无线视频通信抗误码技术的研究

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现代通信技术、多媒体技术与数字信号处理技术的日新月异的进步,以及第三代、第四代移动通信技术的成熟,使得无线网络已经能够提供视频通信业务。但是由于无线传输信道的干扰严重,不能提供可靠的视频传输质量。同时由于常规的视频编码系统采用预测编码与熵编码技术,不可避免地导致信道误码沿空域与时域方向在视频序列中传播与扩散,使得压缩后的视频码流更容易受到误码的影响,加剧了接收端图像质量的恶化。因此,无线差错环境下视频通信的抗误码性能研究成为通信领域非常具有挑战性的重要课题。如何在尽量少占用有限带宽资源的前提下,有效地控制信道干扰对视频码流的影响,在解码端获得最优的视频质量,成为无线视频通信必须解决的关键问题,这也是本文研究的主要目标。 H.264/AVC作为新一代视频编码标准,提出了很多可以显著提高压缩效率的先进灵活的编码方法,在通信领域具有广泛的应用前景。本文基于H.264/AVC视频标准,围绕无线差错环境中视频通信的抗误码技术展开深入细致的研究,主要工作与创新可以概括如下: 首先,本文分析了视频传输的误码现象与误码的扩散现象,指出无线视频通信所面临的问题,进而阐述了对差错信道中视频压缩码流传输鲁棒性进行研究的必要性与重要性。 接着,本文对H.264/AVC视频编码层高效的编码技术和网络适配层提供的友好网络接口进行分析,从不同角度比较了目前不同传输网络常用的各种抗误码技术,结合无线应用环境,剖析了H.264/AVC视频编码层与网络适配层提供的抗误码策略。在对典型的两种无线视频应用环境的内部机制与协议透彻分析的基础上,建立了基于RTP/IP的3G无线视频环境与基于H.324/M的无线视频环境的新的仿真系统,为本文后续各种算法和策略的实施提供了良好的测试平台。 然后,本文对基于H.264/AVC的无线传输抗误码技术进行了深入详细的研究。提出新的率失真优化编码模式判决策略,在H.264帧内空间预测等先进的编码模式下,为其新的误码扩散特点提供了有效的解决方案。本文从分析误码信道中视频码流端到端的总失真入手,基于对无线IP网络误码统计特性的分析,提出了一个适合H.264帧内空间预测的失真估计算法——基于三态Markov信道模型的像素迭代信道失真估计全局率失真优化算法(TMRPCD-RDO)。提出利用三态Markov模型来描述无线IP信道的差错传输特性。在全局率失真的计算中,对编码失真与信道失真独立计算,重点研究了信道失真与误码扩散对全局失真的影响,并以像素级精度迭代估算信道误码在时域和空域内的传播。提出宏块的加权因子与扩散系数,优化了信道失真估计的准确性,为H.264编码模式的选择提供了全局的率失真优化策略,从而实现帧内编码宏块数量与位置的优化选择。实验表明,该算法有效增强了H.264编码视频流在无线IP信道上传输的差错恢复能力。 随后,针对H.264检验模型中现有的时域掩盖算法存在块效应与运动矢量恢复效果较差的缺陷,本文结合H.264灵活的块匹配等编码特性,对其时域误码掩盖技术进行了有效的研究,提出基于分块的、利用加权边界匹配准则和自适应搜索范围的精细运动补偿时域掩盖算法(WSMAS-RTEC)。对候选运动矢量集进行有效地扩充,并自适应地确定运动矢量搜索范围,同时提出基于边界像素正确度与相关度的加权边界匹配准则,以正确提取最优的矢量估计,增强了恢复运动矢量的可靠性。该算法在不增加反馈信道与不增加额外传输比特的条件下,对受损的运动矢量进行有效的重建,提高了解码视频图像的质量。 最后,针对H.264中现有的空域掩盖算法会导致图像钝化与边界模糊的问题,本文对空域误码掩盖技术进行了有效的探讨,基于物体边缘方向在重建视频质量中的重要作用,提出一种基于纹理恢复的多方向加权插值空域掩盖算法(TRMWI-SEC)。采用简单有效的局部纹理方向分析方法,检测周围邻近图像块的纹理边缘并进行分类,利用邻块中的纹理相关像素,对受损块在不同的方向进行加权插值,并按照一定的规则将多个方向的亮度值加权组合。该算法不仅有效地恢复了误码区域的像素值与物体边缘,而且与相邻区域内的纹理保持良好的连续性。同时,本文提出一种自适应时/空掩盖算法(Adaptive-EC),根据图像的运动情况以及周围图像块的编码类型,在本文提出的TRMWI-SEC空域算法与WSMAS-RTEC时域算法之间自适应地切换。本文提出的误码掩盖算法与切换模式在对该视频标准的语法结构没有任何改变的基础上,有效地改善了视频序列在差错信道下的误码恢复效果。
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