（信号与信息处理专业论文）基于斯坦福模型分布式视频编码系统的关键技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：王堂篮墨皇篮! 垦处理 研究方向：图堡处理皇多基签通鱼 作者：垫盟级硕士研究生业 指导教师：塑揸塾援 题 目：基于斯坦福模型分布式视频编码系统的关键技术研究 英文题目：t h ek e yt e c h n o l o g i e so fd i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g b a s e do ns t a n f o r dm o d e l 主题词：分布式视频编码半像素精度l d p c a 码率控制 k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ，s u b p i x e la c c u r a c y ，l d p c a ， r a t ec o n t r o l 南京邮电大学硕士研究生论文 摘要 摘要 近年来，一些新的视频应用如无线视频传感器网络、移动视频电话和无线视频监控在 快速地融入和改变着人们的生活。这些视频系统要求终端不仅可以实现低复杂度解码，还 需具有实时编码和传输等功能。受制于设备成本及功耗等因素，该类系统终端的计算和存 储能力都十分有限，因此难以执行复杂的视频压缩算法。 分布式信源编解码技术是一种新的信源压缩技术，这项技术是基于早在2 0 世纪7 0 年 代就提出的s l e p i a n w 6 l f 和w y n e r z i v 理论。直到2 1 世纪初，才开始有分布式视频编解码 的具体实施方案的提出。传统的视频编码由一个高复杂度的编码器和一个低复杂度的解码 器构成，而分布式视频编码系统把计算复杂度高的运动估计以及运动补偿部分从编码端移 到了解码端，大大减少了编码端的复杂度，同时具有较高的压缩率，非常适合于移动多媒 体的应用。 本文首先介绍了分布式视频编码系统与传统视频编码间的区别，然后介绍了分布式视 频编码系统的理论基础，即s l e p i a n w o l f 定理以及w y n e r - z i v 定理。根据目前该领域的研 究热点以及编解码框架阐述了分布式视频编码系统中重点研究的一些相关技术。接下来分 析了斯坦福模型分布式系统的实现方法以及存在的缺陷，并且展开了深入研究。为了充分 的利用解码端的边信息进行w z 帧的重建，本文提出了基于半像素精度边信息进行w z 帧 重建的方法，分别对基于空域半像素精度边信息、频域半像素精度边信息的重建方法以及 斯坦福模型中基于整像素边信息的重建方法进行比较，这两种方法对重建w z 帧的率失真 性能都有比较明显的提升。然后分析了斯坦福模型系统中基于l d p c a 的码率控制算法， 该算法在较高码率时初始校验位数的计算上存在偏差，使得解码端向编码端请求比特数的 次数以及迭代译码的总时间大大增加，本文提出了通过相对熵进行拉普拉斯信道估计以及 引入l d p c a 译码性能限来调整初始比特数计算的准确性，使得在仅增加较少比特数的前 提下大大降低了解码端向编码端请求比特数的次数以及迭代译码的总时间。本文最后对全 文进行了总结，并指出今后需要继续进行的相关研究工作。 关键词：分布式视频编码、半像素精度、l d p c a 、码率控制 - 南京邮电大学硕士研究生论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ee m e r g i n ga p p l i c a t i o n s ，s u c ha sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，m o b i l ec a m e r a p h o n e s ，a n dw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m s ，h a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to no u rl i v e s t h e s e v i d e os y s t e m sr e q u i r et h et e r m i n a lc a nr e a l i z en o to n l yl o wc o m p l e x i t yd e c o d i n g ，b u ta l s o r e a l - t i m ec o d i n ga n dt r a n s m i s s i o n w i t ht h er e s t r i c t i o no fe q u i p m e n tc o s t ，c e l lc a p a c i t ya n ds oo n ， t h et e r m i n a l sa b i l i t yo fc a l c u l a t i o na n ds t o r a g ei sl i m i t e d ，w h i c hm a k e si tc a n td oc o m p l i c a t e d v i d e oc o m p r e s s i o n d i s t r i b u t e ds o u r c ec o d i n g i san e wt e c h n o l o g yo fs o u r c e c o m p r e s s i n g ，b a s e d o n s l e p i a n w o l f sa n dw y n e r - z i v si n f o r m a t i o n t h e o r e t i c r e s u l t sf r o mt h e19 7 0 s u n t i lt h ee a r l y 21t h c e n t u r y , r e s e a r c h e r sh a v ep r o p o s e dt h e f r a m e w o r ko fd i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g t h e c o n v e n t i o n a lv i d e oc o d i n gc o m p r i s e so fac o m p u t a t i o n a l l yi n t e n s i v ee n c o d e ra n dal i g h t w e i g h t d e c o d e r d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n gm o v e sh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fm o t i o ne s t i m a t i o n a n dm o t i o nc o m p e n s a t i o np a r tf r o mt h ee n c o d e rt ot h ed e c o d e qa n dg r e a t l yr e d u c et h e c o m p l e x i t yo f t h ee n c o d i n gs i d e t h es y s t e ma l s oh a sah i g h e rc o m p r e s s i o nr a t i o ，w h i c hi sv e r y s u i t a b l ef o rm o b i l em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sf i r s td e s c r i b e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nd v cs y s t e ma n dt r a d i t i o n a lv i d e oc o d i n g s y s t e m a n dt h e nw ei n t r o d u c et h et h e o r yo fd v cs y s t e mb a s e do nt h es l e p i a n - w o l fa n d w y n e r - z i vt h e o r e m b a s e do nt h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u sa n dc o d e cs t r u c t u r e ，w ed e s c r i b e ds o m e o ft h ei m p o r t a n tr e l a t e dt e c h n o l o g i e si nd v cs y s t e m t h e nw ea n a l y z et h ei m p l e m e n t a t i o n so f s t a n f o r dm o d e ld v cs y s t e m ，a sw e l la st h es h o r t c o m i n g sa n ds t u d yi n t od e p t h i no r d e rt of u l l y u s eo ft h es i d ei n f o r m a t i o nt od ot h ew zf l a m er e c o n s t r u c t i o nt a s k ，w ep r e s e n tan e ww zf l a m e r e c o n s t r u c t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e do ns u b p i x e la c c u r a c yo ft h es if r a m e w ec o m p a r et h e t w on e wr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n dt h ep i x e la c c u r a c ym e t h o da n db o t hm e t h o d sh a v ec l e a r u p g r a d e si n t h er dp e r f o r m a n c e o ft h er e c o n s t r u c t e dw zf r a m e t h e nw ea n a l y s et h e l d p c a b a s e dr a t ec o n t r o la l g o r i t h mi nt h es t a n f o r dm o d e ld v cs y s t e m t h ea l g o r i t h mi s b i a s e do nt h ec a l c u l a t i o no ft h ei n i t i a lp a r i t yb i t s n u m b e rw h e nt h er a t ei sh i g h t h i sm a k e st h e n u m b e ro fr e q u e s t sf r o md e c o d e ri n c r e a s ea n ds od o e st h ed e c o d i n gt i m e i nt h i st h e s i sw eu s e r e l a t i v ee n t r o p yt od ot h el a p l a c ec h a n n e lm o d e l i n g ，a n du s el d p c ad e c o d i n gp e r f o r m a n c e l i m i t st oa d j u s tt h ei n i t i a lp a r i t yb i t s n u m b e r t h i sn e wm e t h o dr e d u c et h en u m b e ro fr e q u e s t s f r o md e c o d e ra n d 嬲w e l la l st h ei t e r a t i v ed e c o d i n go ft h et o t a lt i m e t h ec o n c l u s i o n sa r em a d ea tl a s ta n d s o m er e s e a r c ht o p i c sa l o n gt h el i n e so ft h i st h e s i si nt h ef u t u r ea n dt h ep o s s i b l eh o tp r o b l e m sa r ep o i n t e do u t k e y w o r d ：d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ，s u b - p i x e la c c u r a c y , l d p c a ，r a t ec o n t r o l i i 、 南京邮电大学硕士研究生论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 目录1 l i 第一章绪论j 1 1 1 研究背景1 1 2 传统视频编码技术进展1 1 3 分布式视频编码技术进展3 1 4 本文的主要工作及内容安排4 第二章分布式视频编码及关键技术分析6 2 1 分布式视频编码的理论基础6 2 1 1s l e p i a n w o l f 无损分布式编码理论6 2 1 2w y n e r - z i v 有损分布式编码理论8 2 2 分布式视频编码的典型方案9 2 2 1 像素域w y n e r - z i v 视频编码方案1 0 2 2 2 变换域w y n e r - z i v 视频编码方案1 1 2 3 分布式视频编码的关键技术12 2 3 1 量化器的设计1 2 2 3 2 边信息的产生方法。1 3 2 3 3 码率控制方法1 4 2 3 4w z 帧重建方法1 5 2 4 本章小结1 6 第三章基于斯坦福模型的d v c 系统分析。1 7 3 1 概述17 3 2 基于斯坦福模型的d v c 系统总框架1 7 3 3 关键帧编码以及w z 帧编码实现1 8 3 4 拉普拉斯信道估计1 9 3 5w y n e r - z i v 帧联合译码及重建2 2 3 6 本章小结2 3 第四章基于半像素插值边信息的w z 帧重建2 4 4 1 概述2 4 4 2 斯坦福模型基于原始边信息的w z 帧重建方法2 4 4 2 1 边信息中最佳匹配块位置的估算2 4 4 2 2 重组边信息以及w z 帧重构2 5 4 2 3 斯坦福模型d v c 系统w z 帧重建方法的缺点2 6 4 3 基于半像素插值边信息的w z 帧重建2 8 4 3 1 基于空域半像素精度边信息的w z 帧重建2 8 4 3 2 基于d c t 频域半像素精度边信息的w z 帧重建2 9 4 4 本章小结一3 0 第五章基于l d p c a 改进的w z 帧码率控制算法3 1 5 1 概j 签3 1 5 2 可变码率l d p c a 3l 5 2 1l d p c 码原理3 l i i i 南京邮电大学硕士研究生论文 目录 5 2 2 基于l d p c a 的s e l p i a n w o l f 编解码算法3 3 5 3 斯坦福模型d v c 系统w z 帧的码率控制算法3 6 5 4 改进的w z 帧码率控制算法3 7 5 4 1 改进的拉普拉斯信道建模计算方法3 7 5 4 2 初始校验比特数调整算法3 8 5 6 本章小结4 2 第六章实验结果与分析4 3 6 1 基于半像素边信息的w z 帧重建方法仿真结果与分析：4 3 6 2 改进w z 帧码率控制算法仿真结果与分析5 4 6 3 本章小结5 6 第七章总结与展望5 7 7 1 总结5 7 7 2 展望5 7 参考文献5 9 致谓 6 3 攻读硕士学位期间的学术论文6 4 i v 南京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着社会的不断进步和信息技术的不断发展，在最近的一二十年时间里，人们对信息 的需求、获取、描述、交流、传输等发生了巨大的变化，进入了一个信息爆炸的数字化时 代，尤其是在数字图像通信技术领域发展迅猛。进入2 0 世纪9 0 年代以后，i t u t 和i s o 制定了一系列图像编码标准，从h 2 6 1 到h 2 6 3 ，m p e g 2 ，m p e g 4 ，h 2 6 4 a v c 】。这 些标准的制定极大地推动了图像编码技术的应用化和产业化，迎来了数字图像通信的新时 代。由此而诞生的可视电话、会议电视、数字电视( d t v ) 、v c d 、d v d 等已经获得了相当 大的成功，极大的丰富了人们的生活。这些传统的数字视频编码方法普遍是基于帧间预测 混合编码技术。为了最大限度地去除视频序列空间域和时间域的冗余度，这种编码方式需 要在编码端进行运动估计、变换、量化、熵编码以及参考帧重建等处理。通常情况下，视 频的编码端比解码端要复杂5 1 0 倍，因此这些传统的视频编码方法非常适用于广播、光 盘存储、视频点播等需要一次编码和多次解码的应用场合。 近年来，在多媒体通信技术领域又不断涌现出了许多新的视频应用需求，如无线视频 监控、无线p c 相机、移动视频电话、多媒体传感器网络等。在这些视频应用中，往往需 要低复杂度的编码器，例如计算能力、内存容量、耗电量都受限的无线视频终端。而传统 的视频编码标准( 如m p e g 4 和h 2 6 4 a v c ) 在编码端的复杂度很高，难以满足这些新应用 的需求，在这种情况下，传统视频编码系统正逐步面临着挑战。正是基于上述原因，近年 来，一种全新的视频编码框架分布式视频编码( d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ，d v c ) t m 得到 了众多研究者的关注。该视频编码方法将运动估计和运动补偿模块移到了解码端，从而达 到了编码器简单化的要求。分布式视频编码使设计具有低计算复杂度的视频编码器和解码 器成为可能，研究分布式视频编码也对视频压缩编码领域具有深远意义。 1 2 传统视频编码技术进展 视频编码技术的飞速发展和广泛应用的标志就是一系列视频编码的国际标准的制定， 即国际电信联盟电信标准化部门( i t u t ) 关于电视电话会议电视的视频编码标准h 2 6 1 、 h 2 6 3 、h 2 6 3 + + + 、h 2 6 4 ，以及国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 中的活动图 像专家组( m p e g ) 相j 定的关于活动图像的编码标准m p e g 1 、m p e g 一2 和m p e g 一4 等。 l 1 1 i i l l l j l 南京邮电大学硕士研究生论文第章绪论 h 2 6 1 是最早出现的视频编码建议，目的是规范i s d n 网上的会议电视和可视电话应 用中的视频编码技术。它采用的算法结合了可减少时间冗余的帧间预测和可减少空间冗余 的d c t 变换的混合编码方法。h 2 6 3 建议的是低码率图像压缩标准，在技术上是h 2 6 1 的改进和扩充，支持码率小于6 4 k b i t s 的应用。但实质上h 2 6 3 以及后来的h 2 6 3 + 和 h 2 6 3 + + 已发展成支持全码率应用的建议，支持的图像格式涵盖了s u b q c i f 、q c i f 、c i f 、 4 c i f 、甚至高清晰度级别的1 6 c i f 等格式。 m p e g 1 标准的码率为1 2 m b i t s 左右，可提供3 0 帧c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) 质量的图像，是为 c d r o m 光盘的视频存储和播放所制定的。m p e g 1 标准视频编码部分的基本算法与 h 2 6 1 1 - i 2 6 3 相似，也采用运动补偿的帧间预测、二维d c t 、v l c 游程编码等措施。此外 还引入了帧内帧( i ) 、预测帧( p ) 、双向预测帧( b ) 和直流帧( d ) 等概念，进一步提高了编码效 率。在m p e g 1 的基础上，m p e g 2 标准在提高图像分辨率、兼容数字电视等方面做了一 些改进，例如它的运动矢量的精度为半像素；在编码运算o e ( 如运动估计和o c t ) 区分帧和 场。近年推出的m p e g 4 标准引入了基于视听对象( a v o ：a u d i o v i s u a lo b j e c t ) 的编码，大 大提高了视频通信的交互能力和编码效率。m p e g 4 中还采用了一些新的技术，如形状编 码、自适应d c t 、任意形状视频对象编码等。但是m p e g 一4 的基本视频编码器还是属于和 h 2 6 3 相似的一类混合编码器。 h 2 6 4 a v c 是i t u t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 运动图像编码专 家组) 的联合视频组( j v t ：j o i n tv i d e ot e a m ) 开发的一个新的数字视频编码标准，它既是i t u t 的h 2 6 4 ，又是i s o i e c 的m p e g 4 的第1 0 部分。1 9 9 8 年1 月份开始草案征集，1 9 9 9 年 9 月，完成第一个草案。2 0 0 1 年5 月制定了其测试模式t m l 一8 。2 0 0 2 年6 月的j v t 第5 次会议通过了h 2 6 4 的f c d 版。2 0 0 3 年3 月正式发布。 h 2 6 4 和以前的标准一样，也是d p c m 加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归 基本”的简洁设计，不用众多的选项，却能获得比h 2 6 3 + + 好得多的压缩性能：加强了对各 种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理：应用目 标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输( 存储) 场合的需求；它的基本系 统是开放的，使用无需版权。在技术上，h 2 6 4 标准中有多个改进，如统一的v l c 符号编 码，高精度、多模式的位移估计，基于4 4 块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施 使得h 2 6 4 算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比h 2 6 3 节约5 0 左右的码率。h 2 6 4 的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应i p 和无线网络的应用。 南京邮电大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 3 分布式视频编码技术进展 由上节所述可以看到，这些传统视频编码标准的编码器包括有变换、量化、熵编码以 及运动估计和运动补偿等大量运算。尤其是运动估计和运动补偿，它们的运算量占整个系 统运算量的一半以上，造成编码器的复杂度远高于解码器。这种传统的视频编码架构适合 一次压缩，多次播放的场合，而不适合计算能力、内存容量、功耗都受限的无线视频终端 的应用场合，分布式视频编码正是基于此类无线视频终端的应用而被提出，并且得到了广 泛的关注。它的特点是编码简单，解码复杂，并且能够实现高效的压缩，重建图像质量接 近传统的混合框架编码方式，抗误码特性好。 w z 帧 图1 1典型的分布式视频编解码结构图 2 0 世纪7 0 年代，s l e p i a n 和w r o l f 建立了分布式无损编码理论1 6 j ，以此为基础w y n e r 和z i v 建立了有损分布式编码理论 7 1 ，这两个理论奠定了d v c 的理论基础。虽然上述理论 早在2 0 世纪7 0 年代就已经提出，但由于缺乏具体的实现方法，导致d v c 的发展较为缓 慢。直到近年来，随着无线视频传感器网络和无线视频移动设备的应用需求，d v c 重新成 为研究热点。图1 1 是一个典型的分布式视频编解码结构图。我们把视频序列分为关键帧 以及w y n e r - z i v 帧，关键帧类似传统视频编码标准中的i 帧，编码端进行传统的帧内编码， 解码端进行帧内解码。除i 帧之外的另一种类型的帧我们定义为w y n e r z i v 帧，概念上有 点类似于传统视频编码中的p 帧，但是采用的编解码方法却是千差万别。w y n e r - z i v 帧编 码器由一个量化器和s l e p i a n w 0 l f 编码器组成，如果是在频域进行w z 帧的编码，则在量 化前还需要一个变换器对像素域的数据进行转换。w y n e r - z i v 的解码器包括了s l e p i a n w o l f 解码器以及w z 帧的重建模块，如果是在频域进行w z 帧的解码，则相应的加上逆变换模 块，最终得到解码的w y n e r - z i v 帧。另外在分布式视频编码中解码端还引入了边信。皂, ( s i d e i n f o r m a t i o n ) 的概念，作用类似传统视频编码标准里的参考帧，边信息对w z 帧的解码以及 南京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 重建都至关重要，是分布式视频编码研究的热点之一。 美国s t a n f o r d 大学的b e m dg i r o d 等人较早实现了像素域d v c l 5 】，对每个像素采用均 匀标量量化，然后对量化序列用基于t u r b o 码的s l e p i a n - w o l f 编码器压缩。像素域w z 帧 编码取得了介于传统帧内和帧间编码的率失真性能；进而，g i r o d 课题组又将d c t 变换用 于d v c ，提出了基于t u r b o 码的d c t 域d v c t 8 m 】。美国c a l i f o r n i a 大学的r a m c h a n d r a n 课题组也提出了d c t 域d v c 方案，即基于伴随式的高效率鲁棒多媒体编码 ( p o w e r - e f f i c i e n t ，r o b u s t ，h i g h c o m p r e s s i o n ，s y n d r o m e b a s e dm u l t i m e d i ac o d i n g ，p r i s m ) 方案 1 3 】【1 4 】，他们对8 8 块的d c t 变换系数进行标量量化，用t r e l l i s 码压缩量化的d c t 系数。由于变换编码进一步去除了图像的空间冗余，因此d c t 域d v c 在编码效果上要优 于像素域的方法。z i x i a n gx i o n g 提出的分级w y n e r - z i v 编码算法也是一种很有代表性的分 布式视频编码方案【1 5 】f 1 6 】，在这种分级w y n e r - z i v 视频编码方案中，视频编码的基本层编码 采用h 2 6 l 编码，增强层采用w y n e r - z i v 编码。其w y n e r z i v 编码主要是采用d c t 变换、 嵌套分级量化( n s q ：n e s t e d s c a l a rq u a n t i z e r ) 和基于l d p c ( i o w d e n s i t yp a r i t y c h e c k ) 的 s l e p i a n w o l f 编码。这种编码方式可以避免由于传输错误造成的编码和解码失配问题，因 此所提出的方案具有更好的抗误码特性。其余的方案还包括基于小波编码的分布式视频编 码方案【1 7 】【1 8 】。s e h g a l 等提出的“s t a t e f r e e 分布式视频编码方案【1 9 】。 在d v c 领域，以b e m dg i r o d 等提出的帧内编码帧间解码方案和r a m c h a n d r a n 等提 出的p r i s m 方案使用较为广泛。在上述所提方案的基础上，又有人提出了一些改进算法 来提高d v c 的性能，如欧洲d i s c o v e r 组织基于g i r o d 框架所提出的一系列i s t - d v c 算 法【2 0 】【2 l j 。欧洲的v i s n e t 组织也对d v c 的相关编码技术进行了深入的研究，其系统方案 与帧内编码帧间解码方案方案相似。目前，国内也在进行分布式视频编码的相关技术研究， 取得了一定的研究成果【2 2 俄】。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本文所作的主要工作及创新点有以下几点： ( 1 ) 对斯坦福大学d a v i dc h e n 、d a v i dv a r o d a y a n 等提出的d v c 模型 2 5 - 3 2 1 进行深入研 究，重点分析了关键帧及w z 帧编码的实现方法，以及解码端基于运动矢量学习模型的 w z 帧联合译码方法，为进一步的算法改进提供了依据。 ( 2 ) 研究w z 帧重建方法，并提出一种全新的基于半像素插值边信息重建w z 帧的方 案，给出了空间域和d c t 变换域两种实现算法，使得重建的w z 帧的p s n r 值平均提高 南京邮电大学硕士研究生论文 第一章绪论 0 5 1 5 d b 左右。 ( 3 ) 研究w z 帧码率控制方法，在编码端提出种改进的的虚拟信道建模方法，它不 仅能降低编码端信道估计的复杂度，而且还提高了虚拟信道估计的准确性。此外，在解码 端依据已建模的虚拟信道，提出一种改进的w z 帧码率控制方法，在基本不增加码率的情 况下，大大减少解码端与编码端的通信次数，减少译码迭代次数，提高译码效率。 全文共分五个章节，内容组织如下： 第一章：绪论。本章首先简要介绍了论文的研究背景、传统视频编码的发展状况、分 布式视频编码技术的发展状况，最后说明了作者的主要工作和论文的组织结构。 第二章：分布式视频编码及关键技术分析。对分布式视频编码的理论基础进行了详细 的探讨，并分析了分布式视频编码的关键技术。 第三章：基于斯坦福模型d v c 系统的分析与研究。本章主要针对斯坦福大学提出的 分布式视频编码系统进行研究，分析了关键帧及w z 帧编码的实现方法，以及解码端基于 运动矢量学习模型的w z 帧联合译码方法。 第四章：基于半像素插值边信息的w z 帧重建。本章首先分析了基于整像素精度重建 边信息的实现方法，并且分析了该方法存在的缺陷。然后提出了基于像素域半像素精度以 及频域半像素精度的边信息重建方法，与整像素域重建方法进行比较。 第五章：基于l d p c a 改进的w z 帧码率控制算法。本章首先介绍了系统中采用的可 变码率l d p c a 码的原理，然后分析了w z 帧码率控制算法的实现方法以及该算法存在的 缺陷，接着提出了改进的虚拟信道建模方法及相应的w z 帧码率控制算法。 第六章：实验结果与分析。本章针对第四、第五章中提出的基于半像素插值边信息的 w z 帧重建方法以及改进的l d p c a 码率控制算法进行仿真，与原系统中采用的方法进行 比较并分析结果。 第七章：总结与展望，总结了本文所作的工作，并对该课题进一步研究的重点方向进 行展望。 南京邮电大学硕士研究生论文第二章分布式视频编码的关键技术分析 第二章分布式视频编码及关键技术分析 2 1 分布式视频编码的理论基础 分布式视频编码的思想最早分别由s l e p i a n 和w o l f , w y n e r 和z i v 以信息编码理论的 方式提出，并且加以论证。我们首先回忆一下信息论中的内容，设和y 为两个统计相关 的独立同分布随机序列，对x 和】，分别进行信源编码和解码时，其无失真信息传输率分别 满足r x 之翩殉及r r 三日，其中凰、研矽，r r 和h 分别为x 和】，的信息传输率和熵。 当对x 和y 进行联合编码时可获得更好的压缩效果，即欺+ r ，之研x 矽，这是因为联合编 码可利用和】，之间的统计相关性。 针对上述统计相关的序列x 和y ，s l e p i a n 和w o l f 研究了对它们进行独立编码但联合 解码的问题，实验结果表明总码率戤+ r r 可以等于联合信源熵目陇矽，这与对x 和y 进 行联合编码的情况是相同的。下面我们详细介绍s l e p i a n w b l f 理论 6 1 和w y n e r z i v 理论【7 】。 2 1 1s l e p i a n w o l f 无损分布式编码理论 上世纪7 0 年代，s l e p i a n 和w o l f 两位学者提出并论证了存在这样一种编解码系统，对 于两个互相关的离散无记忆信源zy ，仅在解码端利用x 和y 之间的相关性( 单独编码 联合解码) ，系统无损压缩的最低码率与传统编码方案的码率相同( 联合编码一联合解码) 。也 就是说，在编码端x 不需要同】，通信，最少以h ( a q 矽码率编码，在解码端进行联合解码， 先译码得到y ，再利用】，对x 进行译码，x 仍能被正确解码。图2 1 所示为传统联合编码， 联合解码的方案，图2 2 所示为s l e p i a n w o l f 分布式信源编码方案，从中我们可以看到 s l e p i a n w b l f 理论把x 和】，的通信放到了解码端，减小了编码的复杂度，增加了解码的复 杂度，与传统的编码系统正好相反。 l 黼h x 卜 彳 一l x 和y 联 厶 互相关 口 i i 信源 进行 译 翩并且r r 硒切，在这个区域内信源x 和信源】，可以进行独立编码， 独立解码的无损编码，是传统熵编码所能达到的区域。( 2 ) 其余区域不满足公式( 2 1 ) 的要求， 要做到无损编码，信源x 和信源y 需要联合解码。分布式编码主要研究s l e p i a n w b l f 无损 区域编码的情况。在图中b 点处，编码器x 编码输出的码率为信源x 的熵研，即r x = 硒殉，信源肖可以实现无差错的解码。解码端在无损解码x 的条件下，信源y 的不确定性 由硒矽降为目闭固。由于信源x 和信源y 是统计相关的，所以传输信源】，的码率下界可 以由硒叼降为h ( y i x ) 。也就是说在解码端，已经解码的信源x 作为信源】，的边信息，进行 联合解码得到】，。在a 点也有同样相似的结论。a 和b 点的编码称为不对称编码，c 点的 编码称为对称编码。在不对称编码时，编码的目标是基于x 和】，之间的条件统计信息( 或 者相关性模型) ，以逼近于目闭勾的速率来对y 进行编码。 7 南京邮电大学硕士研究生论文 第二章分布式视频编码的关键技术分析 1 t ( 1 9 i t ( r i g ) 闭矽i t ( x ) 图2 - 3s l e p i a n w o l f 理论的编码码率范围 下面我们举例来说明s l e p i a n w o l f 理论的正确性：假设有两个互相关的等概率分布的 信源工l 长度为3 比特，汉明距离小于等于1 。将3 b i t 序列分成4 组序列对，每组两个 序列的汉明距离为3 ，即 0 0 0 ，1 1 1 ) ， 0 0 1 ，1 1 0 ) ， 0 1 0 ，1 0 1 ) ， 1 0 0 ，0 1 l ，这4 组序列 对只需2 比特编码就可区分，而x 必然在其中的一组中。于是可以用序列对的编码代替x 编码发送，再加上y 的3 比特，达到5 比特码率的目标。在译码端由译出的】，以及同时刻 对应的x 序列对的编号来解码得到正因为同时刻发送的x 和】，其汉明距离不会超过1 ， 这就决定了接收到的y 只可能与接收到的肖序列对中的一个相近，而与另一个序列的距离 大于l ，这样就能正确的译码得到兄也因此证明了s l e p i a n w b l f 理论的正确性。 2 1 2w y n e r - z i v 有损分布式编码理论 s l e p i a n w b l f 的无损分布式信源编码理论提出不久，w y n e r 和z i v 便将其扩展到有损情 况，建立了解码端使用边信，宙, ( s i d ei n f o r m a t i o n ) 的有损分布式信源编码率失真理论。为了 精确说明w y n e r - z i v 理沦，在有损编码理论中，使用x 和】，表示两个独立同分布随机过程 的样本，而且两者有着无限符号集x 和y 。如图2 4 所示。信源x 独立编码，不使用边信 息只在联合解码时使用y 。解码后得到在样本空间x 在符号集x 上的重建值j ，失真度 为d = 研d ( x ，牙) 】。w y n e r - z i v 率失真函数r 嚣( d ) 表明了在一个失真度d 约束下分布式编 码的码率下限。如果编码端同样可以获取边信息，率失真函数表示为粕r 俐。w y n e r 和 z i v 证明了在编码端不能获得边信息y 的情况下，r x l w z r ( d ) 芝硒形功。二人同样证明了在高 8 南京邮电大学硕士研究生论文第二章分布式视频编码的关键技术分析 斯无记忆信源和均方误差失真条件下，磷w i z ，( d ) = 畅删。如果信源序列x 是任意分布边信 息】，和独立高斯噪声的和，已经证明了该等式也是成立的。该公式的成立为分布式视频编 码奠定了理论基础。 x 个 i i y x 图2 - 4w y n e r - z i v 分布式编码系统 实际应用的w y n e r - z i v 编解码系统如图2 5 所示，w y n e r - z i v 编码可以看作是对信源的 量化和s l e p i a n w o l f 编码相结合的过程。在编码端，量化器对输入信号进行量化，得到量 化值场，对拖进行s l e p i a n w b l f 编码：在解码端，经s l e p i a n w | o l f 解码后得到场的逼近 值拖，由拖和】，得到x 的重建值戈。 在分布式信源编码中使用了虚拟相关信道的概念，即利用信源x 和】，间的相关性构造 一个虚拟相关信道。可将x 看成是虚拟信道的输入，将边信息y 看成是虚拟信道的输出， 二者间的差别可看成是由虚拟信道的干扰造成的误码，信道容量i ( x , r 9 大于o ，即虚拟信 道携带了一定的信息量，因此在构建一个信道码字时尽量等于i ( x , r 9 的减少量。译码器结 合了边信息】，后，x 中剩余的不确定性为：功圈矽= 朋矽一i ( x , r 9 ，即为x 需要传输的码率， 则可节省的码率为f i x , 功。 w y n e r z i v 编码器w y n e r z i v 解码器 图2 - 5 实际w y n e r - z i v 分布式编解码系统 2 2 分布式视频编码的典型方案 x 上一章中我们提到了目前