d h o cn e t w o r k b u ti nt h e d i f f e r e n tn e t w o i r ke n v i r o n m e n t ，t h e s et w os c h e m e sh a v et h e i ra d v a n t a g e sa n dc e r t a i n l i m i t a t i o ni n d i v i d u a l l y t h e i rd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cu r g e su st os e e kak i n do fu n i o nc o d e m e t h o dw h i c hc o m b i n e st h e i ra d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r ，v i ad e e p l ys t u d y i n gt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n de r r o rc o n t r o lc o d i n g m e t h o do ft h ew i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n ，f i r s to fa l lp r o p o s e dak i n do fs h o r td i s t a n c e w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do nb l u e t o o t ha n dm p e g 4v i d e os t a n d a r d ， a n a l y z e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fv i d e oc o m m u n i c a t i o ni nb l u e t o o t hw i r e l e s sa d h o c n e t w o r k ，a n dp r e s e n t e dat r e a t m e n to fe n h a n c i n gs y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rc o c h a n n e l i n t e r f e r e n c ea n dm a k ea i d c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w h i c hc a np r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c ef o r u s i n gt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yt ot r a n s m i tv i d e o n e x t ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fb l u e t o o t ha d h o cw i r e l e s sn e t w o r k ，p r o p o s e da n o v e lu n i o nc o d e ds c h e m ew h i c hi ss u i t a b l et ob l u e t o o t hn e t w o r k ，t h a ti sm u l t i p l e d e s c r i p t i o nl a y e r e dc o d i n g t h r o u g hc o n s t r u c t i n gt h eb l u e t o o t ha d h o cn e t w o r k m o d e la n d a n a l y z i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c ，w ed e s i g na ne f f e c t i v em u l t i p l ep a t ht r a n s p o r ts t r a t e g y f o r m d l cv i d e oc o d e ds t r e a m t h er e s u l to fs i m u l a t i o nt e s ta n da n a l y s i ss h o wt h a tt h e p r o p o s e ds c h e m eh a sg o o dc h a n n e ls e l f - a d a p t a b i l i t ya n d e r r o rc o n t r o lp e r f o r m a n c e r e a l i z a t i o nw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o no fs h o r td i s t a n c eb yu t i l i z i n gt h eb l u e t o o t h t e c h n o l o g yh a sb e e ni n c r e a s i n g l yp a i da t t e n t i o nb yt h ea c a d e m i cc i r c l ea n di n d u s t r yc i r c l e ； t h i sp a p e rh a st h es p e c i a lr e f e r e n c ev a l u ef o rr e a l i z i n gr e l i a b l ev i d e ot r a n s m i s s i o ni nt h e b l u e t o o t hw i r e l e s sa d h o cn e t w o r ke n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：b l u e t o o t ha d h o cn e t w o r k ；v i d e ot r a n s m i s s i o n ；m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g l a y e r e dc o d i n g ；m u l t i p l ed e s c r i p t i o nl a y e r e dc o d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位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 本人为获得江南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 确的说明并表示谢意。 签名：为应主兰 日期：渺年月参e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：渔豇之 导师签名： e l 期：砷 江南大学硕士学位论文 1 1 课题的研究目的和意义 第一章绪论 随着信息技术的发展和社会的进步，无线视频通信已经获得非常广泛的应用，例 如无线视频通信在无线视频监控、远程教育以及远程医疗等方面有着极具广泛的应用 前景，面向无线通信的视频编码和传输技术已经成为当今信息科学技术领域的前沿课 题。在无线视频传输中，短距离的无线视频通信受到了特别的关注，例如最近由 i e e e 8 0 2 1 5 3 提出的无线个域网( w p a n ：w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 主要就是 针对未来的多媒体应用的，它在便携式消费电器和通信设备之间建立无线连接，是比 无线局域网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 覆盖范围更小( 一般在1 0 米半径 以内) 、数据速率更高、有一定q o s 保证、使用更灵活的一种网络。其应用包括高质 量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。 目前i e e e 8 0 2 1 5w p a n 的组织架构正在构建以蓝牙技术为基础的无线个域网络 标准l j ，2 j 。蓝牙标准1 0 版本中的最高数据速率只有1 m b i t s ，2 0 0 5 年由b l u e t o o t hs i g 公布的b l u e t o o t h 2 0 + e d r 版本中最高的数据传输速率可提升至3 m b i t s ，为现行版本 的3 倍，而且在以后新的蓝牙标准中的传输速率将可以达到2 0 m b i t s ，这将大大拓宽 蓝牙在视频传输领域的应用。可以说，基于蓝牙无线a d h o e 网络的视频传输在视频 监控、消费视频、视频会议、视频电话等多媒体领域中传输低速率的视频信号方面具 有巨大的市场前景，能被应用到支持点对点和点对多点的视频传输设备中。例如在家 庭中使用蓝牙技术可以将数码相机上的图片传送到p c 机进行进一步的处理和储存， 用嵌入蓝牙技术的p d a 和手机查询视频资料；或者在办公室星将p p t 文档、j p e g 图片、视频投影到合适的地方，提供自由的无线环境，满足在无线网络环境内自主选 择地点的需求。 但是蓝牙无线a d h o e 网络有以下弱点：没有固定基础设施的支持，网络节点的 移动性会引起网络拓扑结构的高度变化；用户接收设备处理和显示视频能力的不同而 具有的异质性；无线信道的吞吐量会因为同频邻频干扰和噪声等因素的影响而降低； 信道的带宽和传输速率的时变特性、视频播放严格的实时性都使得蓝牙无线视频通信 目前难以提供可靠的服务质量保证。同时在视频通信中，为了获得高压缩比，目前的 视频编码国际标准( 如m p e g 一4 和h 2 6 x 系列) 均采用运动补偿帧问预测和可变长 编码( v l c ) 技术，压缩后的视频流极容易受到传输差错的破坏，使得传输的可靠性 大为降低，接收到的视频产生很大损伤，甚至无法在接收端重建视频。因此蓝牙无线 视频传输面临巨大的挑战。 第一章绪论 基于上述分析和总结，研究蓝牙环境下的无线视频传输以及适应蓝牙无线视频传 输下的差错控制编码方法，对于蓝牙无线视频通信的发展和实际应用无疑具有积极重 要的意义。因此确立了蓝牙无线视频通信及其差错控制方法作为我的论文研究方向。 1 2 蓝牙技术及其研究现状 蓝牙”“( b l u e t o o t h ) 技术是近年来由业界提出的一种工作在2 4 g 频段的微功耗、 低成本、近距离、小型化的无线跳频通信技术。蓝牙网络是一种自组网络( 即a d h o c 网络，是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统) ，移 动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工 作，也可以与无线蜂窝网络或i n t e m e t 网络连接。蓝牙网络分为匹克网( p i c o n e t ) 和 散射网( s c a t t e m e t ) ，匹克网由两个或者多个分享同一信道的蓝牙设备构成，两个或多 个匹克网相互连接就形成了散射网，一个匹克网中最多可有2 5 6 个蓝牙设备，其中1 个主设备和最多可达7 个处于工作模式的从设备。一个设备可以作为多个匹克网的从 设备，但只能在一个匹克网中作为主设备。匹克网之间建立连接时，其中一个匹克网 的任何设备以主设备的身分寻呼另外匹克网的任何设备，连接建立后，根据被寻呼的 设备要求，主从角色可以交换。蓝牙能够使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域 网和互联网等现有网络增添新功能，使各类计算机、传真机、打印机设备增添无线传 输和组网功能，在家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子商务、无线公文包应用、各类 数字电子设备、工业控制、智能化建筑等场合以及军事领域开辟了广阔的应用天地。 蓝牙是组建w p a n 的主要标准之一。w p a n 指的是能在便携式消费电器和通信 设备之间进行短距离自主组网的特别连接。术语“特别连接”包含两层意思，一是指设 备既能承担主控功能，又能承担被控功能的能力；二是指设备加入或离开现有网络的 方便性。w p a n 的目标是个人设备之问的通信，因而系统的覆盖范围很小，通常是 1 0 米左右，而且每次只允许有限数量的设备自由通信。w p a n 能在用户需要时自然 产生，而无须用户太多的干预，并与已建立的网络或独立的网络之间具有互操作性。 w p a n 还可提供验证和安全的操作模式，它允许获许可的个人设备快速连接，而拒绝 与其它未经许可的设备进行连接。另外，由其自身的性质所决定，w p a n 就像w l a n 一样，必须运行于许可的无线频段( 如i s m 波段) ，因而它必须与使用这些频率的其 它无线技术共存。 基于蓝牙技术的w p a n 是一个新兴的增长迅速的市场，i e e e 8 0 2 1 5w p a n 的组 织架构正在构建以蓝牙规格为基础的无线个人局域网络( w p a n ) 标准，它结合了数据 连接性和用户移动能力，可为范围广泛的消费和商业客户提供一种方便的替代连接方 法。蓝牙系统实际上就是解决w p a n 应用的第一种技术，它的明显特点是抗干扰能 江南大学硕士学位论文 力强、易于自主组网，体积很小，可方便的嵌入到各种通信工具中、标准的复杂性低。 随着对蓝才技术研究的深入，蓝牙在视频方面的应用正逐渐展开，目前已经有蓝牙用 作视频设备控制系统的报道。 利用蓝牙技术，可以建立多跃程的w p a n 网络( 分散网- - s c a t t e m e t ) ，但在蓝牙 的标准中，这种性能还没有得到完全的发展。在w p a n 的方案中使用分散网，需要 解决的关键问题就是如何使分散网的产生成为可能。从建网的角度来看，无论是 w p a n 自己的设备还是其它w p a n 的设备，都能在其覆盖范围内外连续地移动。满 足这种需求的最具竞争力的技术就是蓝牙无线技术，因为它可提供最廉价的近程无线 链接。实现基于蓝牙的w p a n 最大挑战是如何克服在移动环境下短距离室内传播信 道的时变性，解决传输过程中的差错控制问题。计算机模拟证明，采用适当的均衡和 编码技术是可以在很大程度上战胜这一挑战的。可以预见，随着蓝牙技术的发展，基 于蓝牙技术的w p a n 将会改变我们的生活。 1 3 无线视频通信的差错控制方法和研究现状 在无线视频传输中一般有两类误码：突发性错误( b u r s te r r o r ) 和随机比特错误 ( r a n d o mb i te r r o r ) 。随机比特错误是由物理信道的不完善引起的，它导致比特反转、 插入和删除，它的影响取决于编码方法和受影响信息的内容。当采用固定长度编码时， 随机比特错误将只影响一个码字，引起的损害一般是可以接收的。但是如果采用可变 长编码( 哈夫曼编码) ，随机比特错误可能使编码信息失去同步，从而导致许多后续 比特不可解码，直到下一个同步码字出现。突发性错误一般是由于包交换网络中的包 丢失、存储媒体中物理缺陷导致的突发性差错或者短时间系统故障引起的；v l c 中 的随机比特错误也可能引起突发性错误。由于连续的比特段被破坏，突发性错误的影 响比随机比特错误更具破坏性。目前的差错控制方法”1 6 1 主要有以下几种： 1 3 ，1 传输层差错控制方法 传输层差错控制是差错控制最重要的部分，它提供个基本的q o s 级。可以通 过f e c 、交织打包以及有限制的重传( 若可行的话) 和对具有不同重要性的编码比特 部分应用不同级别的保护来实现。 ( 1 ) 前向纠错编码( f e c ) ：是经典的信道编码差错控制方法，在视频传输容错技术中 得到了广泛的应用。它的原理是在所有的编码视频信息流中添加冗余的保护信息，使 解码器能够对一定数量丢失或受误码影响的视频信息进行重构。当传输过程中发生编 码视频信息丢失时，通过接收到的信息和保护信息来重新构造出丢失的编码视频信 第一章绪论 息。前向纠错具有较小的传输延迟，并且可保持恒定的吞吐量以及有限的时延，比较 适合在实时通信等对所传输视频信息的时延有非常严格限制的应用系统中。由于编码 时加入了额外校验信息，降低了编码的效率。 ( 2 ) 反馈差错控制( a r q ) ：反馈机制在视频传输系统中也广泛应用。在传输中采用反 馈信道已经被h 2 6 3 + 采纳为标准。在实时传输协议( r t p ) o ? 也规定了使用5 的带宽 传输实时传输控制协议( r t c p ) 。解码器将解码情况通过反馈信道传输到编码器，编 码器根据这些反馈信息及时的进行自动重传( a r q ) 或编码策略的调整。重传已经非 常成功的用于非实时数据传输，在处理数据包丢失以及发生较大区间误码的情况时也 是非常有效的，但由于需要等待接收重传的数据，这样就可能会在接收端出现较为明 显的时延，因此在一些实时通信应用( 如视频会议) 中是不可行的，a r q 也不适合处 理具有随机误码以及短区间误码的情况。 1 3 2 解码端差错控制方法 解码端差错控制方法主要包括误码检测和误码隐藏。在以人眼为最终信宿的视频 应用中，对视频传输的误码不必向数据传输那样追求绝对的无损恢复，而可以通过寻 找一些相关数据来代替误码数据，实现错误隐藏，只要恢复出人眼可接收的图像即可。 可见误码隐藏并不真正消除传输中的误码，而是尽可能弥补误码带来的视觉损伤。解 码端差错控制方法中视频解码器必须首先检测出传输的视频码流中是否存在误码，精 确地确定出误码位置，然后利用各种误码隐藏技术将误码的损害降到最低。 ( 1 ) 误码检测技术：可以在传输解码层( 在信道解码环节检测传输误码) 和视频解码 层( 在视频解码环节检测传输误码) 进行。传输解码层检测误码包括采用在传输层添 加头信息或者利用前向纠错编码技术，是较为可靠的方法，但是要牺牲一定的网络带 宽：视频解码层上检测误码是根据码流句法结构、编码器所用码表、视频信号的自然 特征来检测误码，不会增加额外的传输负担。还有利用在码流中添加同步标志，利用 可变长编码中编码表的不完整性，可以较小的冗余代价，得到更高的误码检测效率。 ( 2 ) 误码隐藏技术：误码隐藏技术是指检测到误码后对其进行掩盖的一种技术，并不 能真正消除传输中的误码，而是尽可能弥补误码带来的视觉损伤，所有的误码隐藏技 术都利用了若干视频的先验知识，是一种后处理技术，主要分为时域误码掩盖和空域 误码掩盖两大类：第一类是采用时域误码掩盖时，通过前一帧图像的信息重新构造出 丢失的视频信息，通常在帧间编码的帧中使用。如果运动矢量( m v ) 正确，出错块用 相应的运动预测块替代：如果m v 出错，则先用相邻块或先前帧对应位置处的m v 对出错块的m v 进行估计，然后使用运动补偿方法来掩盖出错块的信息。由于在误码 环境下m v 经常会出现错误，因此使用这种方法进行误码掩盖的效果较好。但这种方 江南大学硕士学位论文 法存在的问题是如果前一帧或相邻块采用帧内编码而无m v 或者出错块在不同运动 方向的两物体边缘处，则误码掩盖的效果就会比较差。第二类是采用空域误码掩盖时， 通过邻近的宏块数据块比特信息来重新构造出丢失的编码视频信息，通常在帧内编 码的帧中的空域误码掩盖算法一般有以下几种：使用拉格朗日或梯度准则来最小化相 邻像素的方差；用四周邻近块的像素插值；使用相关的边缘信息；在凸集上的投影算 法( p o c s ) 。以上这些算法掩盖效果较好，但是由于运算过程较为复杂而不利于对实 时性要求较高的视频应用场合。 常见的简单误码掩盖技术包括以下几种：用前一帧保护信息替换丢失的或出现误 码的帧信息；用上一帧同位置处的数据块信息替换当前帧中丢失的数据块信息；用 运动矢量指向的上帧中的数据块信息来替换损坏的块信息，运动矢量采用临近块的 运动矢量，如果得不到运动矢量则将运动矢量置0 。 1 3 3 编码端差错控制方法 主要讨论在编码端可以采用哪些手段，来提高视频信号的差错控制能力，它的作 用在于防止误码的传播，减小误码的影响范围。主要原理是在对视频信息进行传输前 先做相应的技术处理，即使编码视频信息在信道传输时受到一定程度的误码影响，在 解码器端仍然能够得到可被用户接受的视频图像视觉质量。换句话说，视频信息具有 抵抗在网络传输信道中出现的传输误码的能力，它在多媒体信息传输特别是无线视频 信息传输中占有很重要的地位，包括以下编码技术： ( 1 ) 错误隔离技术( 克服比特流同步丢失的编码方法) ：即试图把传输错误的影响隔 离在一个有限的区域内，这经常可以通过在压缩比特流中插入“重同步标记”和“数 据分割”技术来实现。 ( 2 ) 时问域内的差错复原编码技术：是指限制预测环从而把误差积累限制在一个短时 间问隔内。可通过采用插入内块或内帧、参考帧选择、独立的分段预测等技术实现。 ( 3 ) 分层编码和多描述编码将在第二章详细讨论。 ( 4 ) 空间域内的差错复原编码技术：当某帧内的某空间位置出现“位错误”时，可以 采用不同的方法恢复受损视频片内其他空间位置上未受损的信息。最常用的方法是采 用鲁棒熵编码技术，该技术具有比常规变长编码更好的同步及错误定位性能。这些方 法包括可逆变长编码( r v l c ) 和差错复原熵编码( e r e c ) 。 1 3 4 编码器一解码器交互的差错控制 如果编解码器之间存在一条可靠的反馈通道，解码器就可以告诉编码器哪些信息 受到差错的损坏，编码器可以基于来自解码器的反馈信息修改编码参数，从而做出相 第一章绪论 应的调整来减少或消除那种差错。包括以下技术：基于信道状况的编码参数自适应调 整；基于反馈信息的参考图像选择；基于反馈信息的错误跟踪；无等待重传。后三个 技术都是为了在接收到反馈信息后阻止误差积累，参考图像选择和错误跟踪避免编码 器使用受损的区域进行未来的预测，而无等待重传基于重传的信息纠正差错。如果只 能利用一般信息如丢包率，而并不知道哪部分信息丢失时，可尝试调节编码参数，以 减小数据丢失并遏制任何丢失数据的影响。 1 3 5 信源信道联合编码 将信源信道编码联合在一起抗误码是非常有效的误码控制技术，同时也是一个 重要的研究方向。它以一定的信道误码统计特性为条件，通过设计量化器和熵编码器， 最小化传输误码的影响。信源信道联合编码是根据整体率失真理论( r - dt h e o r y ) ，动 态地为编码视频信息和信道的f e c 保护信息分配带宽，使得接收端重构视频图像的 整体播放效果达到最佳。该方法的基本步骤是：第一，根据从接收方反馈回来的当前 信道状态信息选择一个最佳的码率分配点；第二，调整信源编码器使得其输出的码率 达到所分配的带宽；第三，选择合适的信道编码方法并加入保护信息以达到所分配的 带宽。 信源信道联合编码的优点是可随当前信道网络特性的变化而动态地改变误码保 护的优先级别，从而在解码器端达到最佳的播放效果。联合编码方法的难点在于整体 优化的实现算法比较复杂，编码耗时较长。 差错控制编码算法是视频通信中一个重要的研究内容，一直是视频编码算法研究 的热点。今年来，视频通信中的差错控制方法研究在国际学术界发表的文章一直呈现 上升趋势，几个有影响的国际会议( 如i e e ei c i p 、i e e ei c a s s p 、a c mm u l t i m e d i a 等) 以及国际权威期刊( 如p r o c e e d i n g so fi e e es i g n a lp r o c e s s i n g 、i e e ej o u r n a lo f s e l e c t e da r e a so nc o m m u n i c a t i o n 、c o m m u n i c a t i o n so f a c m ) 推出的视频专辑中有许 多关于差错控制算法的研究，尤其是对视频编码标准中的抗误码算法的研究一直受到 关注，它们的实用化研究已经成为国内外公司和学术界的焦点。由于上述标准中的一 些差错控制算法在实际应用中有自身的局限性，如何改进这些算法使之具有良好的自 适应性和可扩展性也成为研究的方向和热点，研究主要集中在编码标准中容错算法的 完善和实际应用。这些为本课题的展开提供了广泛的研究空间。 1 4 论文结构安排 本论文后续章节内容安排如下： 6 江南大学硕士学位论文 第二章对无线视频中两种有效的差错控制编码方法即多描述编码和分层编码技 术进行深入的研究，重点研究了基于配对相关变换的多描述编码( p a i r w i s ec o r r e l a t i n g t r a n s f o r m s ：p c t ) 和m p e g - 4 精细粒度分层编码( f i n eg r a n u l a rs c a l a b i l i t y ：f g s ) ， 为本论文的后续工作奠定重要的理论基础。 第三章主要研究了蓝牙无线a d - h o c 网络进行视频传输时的性能。首先提出一种 基于蓝牙技术和m p e g 4 视频标准的短距离无线视频传输方案( m p e g 4 b t ) ，对蓝 牙进行视频通信时多个匹克网处于同一环境中的两个重要性能参数误包率和吞吐量 进行了评估，并给出了增强蓝牙视频传输性能的方案，为进一步利用蓝牙进行无线视 频通信提供参考。 第四章主要结合分层编码和多描述编码的优点，提出一种面向蓝牙无线a d - h o e 网络的差错控制编码技术一多描述分层编码( m u l t i p l ed e s c r i p t i o nl a y e r e dc o d i n g ： m d l c 编码) ，从理论上分析了该编码方案的系统结构和性能特点。 第五章在基于蓝牙无线a d h o e 网络的多路径视频传输系统下，对提出的多描述 分层编码方案进行了系统仿真，并与分层编码和多描述编码的性能进行了比较。 第六章总结全文并对今后进一步的工作进行了展望。 参考文献 1 蓝牙官方网站h t t p s ：w w w ，b l u e t o o t h o r g 2 蓝牙全球网站h t t p ：w w w b l u e t o o t h c o m b l u e t 0 0 t h 3 周敬利，陈太坤，余胜生，王有成基于b l u e t o o t h 的w p a n 的研究与实现 j 计算 机工程，2 0 0 3 2 9 ( 1 ) ，1 3 3 1 3 5 4 马建仓，罗亚军，赵玉亭蓝牙核心技术及应用 m 北京：科学出版社，2 0 0 3 5 蓝牙中国h t t p ：w w w d a m a y i c o m 6 骆秀芳，夏洪文基于蓝牙技术的无线个域网 j 中国有线电视，2 0 0 4 7 ，2 2 2 5 7 卓力，沈兰荪，张晓铃无线视频编码技术的发展 j 测控技术，2 0 0 3 ，2 2 ( 5 ) ，卜4 8 计文平，沈兰荪视频通信中抗误码技术 j 计算机工程与应用，2 0 0 5 ( 4 ) ，1 2 1 5 9 胡栋，郑宝玉数字视频关键技术的新进展 j 通信学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 7 ) ，9 3 1 0 6 1 0 宋彬，常义林视频通信抗误码方法的新进展 j 电子学报，2 0 0 2 ，3 0 ( 1 0 ) ， 1 5 1 4 1 5 1 8 1 1 冯秀波，谢剑英无线视频传输容错算法研究新进展 j 通信学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 1 2 ) 1 2 4 1 3 2 12 y w a n g ，q ，f ，z h u e r r o rc o m r o la n dc o n c e a l m e n tf o rv i d e oc o m m u n i c a t i o n ：a r e v i e w ，p r o c e e d i n g so f t h ei e e e8 6 ( 5 ) ( 1 9 9 8 ) p p 9 7 4 9 9 7 第一章绪论 1 3 l ，k o n d i ，f i s h t i a q ，a n da k ，k a t s a g g e l o s ，j o i n ts o u r c e - c h a n n e lc o d i n gf o rs c a l a b l e v i d e o ，p r o c 2 0 0 0s p i ec o n f o nv i s u a lc o m m u n i c a t i o n sa n di m a g ep r o c e s s i n g ，s a n j o s e ，c a ，j a n 2 0 0 0 【1 4 】y w a n g ，s w e n g e r ，j w e n ，a k k a t s a g g e l o s ，e r r o rr e s i l i e n tv i d e oc o d i n g t e c h n i q u e s ，i e e es i g n a lp r o c e s s i n gm a g a z i n e1 7 ( 4 ) ( 2 0 0 0 ) p p ，6 1 8 2 15 】r t a l l u r i ，e r r o r r e s i l i e n tv i d e oc o d i n gi nt h ei s om p e g 一4s t a n d a r d ，i e e em a g c o m m ，v o l3 6 j u n 1 9 9 8 p p 11 2 11 9 【1 6 】p s a l a m a ，n b s h r o f f a n de j d e l p ，e r r o rc o n c e a l m e n ti ne n c o d e dv i d e o ，i e e ej s e l a r e a sc o m m u n ，v 0 1 18 ( 6 ) j u n e2 0 0 0 p p 11 2 9 11 4 8 江南大学硕士学位论文 第二章无线视频通信中可扩展编码技术的研究 无线视频中的可扩展编码主要包括平行可扩展编码( p a r a l l e ls e a l a b i l i t y ) ：即产 生的多个描述码流可以独立解码，通常指多描述编码；和嵌套可扩展编码( n e s t e d s c a l a b i l i t y ) ：即产生的多个描述码流不能独立解码，通常指分层编码，它们是无线视 频通信中重要的差错控制编码方法。由于基于分层编码和多描述编码的联合编码技术 是本论文的主要研究对象之一，因此有必要对它们进行深入的分析。本章主要对目前 分层编码和多描述编码理论进行了分析比较，重点研究了基于配对相关变换的多描述 编码( p a i rw i s ec o r r e l a t i n gt r a n s f o r m s ：p c t ) 和m p e g 一4 精细粒度分层编码( f i n e g r a n u l a rs e a l a b i l i t y ：f g s ) ，为本论文的后续工作奠定重要的理论基础。 2 1 多描述编码技术 2 1 。1 多描述编码基本原理 多描述编码“( m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ：m d c ) 是由一个视频源生成多个码流 ( 每个称作对视频源的一种“描述”) ，这些码流分别在独立的信道上传送。m d c 的 每个描述都有自己的一组编码解码函数，因此可以独立编解码。每一个描述都包含 一些别的描述所没有的信息，对于两个描述的编码，如果两个描述都接收到了，解码 器可产生高质量的重建信号；如果只接收到一个描述，接收端也还可以利用该描述重 建信号，但信号的质量比起前者有所下降。这使得m d c 可提高视频传输的可靠性， 但其码流不能根据网络带宽和接收设备的特性进行自适应的调整。 m d c 的最基本假定就是传输中的误码是不可避免的，其直接目的就是用多描述 中的冗余来对抗传输中的误码和丢包，使得编码码流在出现误码或丢包的情况下仍能 够较好地重建原编码对象。为保证从任一描述可以恢复出一定质量的视频，每个描述 都必须包含足够的视频信息，这也意味着m d c 方案的编码效率要比单描述编码方案 低许多。这种损失换来的是对误码频繁出现环境下视频信号的鲁棒传输。对于误码率 很高的环境，单描述编码方案需要使用很强的纠错机制；而m d c 方案中每个描述的 传输可以使用较弱的纠错机制，因为所有描述同时出错的概率很小。图2 1 就是生成 两个描述的m d c 基本结构。 9 第二章无线视频通信中可扩展编码技术的研究 d i 解码得到的信号 d i 和d 2 共同解码得 到的信号 d 2 解码得到的信号 图2 1m d c 的结构框图 下面详细介绍m d c 的编码原理，首先从一维信号的情况开始讨论1 2 , 3 。对于一个 时域上具有很强相关性的离散信号，将它的所有奇数样点或者所有偶数样点提取出 来，都是原信号的逼真近似。考虑一个离散一阶a r 信号 x 旧= a x k 一1 】+ z 时，ke z ( 2 1 ) 其中口代表相邻样点的相关度，蚓 i ( x ；x 1 ) ( 2 6 1 ) r 2 ，( x ；五)( 2 6 2 ) r f + r 2 ，( j ；函，x l ，五) + ，( i ；工2 ) ( 2 6 3 ) 公式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式描述了m d c 的率失真区域的理论边界。但在实际中联合概 率分布函数p ( x ，磊，i ，夏) 难以计算，因此很难直接从它们得到某个特定信源的m d c 率失真区域。文献f 6 暗对单位方差的高斯信源推导出了更易于计算的结果： d l 2 2 ( 2 7 1 ) d 2 2 “2 ( 2 7 2 ) 。2 2 “。+ 8 2 i i ：i ：j i i i ：i i i j i i i ：i i i j ! ：j j i i i i j i = ：= i 丽 2 _ 7 3 ) l 一( ( 1 一d 1 ) ( 1 一d 2 ) 一d l d 2 2 。谒+ 心) 为了阐明( 2 7 ) 式所描述的m d c 率失真区域的特点，下面分别讨论它的两种极 限情况。 第二章无线视频通信中可扩展编码技术的研究 若r 。= 叠= r ，并且d i d 2 d2 - 2 r 即不考虑双边率失真特性，将两路描述的 单边率失真特性分别调整到最优状态，则d d ：一2 。2 m z = 0 ，从而 吣。2 南f = 击 在d = 1 2 时，d 。远远高于最优的双边失真d 2 。 在另一个极端，假定d o = 2 呱焉+ 黝，即不考虑单边率失真特性，将双边率失真特 性调到最优，这是有：( 1 一d 。) ( 1 一d 2 ) = d 。d 2 2 - 2 ( r i r d 可得： d l + d 2 = l + 2 _ 2 吊+ r 1 ( 2 9 ) 在信道对称的情况下，假设兄= r ，= r ，则有 1 7 d i = d 1 = d = 妄( 1 + 2 - 4 “) ( 2 1 0 ) 1 在d 。= 圭时，d ，和d ：同样高于最优的单边重建失真2 。8 。 二 从上面的讨论可以看到，在设计实际的m d c 算法时，单独优化单边率失真特性 或者单独优化双边率失真特性都无法得到满意的效果，而必须将两者统筹考虑，并在 两者之间进行合理折衷。针对静态图像和视频编码的m d c 的率失真优化问题通常是 很困难的。因此，就出现了各种各样的多描述视频或图像编码算法，它们采用各不相 同的方法来生成多路描述，在不同的条件下也有着截然不同的性能表现。 2 1 2m d c 的基本编码方法 目前有关m d c t l8 j 的方法已经提出不少，主要是从预测、量化、d c t 变换、嫡编 码、信道编码等方面考虑。在实际应用中主要是从编码效率、编码质量、编码复杂度、 丢包复原能力、主观效果等方面来考察算法的优劣。实现m d c 的典型方法有： ( 1 ) 多描述量化：多描述量化的基本思想是对一信源使用多个不同的量化过程产生 不同的量化结果。这种方法的主要问题在于冗余度较高，因此如何设计出比较好的量 化过程既不会产生很大的冗余又能够达到理想的效果成为关键。 ( 2 ) 多描述相关变换：d c t 变换的作用是去相关，但若信源被编码成多个描述，要从 收到的描述中恢复出丢失的描述就需要这些描述之间有一定的相关性，因此需引入相 江南大学硕士学位论文 关。设a ，b 表示输入，c ，d 表示输出，t 是相关矩阵， 则 i = 吐： ，t 控制着c ， d 之间的相关程度，也控制多描述相关变换的冗余度，t 要求是可逆的。 ( 3 ) 多描述运动矢量：多描述运动矢量指的是将运动矢量包含在不同的描述之中，主 要的问题是当某个描述丢失时如何从已收到的描述中恢复出丢失的运动矢量。 ( 4 ) 多描述时间预测：利用时间预测进行m d c ，最简单的方