分布式視頻編碼及關(guān)鍵技術(shù)分析[精品資料]

分布式視頻編碼及關(guān)鍵技術(shù)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(xué)術(shù)論文 期刊文獻(xiàn) 年終總結(jié) 年終報告 工作總結(jié) 個人總結(jié) 述職報告 實(shí)習(xí)報告 單位總結(jié) 摘要：傳統(tǒng)視頻編碼方案在編碼端通常采用預(yù)測 (幀內(nèi)和幀間 )、變換、編碼等技術(shù)來挖掘其中的冗余信息、，實(shí)現(xiàn)視頻的壓縮。然而這些操作會給編碼端帶來大量的運(yùn)算處理，導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)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(fù)雜的計(jì)算工作轉(zhuǎn)移到譯碼端，能夠達(dá)到減輕編碼端運(yùn)算復(fù)雜度的效果，將是解決這一難題很好的方案。 關(guān)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(guān)的信源進(jìn)行獨(dú)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(dá)形式，這個理論就為分布式視頻編碼的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。在編碼端，將相關(guān)的視頻序列看成 “ 獨(dú)立的信源 ” ，進(jìn)行單獨(dú)編碼，并將編碼得到的信息比特和校驗(yàn)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(guān)性，通過已經(jīng)解碼的視頻圖像幀結(jié)合譯碼器的譯碼結(jié)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(biāo)準(zhǔn)下編碼器由于利用圖像序列之間相關(guān)性而采用的 大量復(fù)雜的運(yùn)算，如預(yù)測、估計(jì)以及插值等，并將這些復(fù)雜的工作轉(zhuǎn)移到了解碼端。這種編碼模式滿足了新興多媒體技術(shù)對編碼器的要求，適應(yīng)于視頻監(jiān)控、災(zāi)區(qū)信息數(shù)據(jù)采集等很多特定、復(fù)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(guān)注。 一、分布式視頻編碼的理論 相關(guān)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(jīng)典視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)如 H.26X經(jīng)常采用這樣的的方式。利用圖像序列之間的時間相關(guān)特性，編碼端通過幀間預(yù)測的方式來消除幀間冗余信息，達(dá)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(fù)數(shù)據(jù)。這樣的編解碼方式可以通過圖 2.1表示。 (2)獨(dú)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(guān)信源如圖中 X 和 Y 進(jìn)行獨(dú)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(guān)性對接收的編碼信息進(jìn)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(dú)編碼和單獨(dú)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(jìn)行無失真的解碼恢復(fù)。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(jì)相關(guān)的獨(dú)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(jìn)行獨(dú)立編碼；然后利用 X 作為 Y 的預(yù)測信息，對殘差信息進(jìn)行編碼。依據(jù)香農(nóng)定理，要實(shí)現(xiàn)無失真?zhèn)鬏?，即解碼端對 X 和 Y 實(shí)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(dú)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(dú)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(dá)的 : RxH(X Y) ， RYH(Y X) ， Rx+RYH(X Y). 從上面可以看出，雖然對 X, Y進(jìn)行獨(dú)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(jìn)行聯(lián)合編碼的結(jié)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(dú)立編解碼區(qū)域 ” 即為信源進(jìn)行獨(dú)立編解碼的情況下，碼率所能到達(dá)的區(qū)域。圖中 B 點(diǎn) (A點(diǎn)和 B點(diǎn)相同 )表示兩個相關(guān)信源 X 和 Y，對其中一個信源 X 采用獨(dú)立進(jìn)行編碼和解碼，并且以碼率 H(X)進(jìn)行傳輸；而另一個信源 Y 則以 H(Y/X)的碼率進(jìn)行傳輸。解碼端利用已經(jīng)解碼的信源以及它們之間的相關(guān)特性，對此信源進(jìn)行解 碼，總碼率也能達(dá)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(guān)鍵幀采用獨(dú)立的傳統(tǒng)幀內(nèi)編解碼的方式進(jìn)行處理；而對于非關(guān)鍵幀則只傳輸少量的校驗(yàn)消息，解碼端利用已經(jīng)解碼的圖像幀和編碼端傳過來的非關(guān)鍵幀的校驗(yàn)信息，對非關(guān)鍵幀信息進(jìn)行譯碼和重建。對于圖中 C 點(diǎn)則受到對稱式分布式視頻編碼方案研究者的更多關(guān)注。 盡管 Slepian和 Wolf的理論可以追朔到上個世紀(jì) 70年代，可是把 Slepian . W olf 等人的思想轉(zhuǎn)為實(shí)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(xué) 者證明Slepian Wolf 編碼與信道編碼是緊密相關(guān)的。例如：對于獨(dú)立同分布二進(jìn)制序列 X 和 Y，如果 X 和 Y 相似，設(shè) =XY, 編碼器端傳輸 ，在解碼端，利用 對邊信息 Y 進(jìn)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(jìn)制位就可傳輸 ，這樣就能達(dá)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(dú)立同分布的相關(guān)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(jìn)行的重構(gòu)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(jìn)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(jì)的情況下，進(jìn)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(dú)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(jì)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(guān)鍵幀 K 幀通常通過傳統(tǒng)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的幀內(nèi)編碼、幀內(nèi)解碼的方式進(jìn)行編解碼，而對于非關(guān)鍵幀 WZ幀的編解碼則可以通過如圖 2.4來實(shí)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?yàn)榇蟛糠值膲嚎s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(shí)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(jīng)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(jīng)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(fù)的 wz幀即便完全正確譯碼，由于編碼量化損失導(dǎo)致解碼結(jié)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(shí)意義，而被廣泛應(yīng)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(yīng)用 1、視頻監(jiān)控 視頻監(jiān)控?zé)o處不在，一般用多個攝像頭從不同角度對同一事件進(jìn)行監(jiān)控，攝像頭將拍攝到的每一組視頻進(jìn)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(jìn)行解碼。用 Wyner-Ziv對捕獲的視頻進(jìn)行低復(fù)雜度編碼，解碼端可以通過去除視頻序列之間的相關(guān)性達(dá)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(jìn)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(wǎng)絡(luò) 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)成了一個新的研究熱點(diǎn)，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(wù)。對于具有視頻處理能力的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，視頻傳感 N 點(diǎn) (Video Sensor Nude,VSM)特點(diǎn)是編碼器功耗低、復(fù)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(diǎn)對點(diǎn)的移動視頻通信。 移動電話的內(nèi)存容量、計(jì)算能力、耗電量有限， Wyner-Ziv編碼的特點(diǎn)是解碼復(fù)雜度高、編碼復(fù)雜度低，在基站安放一個視頻轉(zhuǎn)碼器，可以實(shí)現(xiàn)在手機(jī)終端進(jìn)行低復(fù)雜度解碼，該轉(zhuǎn)碼器負(fù)責(zé)接收 Wyner-Ziv 視頻流，并進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jìn)行解碼，最終得到想要的視頻信息。 隨著信息多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，人們對信息 的需求、獲得、表達(dá)、交流、傳輸?shù)仍谧罱亩嗄陜?nèi)發(fā)生了巨大的變化。世界進(jìn)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(shù)對編碼器的要求，適應(yīng)于視頻監(jiān)控、災(zāi)區(qū)信息數(shù)據(jù)采集等很多特定、復(fù)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(guān)注。 參考文獻(xiàn) 1謝正光 ,包志華 ,徐晨 ,章國安 . 分布式視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢 J. 電信科學(xué) ,2009,09:62-67. 2杜保國 . 對分布式視頻編碼若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) ,2010. 3張前進(jìn) ,郭雷 . 分布式視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展J. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究 ,2007,08:17-21. 閱讀相關(guān)文檔 :城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展研究 地源熱泵應(yīng)用對環(huán)境的影響及解決方案 城市化進(jìn)程與城市綜合體設(shè)計(jì) 芻議建筑室內(nèi)裝修設(shè)計(jì) 城域網(wǎng)的分析與發(fā)展 關(guān)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用 土木工程項(xiàng)目施工質(zhì)量要素及控制管理 地下室及地下車庫剛?cè)峤Y(jié) 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