分布式視頻編碼及關鍵技術分析[精品資料]

分布式視頻編碼及關鍵技術分析 -精品資料 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 最新最全的 學術論文 期刊文獻 年終總結 年終報告 工作總結 個人總結 述職報告 實習報告 單位總結 摘要：傳統(tǒng)視頻編碼方案在編碼端通常采用預測 (幀內和幀間 )、變換、編碼等技術來挖掘其中的冗余信息、，實現(xiàn)視頻的壓縮。然而這些操作會給編碼端帶來大量的運算處理，導致對編碼器要求很高。所以在編碼端只能提供有限資源的情況下，比如無線傳感器網絡等輕型移動終端，這些處理方法就不能適用。 這些處理方法就不能適用。針對傳統(tǒng)視頻編碼方案的不足，分布式視頻編碼方案 (Distributed Video Coding, DVC)通過將復雜的計算工作轉移到譯碼端，能夠達到減輕編碼端運算復雜度的效果，將是解決這一難題很好的方案。 關鍵詞：視頻編碼； 分布式視頻編碼； Slepian-Wolf； Wyner-Ziv TN941.2 A Slepian 和 Wolf于 1973年提出了無損分布式信源編碼理論即 Slepian-Wolf理論， 1976年， Wyner和 Ziv 又提出了有損分布 式視頻編碼理論。這兩個理論分別從有損編碼和無損編碼的角度證明了對兩個相關的信源進行獨立編碼聯(lián)合解碼得到的率失真性能都沒有下降。視頻作為信源的一個重要表達形式，這個理論就為分布式視頻編碼的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。在編碼端，將相關的視頻序列看成 “ 獨立的信源 ” ，進行單獨編碼，并將編碼得到的信息比特和校驗比特傳送到解碼端。在解碼端，則可以利用充裕的資源以及圖像巾貞之間的相關性，通過已經解碼的視頻圖像幀結合譯碼器的譯碼結果完成后續(xù)視頻序列的解碼。這種編碼模式避免了傳統(tǒng)視頻編碼標準下編碼器由于利用圖像序列之間相關性而采用的 大量復雜的運算，如預測、估計以及插值等，并將這些復雜的工作轉移到了解碼端。這種編碼模式滿足了新興多媒體技術對編碼器的要求，適應于視頻監(jiān)控、災區(qū)信息數(shù)據(jù)采集等很多特定、復雜的環(huán)境。分布式視頻編碼方案作為一種新的視頻編碼模式的優(yōu)越性慢慢體現(xiàn)出來，越來越受到人們的關注。 一、分布式視頻編碼的理論 相關信源的編解碼方式通常有兩種 : 聯(lián)合編碼聯(lián)合解碼。很多經典視頻壓縮標準如 H.26X經常采用這樣的的方式。利用圖像序列之間的時間相關特性，編碼端通過幀間預測的方式來消除幀間冗余信息，達到數(shù)據(jù) 壓縮的效果；解碼端則是通過加上編碼部分冗余信息的方式來解壓恢復數(shù)據(jù)。這樣的編解碼方式可以通過圖 2.1表示。 (2)獨立編碼聯(lián)合解碼。此模式即為 DVC系統(tǒng)的工作模式。編碼端對相關信源如圖中 X 和 Y 進行獨立編碼，傳送編碼信息到解碼端；解碼端則利用圖像序列之間的相關性對接收的編碼信息進行聯(lián)合解碼完成圖像重建。該模式如圖 2.2所示。 1、 Slepian-Wolf 分布式無損編碼理論 根據(jù)信息論知識可以知道對信源單獨編碼和單獨解碼，則只有在 RX _ H(X)和 RY _ H(Y)滿足的條件 下，才能對編碼的信源信號 X， Y 進行無失真的解碼恢復。其中 Rx, RY分別為信源 X 和 Y 的編碼碼率 (即每個碼元所需的比特數(shù)目 )，H(X)， H(Y)分別為信源 X 和 Y 的信息熵。如果 X, Y 亦為統(tǒng)計相關的獨立無記憶信源序列時，對 X 和 Y 采用聯(lián)合編碼聯(lián)合解碼的方案，即首先對 X 進行獨立編碼；然后利用 X 作為 Y 的預測信息，對殘差信息進行編碼。依據(jù)香農定理，要實現(xiàn)無失真?zhèn)鬏?，即解碼端對 X 和 Y 實現(xiàn)無失真解碼，則需要滿足RxH(X) ， RY H(Y X) ， RX +RY H(X,Y) 三個條件，其中H(Y X)是在 X 為給定的情況 下 Y 的條件熵， H(X, Y)是信源 X和 Y 之間的聯(lián)合熵。那么，如果對 X, Y采用單獨編碼聯(lián)合解碼的方案對碼率會是怎么樣的要求呢 ?1973年， Slepian 和Wolf提出 Slepian-Wolf 理論。該理論指出在編碼端獨立的編碼，解碼端聯(lián)合解碼的情況下，滿足下面的約束條件，速率對R=( Rx, RY)是可達的 : RxH(X Y) ， RYH(Y X) ， Rx+RYH(X Y). 從上面可以看出，雖然對 X, Y進行獨立的編碼，但是同聯(lián)合編碼一樣，總碼率 Rx+ Rt可以與聯(lián)合信息熵相等 . 那么，存在一種編碼方式，能使信源的誤碼率接近于0，碼率之和 Ra + R可以無限趨近于聯(lián)合信息熵 H（ X,Y），同編碼端進行聯(lián)合編碼的結果是相同的。上述式表示的碼率范圍可由圖 2.3給出。 如 2.3圖所示， “ 可獨立編解碼區(qū)域 ” 即為信源進行獨立編解碼的情況下，碼率所能到達的區(qū)域。圖中 B 點 (A點和 B點相同 )表示兩個相關信源 X 和 Y，對其中一個信源 X 采用獨立進行編碼和解碼，并且以碼率 H(X)進行傳輸；而另一個信源 Y 則以 H(Y/X)的碼率進行傳輸。解碼端利用已經解碼的信源以及它們之間的相關特性，對此信源進行解 碼，總碼率也能達到 H(X,Y)。這種方案正是現(xiàn)在分布式視頻編碼方案普遍采用的方式。在這種方式下對關鍵幀采用獨立的傳統(tǒng)幀內編解碼的方式進行處理；而對于非關鍵幀則只傳輸少量的校驗消息，解碼端利用已經解碼的圖像幀和編碼端傳過來的非關鍵幀的校驗信息，對非關鍵幀信息進行譯碼和重建。對于圖中 C 點則受到對稱式分布式視頻編碼方案研究者的更多關注。 盡管 Slepian和 Wolf的理論可以追朔到上個世紀 70年代，可是把 Slepian . W olf 等人的思想轉為實際的數(shù)據(jù)壓縮算法是最近幾年的事。不過，在 30年前就有學 者證明Slepian Wolf 編碼與信道編碼是緊密相關的。例如：對于獨立同分布二進制序列 X 和 Y，如果 X 和 Y 相似，設 =XY, 編碼器端傳輸 ，在解碼端，利用 對邊信息 Y 進行 “ 糾錯 ” 得到 X。若 X 和 Y 很相似，則 的大部分位置都為 0，花很少的二進制位就可傳輸 ，這樣就能達到壓縮的目的。 2、有損壓縮的 Wyner-Ziv理論 無損壓縮的 Slepian-Wolf理論提出三年以后， Wyner and Ziv 提出了著名的有損 Wyner-Ziv理論。該理論同時提出了解碼端利用邊信息 (side information)的分布式信源編碼的有損率失真理論。如圖 2.3所示， AD段即為信源 Y 在以碼率 H(Y)傳輸編碼信息并且信源 X 存在失真的條件下， Rx的取值區(qū)域。同樣，對于獨立同分布的相關信源 X 和 Y,表示編碼端不能利用邊信息 Y 但是解碼端可以利用 Y 的條件下對信源 X進行的重構見并且在允許失真為 D( D = E(d (X,)的情況下， X 需要的最小編碼碼率。 (D)表示允許失真為 D，編碼端也能夠獲得的邊信息 Y 情況下 X 所需的最小碼率。 Wyner-Ziv理論指出，在編碼端不知道邊信息的情況下進行編碼帶來的率失真 (D) (D)0 ，并且在信源是高斯無記憶信源以及 D 使用均方誤差統(tǒng)計的情況下，進行編碼帶來的率失真 (D) (D)=0，即與編碼端得知邊信息的情況下獲得同樣的率失真性能。后來證明了如果 Y 和 N 是相互獨立， Y 服從任意分布的邊信息， N 是高斯噪聲的情況下， D 使用均方誤差統(tǒng)計的條件下， X =Y+N，也有 (D)=(D)。 對于典型的 Wyner-Ziv視頻編碼方案，關鍵幀 K 幀通常通過傳統(tǒng)視頻編碼標準的幀內編碼、幀內解碼的方式進行編解碼，而對于非關鍵幀 WZ幀的編解碼則可以通過如圖 2.4來實現(xiàn)。 Wyner-Ziv編碼方案與 Slepian-Wolf編碼方案的唯一區(qū)別在于對 WZ幀的編碼是有損的還是無損的。因為大部分的壓縮編碼損失來源于量化過程，所以通過圖 2.4可以發(fā)現(xiàn)，Wyner-Ziv 編碼方案其實就是在 Slepian-Wolf 編碼方案之前加入了一個有損的量化器。 WZ首先經過量化，將量化之后的數(shù)據(jù)在送入 Slepian-Wolf編碼器，在解碼端利用已經解碼的K 幀生成 WZ幀的邊信息完成 Slepian-Wolf解碼，最后重建 WZ幀。毫無疑問，此時恢復的 wz幀即便完全正確譯碼，由于編碼量化損失導致解碼結果和量化之前的 WZ幀還是有區(qū)別的即是有失 真的。由于 Wyner-Ziv的有損信源編碼理論更加具有現(xiàn)實意義，而被廣泛應用于分布式視頻編碼之中，所以 DVC案通常又叫 Wyner-Ziv 編碼方案。 二、分布式視頻編碼的典型應用 1、視頻監(jiān)控 視頻監(jiān)控無處不在，一般用多個攝像頭從不同角度對同一事件進行監(jiān)控，攝像頭將拍攝到的每一組視頻進行編碼，然后監(jiān)控中心接收到編碼，監(jiān)控中心用一個解碼器對所有視頻進行解碼。用 Wyner-Ziv對捕獲的視頻進行低復雜度編碼，解碼端可以通過去除視頻序列之間的相關性達到解碼的目的。傳統(tǒng)視 頻編碼算法在編碼突然出現(xiàn)的物體時帶來的畫面模糊及抖動情況。用 Wyner-Ziv進行編碼的另一個好處是消除了 inter幀的帶來的誤差傳播。 2、視頻無線傳感網絡 隨著網絡技術和微電子技術的發(fā)展，無線傳感網絡成了一個新的研究熱點，其主要功能是在給定的環(huán)境中，通過成千上萬個傳感器互相協(xié)作完成指定的任務。對于具有視頻處理能力的無線傳感網絡，視頻傳感 N 點 (Video Sensor Nude,VSM)特點是編碼器功耗低、復雜度低；編碼器具有較高的壓縮效率。 3、移動視頻電話 分布 式視頻編碼非常適用于點對點的移動視頻通信。 移動電話的內存容量、計算能力、耗電量有限， Wyner-Ziv編碼的特點是解碼復雜度高、編碼復雜度低，在基站安放一個視頻轉碼器，可以實現(xiàn)在手機終端進行低復雜度解碼，該轉碼器負責接收 Wyner-Ziv 視頻流，并進行轉換編碼接收到的視頻流，生成 H . 26X 或者 MPEG-X 視頻流，然后傳給接收端，接收端收 H . 26X 或者 MPEG-X 視頻流后，按照傳統(tǒng)方式對其進行解碼，最終得到想要的視頻信息。 隨著信息多媒體技術的不斷發(fā)展和社會的不斷進步，人們對信息 的需求、獲得、表達、交流、傳輸?shù)仍谧罱亩嗄陜劝l(fā)生了巨大的變化。世界進入了一個信息大爆炸的時代。在所有多媒體信息中，視覺信息能夠給人最生動、最直觀的印象。分布式編碼模式滿足了新興多媒體技術對編碼器的要求，適應于視頻監(jiān)控、災區(qū)信息數(shù)據(jù)采集等很多特定、復雜的環(huán)境。分布式視頻編碼方案作為一種新的視頻編碼模式的優(yōu)越性慢慢體現(xiàn)出來，越來越受到人們的關注。 參考文獻 1謝正光 ,包志華 ,徐晨 ,章國安 . 分布式視頻編碼關鍵技術及其發(fā)展趨勢 J. 電信科學 ,2009,09:62-67. 2杜保國 . 對分布式視頻編碼若干關鍵技術的研究 D.中國科學技術大學 ,2010. 3張前進 ,郭雷 . 分布式視頻編碼關鍵技術及研究進展J. 計算機應用研究 ,2007,08:17-21. 閱讀相關文檔 :城市建設可持續(xù)發(fā)展研究 地源熱泵應用對環(huán)境的影響及解決方案 城市化進程與城市綜合體設計 芻議建筑室內裝修設計 城域網的分析與發(fā)展 關于新形勢下開展思想政治工作分析 分析生態(tài)建筑理論在建筑設計中的應用 土木工程項目施工質量要素及控制管理 地下室及地下車庫剛柔結 合防水施工 北京環(huán)線特大橋跨二環(huán)橋線形監(jiān)控 后注漿法鉆