视频通信与可伸缩视频编码技术的研究

进入二十世纪九十年代后，新的数字媒体载体技术日新月异的发展使得视频内容的存储问题己经不是阻碍视频信息广泛应用的主要问题。随着Internet的迅猛发展，网络已经深入人们的日常生活，而多媒体信息，尤其是连续媒体内容正在迅速地增加，使得视频信息在网络上的应用需求日益广泛、迫切，而视频编码的目标也就从过去的面向存储转变为面向网络传输。为了更好的推动视频流在网络上的应用，低码率编码、容错编码、分层编码、可伸缩编码成为目前研究的热点。本论文对基于IP网络通信的可伸缩视频编码进行了研究，主要包括以下内容： 1．率失真优化差错恢复算法的研究 由于在信道中传输的编码视频流对丢包和误码比较敏感，因此增强编码视频流对丢包和误码的鲁棒性至关重要。率失真优化的编码模式判决方法是一种最常用且行之有效的视频编码方法，对此技术的扩展使其应用范围超越了编码器而扩展到了视频传输系统架构，即信源编码和信道编码。本文从分析视频码流端到端的总失真入手，基于对有损传输网络误码统计特性的分析，提出了一种H.264可伸缩视频编码扩展(H.264-SVC)的全局率失真优化差错恢复算法，该算法以像素级精度估算信道误码在时域和空域内的累积扩散失真，并在深入研究H.264-SVC编码结构对误差扩散失真的影响的基础上对码率的分配做了优化，为H.264—SVC编码模式的选择提供了全局的率失真优化策略，从而提高了编码视频流的鲁棒性。 2．精细可伸缩视频编码技术的研究 基于DCT变换和位平面编码技术的视频精细粒度可伸缩编码(Fine Granularity Scalability，简称FGS)是为了提供编码视频流的带宽适应性而提出的。虽然FGS技术的可伸缩能力非常好，但是其编码效率却比不可伸缩的视频编码方法低很多。本文提出了一种自适应漏预测因子的(Adaptive Leaky Factor FGS)ALF-FGS算法。ALF-FGS算法能够在宏块级上根据编码视频帧的运动特性和纹理特征自适应的选择不同的参考宏块，不仅能够很好的适应网络带宽的波动，而且能有效地消除在低码率下的误差传递和累积，提高了FGS的编码效率。 3．非均等差错保护的H.264-SVC冗余图像编码算法 在基于IP的视频传输中，当反向信道不存在或者无法利用时，通常采用无反馈的视频冗余编码(Video Redundancy Coding，VRC)来抵制IP网络的丢包。针对无反馈信道的IP传输，结合H.264-SVC的码流结构特性，本文提出了一种码率控制的冗余图像编码算法RL-RPC(Rate-Limited Redundant Picture Coding)，该算法根据不同空间层和时间级的图像对抑制误差扩散的作用大小的不同来优化冗余图像码率的分配。在有效的控制冗余码率的同时，解决了在丢包信道传输视频时的误差漂移问题。 4．H.264-SVC的差错隐藏算法的研究 具有空间可分级特性的H.264-SVC码流不仅可以使用传统的差错隐藏方法，而且还可以利用不同空间层图像的相关性进行跨空间层的差错隐藏。本文对H.264-SVC视频编码的各种差错隐藏方法进行了研究和对比，详细分析了各种方法的性能和优缺点，对实际应用具有一定的指导意义。 5．可伸缩视频流应用演示系统的研究和实现 在深入研究IP网络视频传输技术的基础上，针对可伸缩视频流的典型应用，实现了SVC的应用演示系统。该系统具有可伸缩视频编码、码流提取、视频解码、播放、解码质量评价、网络传输以及网络环境参数设置等功能。能够提供尽量而为的Internet网络和具有Diff Serve服务的两种网络环境，并提供各种IP网络标准丢包模式。可以根据网络环境使用相应的编码方法以及差错恢复方案。能够评价各种视频压缩算法和差错恢复算法在各种不同的IP网络环境下的性能。