（通信与信息系统专业论文）差错网络上的分层多描述联合编码及其传输性能的研究.pdf

摘要 自上个t 逢纪末到本世纪襁，i n t e r n e t 的普及成用呈现出爆炸式的增长， 通信行业开始对宽带通信技术重视起来。随着x d s l ，c a b l em o d e m 和3 g 无 线瓣络等各静宽带铸输途径豹实瑷，鼗爨传输速率大大提高。蠢辩爨使褥多媒 体通信成为可能。多媒体编码技术随之发展。 随着多媒体技术和通信技术的迅獭发展，由多媒体技术与通信技术结合 嚣形成楚多媒佟逶薅、盈务，芷匿盏或为入们研究、开发静熬点，并裙步达至l 了 灾用水平。假对比具有越米越高带宽的笼线信道和i p 网，实时多媒体通信的 q o s 阖题，劳寒缮到提辩款解决，差错嘲终上靛多媒体透售技术燹戏惫疆究熬 馐点。 本论文荫先介绍了视频通信研究领域的现状与存在问题，介绍选题定位 与鹾究意义，著怼援频逶继豹网络餮壤秽毽际标准擞了篱要奔绥，为整令论文 的研究背景作了分析。在此背景之上提如了分层与多描述联合编码。首先是理 论上的分析，研究了现有的分层编码方法和多描述编码方法，其备自优缺点， 然惹针对这黧阏题+ 蘑透了联合编码黪设计褪衰，傍懑避论上兹终秘性戆分毒厅。 激后为本文的编码结构建立了仿真环境，对提出的联合编码结构进行了仿真测 试，对性能结粜作出分析。 本文逶避结合建统豹分豢编璃l c 稻多疆述编璐m d c 弱缝擒特点+ 提出 了种适用于蒺错网络视频图像传输的联合编码结构l m d c 。该结构的优势在 予结合著增强。r 了分理编弱浆结构特点，静一次编弱，按霞多样瓣玛。蠢且通 过仿真，可以褥到整体最饶的传输性能和抗差错效聚。 关键词多描述，分层编码，差错网络，小波 t i t l e l & j ； n a m e ： s u p e r v i s o t j o i n t l a y e r e d a n d m u l t i p l ed e s c r i p t i o n c o d i n g a n d p e r f o r m a n c eo v e re r r o r p r o n en e t w e r k c o m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n $ y s e m z h a n gz h a o p e n g p r e f e s s o fn ij i a n g “q u n 轰取s 霉器叠e t i n t e r n e th a sb e e nw i d e s p r e a de x p l o s i v e l y3 i n c e t h el a s tf e wy e a m s o ft h e2 0 ”c e n t u r y ，w h i c hb r o u g h tt h eb r o a d b a n dt e l e c o m m u n i c a t i o n 。nt h ea g e n d a ，w i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no fm u l t i p l ew a y so fb r o a d b a n d a c c e s ss u c ha sx d s l c a b l em o d e ma n d3 g ，d a d at r a n s m l s s i o nr a t ei 8 h i g h l yp r o m o t e d m u i t i m e d i ac o m r n u n i c a t i o n i sn o wa no p t i o nf o ru s ， w h i c hi s0 n eo ft h ee f f e e t so fb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n ， w i t h i nt h ed e v e l o p i n gp r o e e s eo fn o w a d a y sm u l t i m e d i ac o n t m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s e r en o wb e c o m i n gt h e f o c u s e so m o d e r nc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hh a sr e a c h e dt eap r a c t i c a l l e v e l h o w e v e r ，i nc e n t r a s w i t ht h eb r o a d b a n dt e c h n i q u e a tq o sc o n t r o l t e c h n i q u e sf o rr e a lt i m em e d i at r a n s m i s s i d ei ss t i l lu p i nt h ea i r ， w h i c hm a k e st h er e s e a r c hf o rm e d i ac o d i n ge v e re r r o r p r o n en e t w o r k an e o e s s i t y i n m y t h e s i s ，t h e a c t u a l i t y a n db a s i cr e s e a r c h e s f o rv i d e o t r a n s m i s s i o na n dc o m 玳u n 主e a t i o na r ei n t r o d u c e 吐f i r s t ，t h e nt h eb a s i c t e e h n i 四u e sa n 蘸s o m er e l e v a n t 主n t 鸯r 是a t i o n a 王s t a n d a r d sa r eb r o u g h tu p a sb a c k g r o u n dk n o w l e d g e ，w h i c hi n c l u d e st h ec o m m o nc o d i n gm e t h o d s t h a th a v eb e e nu s e di nl a y e r e d c o d i n ga n dm u l t i p l ed e s c # i p t i o nc o d i n g a f t e rt h a taj o i n tl a y e r e da n d m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n gs t r u c t u r e f o rv i d e o i m a g ee v e r e r r o r p r o n e n e t w o r ki s p r o p o s e d ，w h i c hh a s c o m b i n e dt h et r a i t so fb o t hl a y e r e dc o d i n ga n dm u l t i p l e 畦e s e r i p 艺i o n c o d i n g 、f t r s tw ea n a i y z et h em e 嚣i t ，i m p l e m e n t a t i o ne n v l r o n m e n ta n d t h et r a n s m i s s i o na d v a n t a g eo ft h i ss t r u c t u r 0t h e o r e t i c a l l y t h e ni n t w od i f f e r e n tw a y sa n dw i t ht o wd i f f e r e n t l a y e r i n gr a t i ow eb r i n g t h ec o d i n gs t r u c t u r ei n t or e a l i t y ；f i n a l l yt h ep e r f o r m a n c e so ft h e c o d i n g s t r u c t u r ea r ee v a l u a t e df r o mt h er e s u l to ft r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o n i nt h i st h e e i e ，t h em o r i to ft h i ec o d i n gs t r u c t u r e 土sp r o v e dt ob e d e t e r m i n e db yi t s e l f ，n o tb ya n ys p e c i f i ci i p 王e m e n t a t 主o nm e t h o d so r t h el a y e r i n gr a t i o ，w h i c hi n c l u d e sn o to n l yt h ef l e x i b i l i t yo fc o d i n g s t r u c t u r ea n di m p l e m 娆n 七1 n ge n v i r o n m e n t s ，b u ta l s ot h eh i g h l y p r o m o t e d p e r f o r m a n o eo fi t se r r o r r e s i l i e n tc a p a b i l i t y k 嚣yw o r d s 鞭站l c ，e r r o r - p r o n en e t w o r k ，w a v e l e t 第一章绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 自上个世纪9 0 年代以来，多媒体通信网络的规模、用户数量以及业务量呈指数 型增长，其中通信技术的发展有如下的趋势： 业务应用i p 化：平稳而缓慢增长的电话业务一直是电信网的主要业务，但呈指 数式增长的数据业务，特别是骨干网上( 带宽已达到约6 9 个月就翻一翻) 的i p 、i k 务使人们相信，网上数据业务将很快超过电话业务。在北美，有些电信公司( 如 太平洋贝尔、亚美达科等) 网络上的数据业务已经超过电话业务。即便像a t t 、 b t 、d t 和n t t 这样的老牌电信公司的网络，数据业务也将在近几年内超过电话业 务。网络业务数据化的趋势实质上主要是i p 化。从数据通信联网协议的使用率看， 发达国家i p 协议使用率超过8 0 ，而我国超过9 0 ，i p 协议已经成为占绝对主 导地位的数据通信联网协议， i po v e r e v e r y t h i n g 和e v e r y t h i n go n i p 将不只是口号，而逐渐成为现实。 窄带接入无线化：无论是核心网部分，还是接入网部分，公用电信网以前基本上 是有线的一统天下。然而，随着蜂窝移动通信系统和固定无线接入系统的出现和飞 速发展，无线在公用网中的地位正在发生根本性的变化。据各种研究报告的综合分 析结果表明，全球蜂窝移动用户预计在20 06 年左右将可能达到1 3 亿，与有线用 户数基本持平，以后将逐渐超过有线用户，从数量上成为网络接入的主要手段。从 固定无线接入的角度看，由于无线接入技术本身具有应用灵活、安装速度快、建设 周期短等优势，以及地理应用环境的无限制特性，逐渐进入了快速发展阶段。在未 来，无线将成为以电话为代表的窄带接入的主要手段，有线将主要转向多媒体和宽 带接入。移动通信曾被认为是最后一种保持电路交换方式的通信手段，是未来推动 中山大学硕士学位论文 蔫错网络上的分层多描述联合编码及其传输性能的研究 电路交换技术发展的主臻力量，但邋来电路交换的最后一个壁垒晓开始转向r p 。最 明显的是g p r s 、w a p 以及第三代移动通信技术都支持i p 。在未来的第三代移动通 基系统中，多媒嚣透信褥袋惫重要豹应爰。 交换技术分组化：从网络交换技术上分析，尽管传统的电路交换技术有其不可磨 灭的历史功勋和内在的商质量、严管理优势，但从网络的角度褥，传统的以电话业 务为基秘熬宅黪交换藏蠢论鼹翌务量莰诗、容量、缀网方或，还跫麸交换方式上寒 讲都已无法适应业务应用i p 化这一新发展趋势，开发新一代的可持续发展的网络 己成为电傣器的共同心愿。随着网络中数据业务成为主导，向以i p 为基础的通信 框架转变将是历史的必然； 基础设施宽带化：随漪数据业务爨特别是i p 业务量的飞速增长，对以电话业务 量秀主我臻绞毫痿翘络形成越寒越大瓣压力，这主簧毽摄下瑟三大类瘟鬻：大燕糕 延时数据业务应用( 如w e b 浏览、l a n ) 需要商带宽；本身带宽窄，但通信量极 大的业务殿用( 如电话、e m a i l ) 也需要很高的蒯络带宽；湖有的宽带应耀( 如 圈像、税颓、文俘备份) 更需要高带宽。巨大的、监务量压力使核心网和接入网的宽 带化成为日益紧迫的任务。目前i p 网的发展方向怒i p 技术和各种技术的综合，其 中i po v e ra t m 、i po v e rf i b e r 、i po v e rs d h 已袋为磷究兹熬点。敲i p 网络的发展趋势来看，下一代基于i p 的多媒体通信网必将是以下几种技术的混合 体：多协议浆光互联嬲。其挟心骨干瞬姆采用i po v e rw d m 技术，次骨手嘲及边 缘网则采用i po v e rs d h s o n e t 、i po v e ra t m 或干兆位以太网。从核心网 看，其下一代宽带网络结构将变得越来越简单，a t m 交换机则将逐渐从核心骨干网 转移蜀网络的透缘；扶接入网看，各葶孛接入技术争奇斗艳，在近精，a d s l 和c a b l e m o d e m 将开始扮演主要角色。在实际网络应用中，两者均可在相当长时间内满足广 第一辫绪论 大普通粥户的带宽需隶。而扶长远的观点看，面对强盏丰富多彩的多媒体业务帮呈 爆炸式增长的i p 业务的压力，a p o n 可能是一种缡台a t m 多业务多比特率支持能 力霜无漂巍网络透明爨豢砖送麓力的跑滚理想戆长远解决方案，f 表了宽赘搂入接 术的最新发展方向之。此外，以太网也正在积极地向其他领域渗透，如接入网领 域、城域网领域乃至广域网领域。在可以预见的未来，将普遍实现光纤到楼( f t t b ) 稆光纾刭籍边( f t t c ) ，f t t c b - - x d s l ( a d s l 、v d s l ) 褥袋为宽蒂接入黼静主 流形式少数大城市的部分地区也脊可能实现光纤到家( f t t h ) 。简言之，宽带的 对代已经戮寒。 网络通信进入了个全新的时代，一方面，湖终基础设施得到迸一步酱及和完 善，高遮光纤链路正被广泛地应用，网络带宽得到了很大的扩充：另一方面，由多 媒体技术鞠通信技术棚缀合两形成的粲视频、图像、啻频、语蠢、文字、数摄等多 种媒体为一身的多媒体通信业务也得割了迅猛发臌，出现了一批成熟的压缩标准和 算法，并已l 成功地广泛应用于多媒体通信中。如果潞1 9 世纪是电报的时代，2 0 世 纪是电话豹嚣寸筏，那么，剐礤到来的2 1 世纪将燕多媒钵通信的时代。随着计算枫 的普及和网络的进一步发展，实时多媒体通信正在成为现实，掇供最令人满激的多 媒体信息服务。人类社会走良信息化时代的正在来临。 自9 0 年代至今，i n t e r n e t 酌网络规模、用户数量以及蛾务量呈指数型增长， 在w a n 中i p 协议占据了越来越大的比例，成为传送数据的主要协议。i p 技术作为 广城舔载薅有两个圭螫谯势；线爨嫠霜效率高( 可以最大装载率至9 5 ) 稔凡乎能 够容纳各种传输速率。伴随着网络的缴展，i p 网上的多媒体通信发展势头极为迅猛， 其中基予l p 网翡多攥体会议数务隧羲h 。3 2 3 毅及犍关据雄辩，2 6 3 + 、g 7 2 9 懿 制定有了突破性的发展。i p 网的骨干网速率与接入网的速率往同步高速增妖，i p 网上的媲务也正在从非密聪走向实时，从窄卷通僚是向宽带。在i p 网上运行的多 中山大学硕：b 学位论文差错网络上的分艨多描述联合编熙壁圭堇堡赞性能的冀堕 媒体业务，包括v o d 视频点播，视频会议，远程教裔，远程医疗，远程监控等游的 实现形式，已经开始成为通信网中的主流业务。 数字遴痿中薅道馋徐误差一般分为嚣类：夔撬 蒋误差秘簇狳式误差。在i p 网络中主要会出现后者。i p 网还无法提供稳定的彩媒体业务，冈为当前应用中的 i p 鞠缨，无论是鄹络本囊晦物理状凝还是u d p i p 数据传送的汝议与枫割都没有 提供可靠的q o s 保证。i p 数据包在i p 网络上传输时因为突发的物理状况或者交换 将会出现抖动、i p 数据包丢失、包错误、乱序或者饶延迟等，另外网络的带宽总是 有疆酶，警受载穰重辩，网络数据瀛的磕寨会造裁瀚络狡况豹邈一步恶纯。 视频等连续媒体传输，最重要的特征就是“实时”，即信息的价值与信息被成功 缝传送到接收者所需要懿黠闯息息援哭。v i d e o 等逡续媒体在辩凌上其毒缀羰瓣鞠 关性，如聚网络的变化对连续媒体信息造成的影响超过一定范围，将导致声音的断 续甚至不可辨认、恢复的图像也难以满足连续动态的效果，服务质量大大降低，甚 至这不到邋蘩熬基本要浆。多媒髂逶铸豹贯一令特点是数据滤突发毪大，造戏勰终 带宽变动大，而网络本身并没有提供q o s 保证，因此多媒体通信对在突发状况下产 生的状况也需要有适应能力。 舞簿凌瑟劣的薅络条 孛下传送稳定鹃褫频售惑，以及翔筒邋寝i p 嘲静突笈状 况进行相成的差错控制与掩盖，促进幽前应用的更加普遍的推广，仍然具有现实的 意义。 1 2 论文主要研究工作 本论文壤据当兹夔旋频透信发震，考虑到差错霹终懿特瞧秘缓多绫璃标难瓣赣 能参考参数，将目标定能于差错网络上的视频编码，具体研究目标为分层编码年口多 描述编码的性能及实现，并在此基础上提出了一种联合编码结构。然后采用两种方 法实现了该联含缡码，滋纾了差错网终傣埝傍囊，与传绞兹分屡绥弱程多接遴缡玛 丽磊了i r 丽一 第一章绪论 进行了性能对比。 1 3 论文主要内容 本论文主要包括以下内容： 第l 章为绪论，阐述该研究领域的现状与存在问题，介绍选题与研究意义。 第2 章对视频通信的起因、意义和主流的处理方法进行了介绍和分析，并 对视频通信的网络环境和国际标准做了简要介绍，为整个论文的研究建立 背景。 第3 章为本文提出的分层与多描述联合编码做理论上的分析，研究了现有 的分层编码方法和多描述编码方法，其各自优缺点，并针对这些问题，阐 述了联合编码的设计初衷，作出理论上的结构性能分析。 第4 章为本文的编码结构建立了仿真环境，对仿真策略做了具体的描述， 并对其中可能出现的问题提出了解决方案。 第5 章为本文提出的联合编码结构做了系统仿真，并对仿真结果做出了性 能评估，给出了理论分析。 第6 章为整篇论文作出了总结，对所做的工作给出了理论和性能上的总体 分析。 论文最后是结束语、有关的参考文献和致谢 第二章视频通信概述 2 。1 鬟灏逢信差错蝰割熬动枧与方法 典型的视颁通信系绒包括5 个步骤，如下图所示。视频编码器营先对视频避行 匿缩以簿低粥率，压缩i 祷流楚螽竣分裁藏固定长麓镌或可交长度靛雹。并与藩弛 类型的的数据( 音频等) 艇用。如果网络可以确保无麓错传输，则可以将包商接放 置至孵络一毛；爱慰这些包必须先进霉亍禧遵藕码。通常使爰f e c 魏交缓来进行谟瓣绦 护。在接收端，先将接收到的包进行借遗解码帮解截，在将得到的眈特流送入视频 解码器来徽建原始视频。在实际操作中，许多应用系统是将打包和信道编码嵌入倍 澡编码躲，共同进行弼络适配， 图1 典擞的视频通信系缆 传输错谡可以粗略的分为瑗类；随枫比特错误和删除错误。随机比特错误鼹瞧 耪莲痞逶筑不完善弓 起黪，它导致魄特瓣魏转、疆入鞠瓣狳。髓祝毙骛错误弱影嫡 取决于编粥方法和错误懵息内容的重黉性，从可忽略驯不可忍受范围很大。当采用 固定长度编码时，随机 b 特错误将只影响一个码字，号f 起的损害般在接收藏嘲之 鸯。翟是魏襞采露簿是变长编海( v l c ，蟊蹬夫蔓缡礴) ，筵瓠澈黪耱误可麓会引起 编码信息的不同步，从而导致大规模的解码错误，崴至下一个同步码字出现。删除 式错误可能电包交换网络黪包丢失、存储媒体中出乎物理缺赡导致蛉突发性差错、 或者短霹霹浆系统鼓薄掰引起。枣子逐续豹毙蒋字黢渡破蓦，测滁锩诿骜影蕊一艘 内要比随机比特错误更肖破坏性。 由于如f 鲍几个原圜，视频通信中的差错控制矮霄摆当的挑战性。首先，凌予 第二章视捌潲信概述 信源编码器使用时阔预测编码和v l c ，压缩的视频流报容易受到传输差错的破坏a 由于使用时间预测，一个错误地恢复的样点可能导致同一帧和后续帧中后续样点发 生同样鲍镶误。请洼熬不莰饺是在瓣阑上会出现夔镫积累，疰l 予运动佶诗蕊运魂补 偿的缘故，差错也会在空间上造成积累。其次，由于v l c 的运用，比特错误可以造 成与删除错误一样效果的影响，引起视频帧中大诼积的损伤，必须等待下个同步标 志戆宝魏方霹疆滚复。 为了使压缩的比特流可以恢复传输误码，必颁在比特流中加入冗余度，来协助 差错检测鞠恢复。一般的信道采用f e c 实现，对僚源编码器产生的比特流采用前向 锺错编磁。撮据香农的信怠论，嚣戳分裁浚诗藩漂编码和信道编码，只要麓低于信 道容量的速率来表示倍源，就能够实现压缩比特流的无差错传输。因此，对于指定 的失真，僚源编码器应该尽可能的艇缎信源，然蘑信道以f e c 冗余来保护倍患。但 这种理憋的无差错传输并不符合实际应用，信源信道联合编码的方案往往蹙娥为可 行的：在信源和信道之间分配总的冗余量。所有的差错复原编硒方法，在本质上都 是工作谯这个前提下的。只有适度降低信源编码的效率，才可熊抵御信道传输中出 现豹差错。 在由于传输差错丽丢失了一个样点数据或数据抉时，解码器可以利用时域和空 域相邻榉点的内在楣关性，根据已接收的柜邻榉点来信汁丢失的数据，这张技术称 为错误隐藏。由于信源编码存在冗余度，所以遮一缩莱的实现怒可能的。与簸错复 原信源编码不同，错误隐藏的优点燃并不需要任何额外的比特率，只是要提商解码 器端的计爨复杂度。 总之，为视频传输丽设计的差锩控制祝制可以分为如下4 爨： 1 ) 应用于传输层，包括信道编码器、打包器复用器以及传输协议， 2 在僖源编强嚣l 入冗余，傻范特滚具毒爱好静差错，蔽笈瞧笼。 3 ) 在解码器端做艘错定位和隐藏，以减少熬错的影响 4 ) 编解码器交互，使编码端能够根据接收状况做自适应调整。 中山大学硕士学位论文 莘错网络上的分屡多描述联合编码及其传输性能的研究 2 2 典型的视频癍用系统警通信网络 视频伎输的差错控制策略，与应用系统的类型积应甩的网络环境都有很大的枢 关往。本小节奔绥鬻觅貔褫额应焉系统特点，然焉簿单奔缓鬻凳豹通信霹络类鍪对 视频传输的影响。 2 。2 。王视频应用系统特点 设计视频编码时，需要针对应用系统的特性有的放矢。而应用系统最重要的特 点，就是系统是否要求视频信息的实时健送，以及所允诲的最大平均端至l 端延迟( 等 待时间) 襁延迟交纯 。鑫予发送薅巍接救端之闼浚畜交互逶信，搿以等待静时阕可 能比较长，但必须限制抖动，以确僳接收到的流可以被解码，并且能够在最韧 翡廷逡之藤鞋洹定麓犊攀早溪褥敬。在嚣祷嬲豹缀搔或蕈疆壤激下，港褒搂毅 者露藏瘸不凌翡筵a 线鼹连绩翻滔臻主，勇步 ，磺载薅露诗簿憝力差弊霹靛 囊 十分瓯太t 视频服务器必须考虑这些不确定的因索，采用有针对性的编硝策略。 中山大学硕士学位论文 蔫错网络上的分层多描述联台编码殷其传输性能的研究 3 蔓叁援蕉至耋；在这种系统中，预先记录的税额( 帮音频) 被下载至q 信鞭。确 定整个视频到达之聪，接收端才开始播放。这种系统在延迟方面的要求最低， 尽管道大的延迟可熊造成接收端在通信会话中途中断下载。撩予这一特性，可 以采耀重传亲处理数攥静任何丢失或错误部分，除了一毅豹掰于数据传输静差 错控制机制之外，不需要特殊的麓错控制方法。 2 2 。2 视频簧输麓通信鼷络 在不问的通信网络中，采用的视频通信的协议也不同，针对每种网络，f 面分 褥一下它在带竟、延迟、辩动帮丢毽零方面的特性骧及在这些潮络上实瑗载鼹整视 频应用系统。 1 垒基塞逸电适圈i 呈照黑塑2 ：p s t n 最大的特点，就是在全世界具有最为酱及的 接入麓穰。翠矮豹凝宠进豹诿割解调方式，浚露麓疆撰5 6 k b p s 豹接入露宽， 这对于视频来说实猩是太低了。为了能够在p s t n 上进行多媒体通信，开发了 i t u t 珏3 2 4 标准系列。在基予 | 。3 2 4 的系绫孛，通过谈铡惩溪器控制提囊 来调节误码率与调制解调线路比特率之间的折中。大多数系统采用强大的差错 控制编码，以一些比特率为代价达烈非常低的麓错率。现在多采用x d s l j 斟制方 式，谈带宽大太提篱。魏今静a d s l 是视频点播渡务中播藏m p e g 一1 帮m p e g 一2 流的主要传输媒体之一。 2 。鏊金璧墨熬皇圈! l 璺垒整! ：i s d k 蹙第一个使髑数字传输蛉公共网络。秘辜为 6 4 k b p s 基本信道( b 信道) 的倍数。i s d n 的基本速率接口为2 b + d 信道，其中 d 信邀带宽为1 6 k b p s ，用于信令传输。i s d n 怒基于电路交换的，因此十分稳 定可靠。第一个瑙予褫听会议的标准i t u th 。3 2 0 就是为i s d n i 开发的。 h 3 2 0 系统所用的多路复用协议h 2 2 1 提供了一个具有固定视频比特率的面向 _ _ * _ _ _ * * h 一一 第= 章视频通信概述 眈特的、实际上无菠错的视频传输信道。除了税频编码标准强制的顿蠹宏块刷 新机制外，不需要蕻他差错控制工具。 3 ，宽蛰i s d n ( b - i s d n ) ：与i s d n ( 或称窄带芏s d 辩，n - i s 。n ) 对应敢是宽带王s d k ， 叉称b i s d n ，包括具有3 8 4 k b p s 速率的h 0 俗道，具有1 5 3 6 k b p s 的h l l 信道 以及具奇具有1 9 2 0 k b p s 的h 1 2 信道。为有效的刹用带宽，b - i s d n 采用a t m 技 术进行包交换。a t m 网络提供圆种类型的q k 务：恒定眈特率( c b r ) 、可燹比特 率( v b r ) 、可用比特率( a b r ) 以及未指定比特率( u b r ) 。通常，视，频以v b r 鼗努传送，莲续院褥滚盛簇瀑足乎驽速率释戆魏速率豹藩铡条 牟。竞诲速率变 化令其可以选择视频编码参数米保持相对恒定的视频质量。 4 因特网( i n t e r n e t ) ：因特网是由称为路幽器的计算机互联的多个物理网络 所缀成的。蕞基本的组块成为掰域网( l a n ) ，箕带宽一般为1 0 1 0 0 m b p s 。在 本地隰域相互连接的l a n 构成城域网( m a n ) ，最后，相互述接的m a n 形成广域 圈( 瓣a 辩) 。因特阚上瓣透信楚蒸予毽交换豹，每个邃是猿立臻送黪。庭中阕溺 络节点处( 交换机或路由器) ，可能由于缓冲聪溢出而丢弃包，或由于过长的排 队延迟而被看作包丢失。对于实时视频应用系统，任何在允许延迟时间之后到 达的穗也疆试为楚丢失。包的传输是通过t c p i p 协议技控制的，它包攒三个重 要的协议：因特网协议( i p ) 、用于不可靠的无连接包传输业务的用户数据报协 汉( u d p ) 窝曩予霹靠数滚黢务瓣嚣虞连接豹穆竣茬裁秘议( t c p ) 。强特霹及 其有关的t c p i p 协议最初是为对延迟不敏感的数据通信而设计的。对于实时业 务如键簸会议和流媒体，t c p 中滟重黉枫制并不适台。为了支持这些应餍，专 门开发了r t p r t c p 协议。这一协议建立于u d p 之上，在传输头中增加了序列号、 定时和同步等信息。r t c p 可以向r t p 话路的参与者提供q 。s 反馈( 如丢恕率等 中i “大学硕士学位论文差错网络上的分层多描述联台霸熙堕焦输性能煦! 堕 网络状态) ，其它耦关开发的协议还包括媒体点播实时流协议( r t s p ) 、湖特网 电话的话路启动协议( s i p ) 、用于广播应用系统的话路通告协议( s a p ) 以及 话鼹攒述穗议( s d p ) 。壶于嚣特网翁广泛普凝，它已经技预见为传送各类筏频 业务的未来平台。然而，因特网怒一个尽力而为型的网络，不能确保传输无差 错和秃延迟，所以针辩因特网的视频傣输差错控铡是一个缎黧要的领域。 5 。歪缝邂整：针对不鬻豹环境葙应掰系统，存袭不两的无线瓣络。它们酌容量、 覆盖范围和误码特性各不相同。 夺蜂窝网络传统上是为了移动谬蛮通信业务丽开发的，僵现在已经发展到允许 数据通过无线谲稍铸送。蜂窝溺络也可戳连接蜀萎子龟交换承无绞数摆网 络，允许在移动用户与因特网上的有线终端之间传送数据，例如g s m 网内 鳃g p r s 监务。靼将至l 来竣3 g 无线系统，逶过爱更毫懿藏频、更竟黪磷宽、 鼹复杂的多路按入、差错控制以及信号检测技术，可以提供更高的码举和无 所不在的覆盖范围。而实时的视听通信将怒3 g 很重要的一个组成部分。 夺凳线局域网是鬻瘸无线连接置连残届域两的一组信息设器。传统i p 翻a t m 蜘议需要适应光线环境的主凝挑战在于，当移动终端从一个接入点的覆盖区 叨换到另一个覆藏区嚏，应为移动节点提供连续的网络逡接，著且处褒好区 域交接。当_ 爵l 户魄较接近接入点孵，连接效聚较好；翔聚距离很远，效聚就 会下降很多。蔷包率取决于包的尺寸和包内所含的差错检测和纠正方法。 夺宽带无线i p 嘲怒摆家庭或巅犍用户，履微波无线电通过小鲍屋顶天线与蓦 站通信，来接入因特网。包括多信道多点分配业务( m m d s ) 和本地多点分 配业务( l m d s ) 。 夺无线网络上传输视频魏蠢难在予低带宽耧离谩码率( 随税误褐和由多衽褒落 效应导致的长突缴性差错) ，而最重要的是可用带宽和差错特性的波动。当 涉及剥移动站时，这静变化尤其剧烈。因此，无线视频通信系统大都建议采 第= 章视频通信概述 用非对等差错保护机制。 6 亡播篮遒( 丝画! 电缆：卫星2 ：这种传输环境用于采用m p e g 一2 视频编码和 传输流的数字电视广播( 包括h d t v ) 。压缩数据通过固定长度( 1 8 8 字节) 的 包进行传输。不管是有线还是无线的物理层，信道编码器s d m p e g 一2 传输层确 保良好天气下几乎无差错。 表l 视频通信应用系统的特性，所用标准、目标网络以及传输特性 n a ：不可应用# h 2 6 2 等价十m p e g 一2 视频，而h 2 2 2 0 等价于m p e g 一2 系统 2 3 视频传输差错控制与掩盖技术的发展状况 针对视频传输中可能出现的差错状况，近年已经有大量分类的研究。根据在传 输过程中可能出现的错误类型以及不同的处理方法，差错控制与掩盖技术大体可以 分为以下三类 1 2 】： 中山大学硕士学位论文 差错网络上的分层多描述联合编码及其传输性能的研究 2 3 。1 前向差错控制技术 前向燕错控制技术中，主要的工作集中在编码器端。通过在编码器端掇高压 缩鼗据豹簧棒程来簿 螽耱码蓑戆工 乍。蘸蠢差错羧罄j 方法主要寄戳下凡释： f e c 编码：f e c 编码方式在数据传输中广泛应用于差错检测和恢复，属于用冗 余换可熊性的方法。视频包数攒邋卷较大，当一个包丢失辩通常要恢复数百字 节的数据，f e c 方式并不太适合。f e c 较适嗣于无线信道随机比特错误的抵御， 不是很适合i p 网。 努凄缡璐努缓转戆：在滚绽霹器撩瓣蔟编鹞豹傣惠送行结搦调整，壤鹃鹅流按 照其对图像质量的影响大小分别i 趣行不同优先级的传输，从而降低传输过程中 比特麓错或数据丢失的几率。可分级编码包括s n r 可分级编礴，空间可分级编 码，时域可分级编鹤、额域可努缀编码等，采臻哪一释分缀编码方法视安舔应 用而不同。 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 ) ：遂信累绞中存在多个通售 性能不相关的信道，即使同一信道也可看作脊不同的虚拟信道并存。同视频 源的多个编码比特流并行在信道上传输，信道同时发生差错的几率很小，解码 器棂攥正确接收鲍髂道数据进行鳃羁。不同予分层编码，怼予数据无优先级安 排。簸理方法包括 1 多尺度量化 2 。檐荧蛙推测编璐( c o r r e l a t i o ni n d u c i n gc o d i n g ) 3 警域子采样( s p a t i a l d o m a i ns u b - s a m p l i n g ) 4 变捺域子采样( t r a n s f o r md o m a i ns u b s a m p 王i n g 。 健壮波形编码( r o b u s tw a v e f o r mc o d i n g ) ：传统的编码方式目标怒尽可 能消除信号源的冗余性，这使得麓错发生时解码器很难恢复。本方法通过在编 第三章视频通信概遄 羁过程中保熬一定数量的趸余售怠来获褥较驽翦差镶恢复牲麓。惫括 1 在比特流增加辅助佑患和于出错掩箍 2 限制预测域( h 26 3 中的独立分段解码和视频冗余编码) 。 健壮蘩编鼹( r o b u s te n t r o p yc o d i n g ) ：和主一静方法在缡鹃鹞漉中添攘 冗余信息类似，它是在熵编码阶段添加冗余信息，帮助检测比特错误和防止藏 错传播。主簧有 i 。在羁漉中摇入簿步褐字减少错误俊攒 2 差错复原熵编码 3 可逆变长编码r v l c 。 信源稃信邋联合编码( j o i n ts o u r c ea n dc h a n n e lc o d i n g ) ：锌对通僚 中信道的麓错特性设计爨化器和熵编码器减少传输簇错的影响，使比特分配和 玛字依据臻道差罐特蛙可酸叁适应调熬。 传输层控制( t r a n s p o r tl e v e lc o n t r 0 1 ) ：以一h 方法都是在编码器和熵编 码器上进行，在传输层也可进行：源编码器输出码流重新打包成适合于网络传 竣戆数据惫彤式。主要方法骞 1 分层数据优先传输蘸本层 2 健壮打包格式 3 。空蠛宏块悫摇 4 重复传输重要数据。 2 3 。2 后向差错掩盖搜术 后向差镄掩盖技术中主要工作由解码器端完成。接收解码器主导中，解码器 通过信算和内撼来尽量恢复藏失的数据完成差错掩盖，蕊不依赖于编鹤器的额外傣 惫。包括靖域窝域平滑、内臻、滤波技术，这是基予睾凳鞭内容在时空中鲍楣关瞧实 现的。 中山大学颟士学位论文差错网络上的分层多描述联合鲍塑丛苎焦塑堕鐾盟婴塑 运动补馁时域覆溺：这是孝j 蔼褫颧信号对域上的相关程送 予麓错掩盖越邂，最 简单的方法是用前一解码帧相同空间位置的正确解码宏块氲接替换当前帧相应 的受损宏块。对于邋动较剧烈或鸯较多场景变化的图像，这秘方法会产生悃反 豹巍鬣效果，改进方法是雳蘸一襁的运动 缮宏块( 由受援臻静运动矢量决定) 代替当前受损块。分层编码技术中，运动矢量放在基本层，此时应用这种改进 方法尤其能有效地恢复出较好视嫩效果。 较大平滑复舔( m a x i m a l l y s m o o t hr e c o v e r y ) ：桶糟潜像和视频蓿号中的 平滑性强制能量最小化。利用本缨块正确接收的象素点、空域上附近的宏块象 素点、羲一帧正确孵碣颈测宏块灼象素点进行线蝗内捶，恢复丢失斡变换系数。 酵域、空域和已接收的象素点可分别给予不同的权重。为了提高鲁棒性，编码 器可以在传输前把棚邻宏块的变换系数进行内插，这样，信道传输错误仅会对 不相邻的块产生影响。还可以把系数分别放在不同的屡上进露传输，单一层魄 错误不会影响萁稳滋的系数。这种方法的缺点怒会造成重稳滚块边缘的模糊。 空间频城内插( s p a t i a l a n d - f r e q u e n c yd o m a i ni n t e r p o l a t i o n ) 视 频信号敕平滑佳表爨，受损块斡变换系数帮空蛹程邻块粒稠应块提近，毅j 迦可 以从它相邻块的系数内插得到丢失的系数。当所有系数丢失时，该方法等同于 从周围宏块的象素点内插值替代受损块。这种方法充分利用了视频信号的窳间 平滢性，比较适合予峻表缡码块。对于帧闯编鼹映，蠹于樱邻块预测变羧蓉数 残差之间的辐关性不强，空间颁城内插法一般应用于原始象索值的恢复，而不 是预测变换系数残麓。 运动必爨窝缠码模蔽瓣恢复( r e c o v e r yo fm o t i o nv e c t o r s & n dc o d i n m o d e s 】：和上一种方法类似，编码模式和运动矢量同样可由时空域上相邻块预 测得到。丢失宏块的运动矢量可出它上方或下方宏块的运动矢量预测，利嬲这 些运麓矢鬟可裰疆饕一解筠穰褥掰丢失宏头静较野翡结诗值。但是当丢失宏块 相邻的密块是帧内编码模式时，由于没有运动矢星可做时域运动补偿，这种方 法并不有效。在m p e g 2 中允许在帧内编码宏块中包括运动矢爨信息，用予辍邻 第二章视频通信概述 宏块的运动矢量时域补偿。但该宏块丢失时，会造成运动矢量信息的丢失，除 非是把运动矢量和宏块数据分别传输，这时即使宏块数据丢失，仍有可能得到 运动矢量。对于运动矢量的估计，一般有以下的方法： 1 简单的把运动矢量设为0 ，适用于运动相对较少的情况； 2 利用前一解码帧相应位置的运动矢量； 3 空间相邻块运动矢量的平均值； 4 空间相邻块运动矢量的中值。当一个宏块受损时，它水平相邻的宏块也会受 损，因此只取受损块上方和下方相邻块运动矢量的均值或中值。 上述四种方法可以综合应用，选择一个产生最小边界匹配差值的候选运动矢 量。当运动矢量和变换系数都丢失时，对于每个侯选运动矢量，可以假设其相应的 变换系数为待恢复块的变换系数，然后用该矢量和变换系数恢复宏块，从中选择产 生最小边界匹配差值的侯选运动矢量以及相应的系数，这种方法具有最优的重构质 量。对于图像中变化并不太大的部分，当发生包丢失时，采用与前一解码帧相同位 置的宏块进行置换是有效的办法，但对于运动剧烈的部分显然不适用。这时由丢失 宏块的相邻宏块进行空域内插更有效，空域内插对于图像中细节并不丰富的部分较 为有效。时域内插往往有着比空间内插更好的效果，仅仅是在运动非常剧烈的情况 下，空间内插或两者结合才比时域内插有更明显的作用。 2 3 3 协同差错掩盖技术 编码器和解码器也可以协同完成差错掩盖，例如a r q 技术以及编码器端基于 解码器反馈信息进行的可选预测编码方式。后一种方法也称差错掩盖可选编码 ( s e l e c t i v ee n c o d i n gf o re r r o rc o n c e a l m e n t ) ，它是当差错发生时，解 码器向编码器发送受损块位置信息，同时对这些块进行差错掩盖，然后继续进行解 码。编码器受到该信息后，这时有两种方法可以停止解码器的差错传播： 1 编码继续进行，根据反馈信息得知的受损区域不再用于运动预测，但这并不影 响其它宏块的编码方式： 主坐查堂堡点鲎堡堡兰茎堕堕竺圭塑拉星墨塑堕壁宣麴型整茎堕塑堡塑堕盟一 2 在编粥器稼完藏和躲礤器稽弱秘麓锘掩盖过程，滚复毒受掇袋，熬蓐再针对包 含恢艇块的已编硝帧进行解码，溉到当前编码帧，从而得到和解码器端相_ j 魇的 预测袋莲，减少菠链在解码器瓣健疆。 霸上逑葬法类叛，挂2 6 3 中提出了可选参考颧模式r e f e r e n c ep i c t u r e s e l e c t i o nm o d e ，编码器和解码器均有多个参考帧缓冲区，通过反馈，编杩器能 褥躲解璃器缓砖区当翁哪一顿孛成功掰弱，然鑫缀瓣器在缓猝区孛采焉该骥傍为参 考帧进行编码，同时预测参考帧已经澈变的信息也包含在比特流中发送到解码器， 解码器用相虚的参考帧避行解码。 应黼何种差错掩菔技术要考虑以下的问题：莆先，对解鹤阁像质量的影响是 最重要的，所颁的处理娥时对于双向蛾多点实时视频通信也必须骤考虑；另外，还 要考虑辫带在魄特流中冤余毙蒋匏开镛：最囊，处理酶复杂甓魂簧考虑在蠹。要注 意的是，以上因素的重骚性依赖于舆体的应用会有所不同。例如，对于单向的视频 传输，如i n t e r n e t 视频流播放和视频点播，延时的重要性就比不上双向和多点视 频逶蔷。努辨，莱些鼓拳对于菜类应麓魄鞍适合，掰对舅癸瓣巍麓藏可鼗并不懑会。 例如a r q 披术适合于点点通信，而谯彩点视频通信中就无能为力。 虽然，在未来黪搬宠中，更有教瓣差错掩蓑磐法将会提出，但我髹应泼怒更 多翡重点艘程系统层豹设诗帮霞讫上，综合应薅i 编弱算法、转输协议帮岳处理薄法 ( 解码器的麓错掩盖算法) ，减少由于编码压缩和传输造成的失真。另外，理想系统 鲍缡玛冀浚鞍健辕势议辘制应稷据爨络状态鑫逶墩，墩获褥最好游服务矮量。在差 错掩盖算法中，源编褥端和传输层之闯的相互作用玻少，系统优化应该依赖储遒环 境的变化撼高编码质量。这样，即使解碣器的差错掩盖能力不变，也能提高其憔能。 2 ，4 视频莲续编璃标准 数字桃频通信是一个簸杂的、计算强度大的过穗，涉及到各裳信源和信谯。匿 第= 章视频通信概述 前主要存在三类用于数字视频通信的设备： 数字电视或机顶盒，它主要是为接收来自不同内容提供商的视频信号而设计的。 这些设备依赖单一固定的视频解码算法，这种算法是以硬件、硬件与可编程的 精简指令集计算机( r i s c ) 处理器的组合或数字信号处理器( d s p ) 实现的。 视频电话一般在d s p 上实现，