江蘇大學碩士學位論文 摘要 隨著無線傳感器網(wǎng)絡快速發(fā)展和廣泛應用，人們對感知信息精細化、豐富化 的要求越來越迫切，具有感知多媒體信息的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡( w m s n s ) 在此 背景下孕育而生。由于引入了多媒體信息，使得傳統(tǒng)的視頻編解碼因編碼復雜、 解碼簡單的特性，與節(jié)點能量受限的w m s n s 不相適宜。具有編碼簡單、解碼復 雜特點的分布式視頻編碼( d v c ) 能夠有效地解決w m s n s 節(jié)點在資源受限條件下 進行信息處理壓縮的問題，但目前對分布式視頻編碼技術的研究還處于起步階段。 因此，為了解決w m s n s 發(fā)展與應用中的“瓶頸”、實現(xiàn)感知信息多媒體化，對 d v c 的關鍵技術展開研究具有重要意義。 論文以w m s n s 作為研究背景，首先概述分布式視頻編碼的理論基礎及特點， 分析分布式視頻編碼的典型系統(tǒng)方案和關鍵技術。對邊信息在分布式視頻系統(tǒng)中 的重要性以及典型邊信息生成算法進行研究，針對運動估計產(chǎn)生的預測重疊問題， 提出一種塊分類的雙向估計加權邊信息生成算法，采用塊分類思想對不同運動變 化的像素塊進行分類處理，通過加權判決提高算法效率?？紤]到運動劇烈、細節(jié) 豐富的視頻將影響解碼質(zhì)量的問題，提出一種相關性分類的解碼檢測優(yōu)化算法。 將原始視頻幀之間的相關性信息作為檢測解碼幀質(zhì)量的標準，動態(tài)調(diào)整檢測閾值， 對低質(zhì)量的解碼像素塊，采用重建邊信息算法進行優(yōu)化處理，以提高系統(tǒng)解碼幀 質(zhì)量。最后針對w m s n s 結(jié)構(gòu)特點和應用需求，結(jié)合邊信息生成算法和解碼檢測 優(yōu)化算法，提出一種面向w m s n s 的分布式視頻編解碼系統(tǒng)方案，并對各個功能 模塊進行分析。 論文分別對邊信息生成算法、解碼檢測優(yōu)化算法以及面向w m s n s 的分布式 視頻編解碼系統(tǒng)方案進行了性能仿真測試。測試結(jié)果表明所提算法能有效提高邊 信息質(zhì)量，實現(xiàn)對解碼幀進行檢測及優(yōu)化的作用。通過與傳統(tǒng)的幀內(nèi)編碼和幀間 編碼方式進行系統(tǒng)編解碼測試比較，驗證了所提系統(tǒng)方案的有效性和可行性。 關鍵詞：分布式視頻編碼，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡，邊信息，解碼檢測 江蘇大學碩士學位論文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， p e o p l ed e m a n dp e r c e p t i o ni n f o r m a t i o nt ob er e f i n e da n dr i c hm o r ea n dm o r eu r g e n t l y a n df o r c e f u l l y i nt h i ss o c i a lb a c k g r o u n d ，t h ew i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ( w m s n s ) w a sb o mw h i c hc o u l dp e r c e i v em u l t i m e d i a i n f o r m a t i o n s i n c et h e m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nw a si n t r o d u c e di n t ow m s n s ，t h et r a d i t i o n a lv i d e oc o d e ch a s b e c o m eu n s u i t a b l ef o rt h ew m s n sw i t hr e s t r i c t e dn o d er e s o u r c e sd u et oi t sc o m p l e x e n c o d i n ga n ds i m p l ed e c o d i n g t h ed i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ( d v c ) w h i c hh a st h e f e a t u r eo fs i m p l ee n c o d i n ga n dc o m p l e xd e c o d i n gc a ns o l v et h ep r o b l e m st h a to c c u r w h e nw m s n sn o d e sp r o c e s sa n dc o m p r e s si n f o r m a t i o ni nt h er e s o u r c e - c o n s t r a i n e d c o n d i t i o n s b u tt h er e s e a r c ho nd v ct e c h n i q u e si ss t i l li nt h ei n i t i a ls t a g ea tp r e s e n t t h e r e f o r e ，i no r d e rt os o l v et h eb o a l e n e c kp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fw m s n sa n dr e a l i z et h em u l t i m e d i ap e r c e p t i o ni n f o r m a t i o n ，i th a sa ni m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et oc a r r yo u tar e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo fd v c b a s e do nt h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fw m s n s ，t h i sp a p e rr e v i e w st h et h e o r e t i c a l b a s i sa n df e a t u r e so fd v ca n da n a l y z e st y p i c a ls y s t e m sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fd v c a tf i r s t t h e n ，r e s e a r c h e sa b o u tt h ei m p o r t a n c eo fs i d ei n f o r m a t i o ni nd v ca n dt y p i c a l g e n e r a t i o na l g o r i t h m so fs i d ei n f o r m a t i o na l em a d e a f t e r w a r d s ，ab l o c k - c l a s s i f i e ds i d e i n f o r m a t i o ng e n e r a t i o na l g o r i t h mw i t hb i d i r e c t i o n a lm o t i o ne s t i m a t i o na n dw e i g h t d e c i s i o ni s p r e s e n t e dt os e t t l et h ep r o b l e mo fo v e r l a p p e dp r e d i c t i o nr e s u l t i n gf r o m m o t i o ne s t i m a t i o n b y i n gu s i n gt h eb l o c k - c l a s s i f i e dt h o u g h t ，t h ep i x e lb l o c k sa l e c l a s s i f i e di n t ot w op a r t sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fm o t i o nv a r i a t i o n ，a n dt h e e f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h mi si m p r o v e db yt h ew e i g h tj u d g m e n t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e i s s u et h a ti n t e n s em o v e m e n ta n dd e t a i l sw i l la f f e c tt h ed e c o d i n gq u a l i t yi nv i d e os y s t e m ， t h i sa r t i c l ep r o p o s e sa no p t i m i z i n ga l g o r i t h mf o rd e c o d i n gd e t e c t i o nc l a s s i f i e db y c o r r e l a t i o n t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eo r i g i n a lv i d e of l a m e si su s e da st h es t a n d a r df o r 1 1 1 江蘇大學碩士學位論文 d e t e c t i n gt h eq u a l i t yo fd e c o d i n gf r a m e s ，a n dt h ed e t e c t i n gt h r e s h o l di sa d j u s t e d d y n a m i c a l l y f o rt h el o w q u a l i t yd e c o d i n gp i x e lb l o c k s ，i ta d o p t st h ea l g o r i t h mo f r e b u i l d i n gs i d ei n f o r m a t i o nt oo p t i m i z ef o rh i g hq u a l i t yo fd e c o d i n gf r a m e si ns y s t e mi s a d o p t e d f i n a l l y , c o m b i n e dw i t ht h eg e n e r a t i o na l g o r i t h mo fs i d ei n f o r m a t i o na n d o p t i m i z i n ga l g o r i t h mf o rd e c o d i n g ，ad v cs y s t e mf o rw m s n si sp r o p o s e dt om e e tt h e s t r u c t u r a lf e a t u r ea n da p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fw m s n s ，a n dt h e ne a c hf u n c t i o n a l m o d u l eo ft h es y s t e mi sa n a l y z e d t h i sp a p e rp e r f o r m ss o m es i m u l a t i o n st ot e s tf u n c t i o no ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m s ， w h i c ha r et h eg e n e r a t i o na l g o r i t h mo fs i d ei n f o r m a t i o n ，t h eo p t i m i z i n ga l g o r i t h mf o r d e c o d i n gd e t e c t i o na n dt h ed v cs y s t e mf o rw m s n s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t h m sc a np r o d u c ei m p r o v e m e n ti nt h eq u a l i t yo fs i d ei n f o r m a t i o n ，a n d r e a l i z e d t h ef u n c t i o nt h a tt h e d e c o d i n gf r a m e c a nb e a u t o m a t i c a l l yd e t e c t e da n d o p t i m i z e d t h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dd v c s y s t e mi sv e r i f i e db y c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a le n c o d i n gs y s t e m 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 ，w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，s i d e i n f o r m a t i o n ，d e c o d i n gd e t e c t i o n i v 江蘇大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 研究背景及意義 被譽為全球未來三大高科技產(chǎn)業(yè)之一的無線傳感器網(wǎng)絡( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n s ) 是2 0 世紀末發(fā)展起來的一種無線自組織網(wǎng)絡【1 1 。隨著科學技術 的發(fā)展和監(jiān)測環(huán)境的復雜化，w s n s 獲取的簡單數(shù)據(jù)信息( 如溫度、濕度、光強 度、振動等) 已經(jīng)不能滿足人們對事物進行全面監(jiān)測的應用需求。為實現(xiàn)信息細 ?；?、精準化、豐富化，人們對監(jiān)控活動中加入圖像、音頻和視頻等多媒體信息 的需求越來越迫切。 無線多媒體傳感器網(wǎng)絡( w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，w m s n s ) 在這 種應用需求背景下孕育而生。作為一種新興的具有感知多媒體信息的無線網(wǎng)絡， w m s n s 綜合了傳感器技術、多媒體技術、嵌入式計算技術、無線通信技術等， 實現(xiàn)了豐富數(shù)據(jù)和準確信息的監(jiān)測，它將人類的感知視野從單一的數(shù)據(jù)信息擴展 到豐富的多媒體信息，為實現(xiàn)細粒度、精準信息的監(jiān)測提供了技術保障【2 。3 1 。 w m s n s 在w s n s 的基礎上引入了多媒體信息，它不僅繼承了傳統(tǒng)w s n s 的節(jié)點 數(shù)量大、成本低、無線多跳路由、自組織、節(jié)點資源受限、能耗敏感、無人值守 等特點，還具有以下顯著特點【4 】： ( 1 ) 能耗呈“均勻”分布 傳統(tǒng)的w s n s 的能耗絕大部分“聚集 在無線收發(fā)過程中，但在w m s n s 中，由于采集和傳輸?shù)膶ο笫谴髷?shù)據(jù)量的多媒體信息，所需能耗增加。實驗表明， 數(shù)據(jù)采集和處理的能耗與無線收發(fā)的能耗呈均勻 分布狀態(tài)【5 1 。 ( 2 ) 感知信息豐富 w m s n s 中各種傳感器節(jié)點對監(jiān)測區(qū)域進行不同種類信息的采集，不僅包含 w s n s 所具有的簡單數(shù)值信息，還有蘊含豐富信息量的多媒體信息。這些豐富數(shù) 據(jù)信息通過數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡傳輸，最終送至控制中心，并由控制中心根據(jù)用戶需 求進行定位、重構(gòu)與處理，實現(xiàn)更加全面而準確的監(jiān)測。 ( 3 ) 數(shù)據(jù)處理復雜 l 江蘇大學碩士學位論文 在w m s n s 中，大量的多媒體傳感器節(jié)點、普通節(jié)點和匯聚節(jié)點被投放在監(jiān) 測區(qū)域中，采用無線通信方式進行各節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信以提高網(wǎng)絡靈活性。為了 降低網(wǎng)絡傳輸能耗，保證傳輸質(zhì)量，必須將采集到的多媒體信息進行數(shù)據(jù)壓縮、 融合等復雜運算。而這些數(shù)據(jù)量的處理一般達到m b 數(shù)量級，導致w m s n s 相比 w s n s ，處理任務復雜度提高，運算量增大。 ( 4 ) 網(wǎng)絡帶寬要求高 在w m s n s 中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)除了簡單信息以外，還存在大數(shù)據(jù)量的多媒體信 息，這使得w m s n s 對傳輸網(wǎng)絡的帶寬提出較高要求。對于w s n s 而言，k b 量 級帶寬的傳輸網(wǎng)絡能夠滿足應用需求，而具有圖像、音頻和視頻等多媒體信息采 集和傳輸功能的w m s n s ，網(wǎng)絡需要達到m b 量級【6 】。 針對w m s n s 所具有的特點，傳統(tǒng)的視頻編碼由于其編碼端復雜且能耗較 大、解碼端相對簡單的特性變得不再適合。如何在傳感器節(jié)點能量、網(wǎng)絡傳輸、 計算能力等資源受限的情況下，高效地實現(xiàn)以多媒體數(shù)據(jù)信息為中心的編碼壓縮 與傳輸，成為w m s n s 由理論轉(zhuǎn)向應用發(fā)展中一個急需解決的問題。 分布式視頻編碼( d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ，d v c ) 1 7 是一種全新的編解碼方 式，與傳統(tǒng)的視頻編解碼技術不同，它根據(jù)分布式編碼理論，采用對多個信源進 行獨立編碼、聯(lián)合解碼的方式，將系統(tǒng)的復雜度從編碼端搬移至解碼端，實現(xiàn)與 傳統(tǒng)聯(lián)合編解碼相同的壓縮編碼效率。獨立編碼的方式不僅降低了編碼端運算、 內(nèi)存、能耗等資源的消耗，而且使信源相互之間的依賴性減小，適用于相關信源 之間的相互通信少的應用，聯(lián)合解碼方式是對信源相關性的預測，能夠有效地提 高解碼效率。d v c 的這些特性，與w m s n s 中傳感節(jié)點因計算能力和內(nèi)存容量 有限，不能進行復雜的聯(lián)合編碼的要求相符合，能夠解決w m s n s 應用中的“瓶 頸”問題。 w m s n s 中采用分布式視頻編碼技術，使多媒體傳感節(jié)點在資源受限的情況 下對感興趣事件進行信息數(shù)據(jù)的采集和壓縮，通過無線方式傳送至控制中心。由 于控制中心處于能耗不受限的環(huán)境中，能夠?qū)?shù)據(jù)進行較復雜的聯(lián)合解碼，并對 還原數(shù)據(jù)進行分析處理。獨立編碼時充分探索相關性并去除冗余，實現(xiàn)對信息的 江蘇大學碩士學位論文 高效壓縮，減小網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低網(wǎng)絡負載與能耗，延長網(wǎng)絡生存時間。 解碼時對多信息進行聯(lián)合解碼，增加了應對網(wǎng)絡傳輸錯誤的容錯性，通過進行運 動估計、運動補償?shù)葟碗s運算降低誤碼率，從而提高網(wǎng)絡監(jiān)測性能。 隨著科學技術的發(fā)展，采用分布式視頻編解碼技術的w m s n s 將實現(xiàn)具有細 粒度、精準而豐富的多媒體信息監(jiān)控，具有重要的意義和較高的應用價值，可廣 泛應用于軍事戰(zhàn)場監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、安全監(jiān)控、交通監(jiān)控、智能家居監(jiān)控、醫(yī)療 衛(wèi)生、敏感區(qū)域監(jiān)控、公共安全等領域，具有很好的發(fā)展前景。本文將以分布式 視頻編碼技術為研究重點，對應用于w m s n s 的分布式視頻編碼技術展開研究。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 早在上世紀7 0 年代分布式視頻編碼理論由s l e p i a n 和w o l f , w y n e r 和z i v 相繼提出，但隨著無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展與新應用需求的推動，直到最近十年才使 得廣大研究人員逐漸重視對分布式視頻編碼技術的研究與實踐，并取得了一定的 成果。2 0 0 2 年，斯坦福大學的b e m dg i r o d 等人提出了基于像素域的w y n e r - z i v 分布式視頻編碼方案，獲得的編碼性能優(yōu)于傳統(tǒng)幀內(nèi)編碼，但與傳統(tǒng)幀間編碼相 比，仍存在一定差距【8 】；在此基礎上，b e m dg i r o d 研究小組將視頻編碼擴展到變 換域，提出了基于變換域的w y n e r - z i v 視頻編碼方案1 9 ；j j i , ) , l 、i 大學b e r k e l e y 分校 的r a m c h a n d r a n 等人在充分研究分布式視頻編碼后提出了p r i s m 視頻編碼方案 1 0 - i i 】；歐盟i s t f e t 的d i s c o v e r 小組提出基于l d p c a 的變換域的d i s c o v e r 編碼框架，其編碼性能相比h 2 6 4 視頻編碼標準有了一定的提升【1 2 】；為了減少因 系統(tǒng)預測檢測匹配碼所引入的大量通信數(shù)據(jù)，s e h g a l 等提出“s t a t e f r e e ”分布式 視頻編碼方案f 1 3 】：2 0 0 5 年，j a v i e rg a r c i a - f r i a s 等人在基于t u r b o 編碼的d v c 方 案基礎上，對刪余t u r b o 碼進行壓縮，取得了較好的效果【1 4 j ；z i x i a n gx i o n g 等證 明了采用低密度奇偶校驗碼( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ，l d p c ) 1 5 相比t u r b o 碼可以獲得較好的壓縮性能，在此基礎上提出了分級的w y n e r - z i v 視頻編碼方案 1 6 - 1 刀；2 0 0 6 年，b e m dg i r o d 所在研究小組通過對l d p c 碼的研究，提出了基于 l d p c 的變換域分布式視頻編碼方案【1 8 】；f o w l e r 等提出了基于小波編碼的分布式 視頻編碼方案f 1 9 1 ；2 0 0 7 年a d i k a r i 等提出了遞歸解碼分布式視頻編碼方案2 0 】； 3 江蘇大學碩士學位論文 x i o n g 等人提出了一種壓縮性能較高的分布式視頻編碼方案，通過在編碼端進行 運動搜索來得到視差信息，為解碼過程提供可靠信息1 2 l j ；2 0 0 7 年v a r o d a y a n 等 提出了多視角圖像的分布式編碼方案1 2 2 】；c a t a r i n ab r i t e s 等提出了一種有效的基 于變換域分布式視頻編碼的解碼碼率控制算法，能夠有效地預測校驗碼碼率【2 3 。 國內(nèi)院校也展開了對分布式視頻編碼技術的研究，其中中科院研究小組為了 將編碼速率接近于帶有條件熵的分布式系統(tǒng)，提出了一種最優(yōu)不均勻量化方案 2 4 l ；南京郵電大學的干宗良等提出了一種空間域w y n e r o z i v 視頻編碼系統(tǒng)的性能 改進算法【2 5 】；蔣剛毅等人對分布式視頻編碼的高效壓縮和邊信息插值兩大關鍵技 術進行了討論【2 6 j ；北京交通大學的王安紅對基于l v q ( l a t t i c ev e c t o rq u a n t i z a t i o n ) 的d v c 高效性能方案設計以及魯棒性能等展開了深入研究【2 7 1 ；四川大學的卿粼 波等人將h 2 6 4 解碼算法引入像素域視頻編碼系統(tǒng)，提出一種采用并行編碼、迭 代解碼的混合視頻編碼框梨2 8 1 。 總體來說，分布式視頻編碼技術己成為一大研究熱點，但針對w m s n s 的特 點的實際應用依然處于初步探索和實驗階段，實際應用中還存在很多問題需要解 決。 1 3 研究的主要內(nèi)容 論文以無線多媒體傳感器網(wǎng)絡為應用背景，通過深入研究分布式視頻編解碼 技術和邊信息生成算法，提出塊分類的雙向估計加權邊信息生成算法和相關性分 類的解碼監(jiān)測優(yōu)化算法，完成面向w m s n s 的分布式視頻編解碼方案的設計。全 文組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章闡述了課題的研究背景以及分布式視頻編碼技術的研究現(xiàn)狀，引出課 題的研究目的和意義。 第二章詳細論述了分布式視頻編碼的兩大理論基礎，分析了分布式視頻編碼 的特點，并對典型的分布式視頻編碼系統(tǒng)方案進行闡述，在此基礎上討論了分布 式視頻編碼的關鍵技術。 第三章首先闡述了邊信息的概念、在分布式視頻編碼系統(tǒng)中的重要性以及典 型邊信息生成算法，通過對w m s n s 應用以及當前幾種改進算法的分析，提出一 4 江蘇大學碩士學位論文 種塊分類的雙向估計加權邊信息生成算法，并與典型算法進行仿真測試比較。 第四章針對解碼失真嚴重情況下，系統(tǒng)解碼檢測以及提高解碼質(zhì)量問題，對 幾種邊信息優(yōu)化算法進行分析，在此基礎上提出一種相關性分類的解碼檢測優(yōu)化 算法，并對算法進行了詳細描述，最后給出仿真測試結(jié)果與分析。 第五章針對面向w m s n s 的應用，分析網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點和應用要求，結(jié)合論文 所提邊信息生成算法和解碼檢測優(yōu)化算法，提出一種w m s n s 的分布式視頻編解 碼系統(tǒng)方案，在詳細描述系統(tǒng)功能模塊之后，對整個系統(tǒng)進行仿真測試并對結(jié)果 進行分析。 第六章對全文的工作進行一個整體總結(jié)，并對下一步研究工作進行展望。 江蘇大學碩士學位論文 第二章分布式視頻編碼技術 分布式視頻編碼( d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ，d v c ) 是分布式信源編碼理論 ( d i s t r i b u t e ds o u r c ec o d i n g ，d s c ) 在視頻編碼中的應用。本章將在簡述分布式視頻 編碼理論及特點的基礎上，詳細分析典型分布式視頻編碼系統(tǒng)方案及關鍵技術。 2 1 分布式視頻編碼原理 分布式信源編碼指分別對兩個或多個相關且獨立的隨機序列進行獨立編碼， 各編碼器編碼生成的比特流通過信道傳輸，發(fā)送到同一個解碼器。解碼器根據(jù)隨 機序列間的統(tǒng)計相關特性，對輸入的所有比特流進行聯(lián)合解碼，以去除信源之間 的冗余信息。 在分布式信源編碼的理論基礎上，利用信道編碼技術的分布式視頻編碼是一 種全新發(fā)展起來的視頻編碼方案，它將系統(tǒng)的計算復雜度由編碼端搬移至解碼 端。分布式信源編碼的理論主要分為：s l e p i a n w b l f 分布式無損編碼理論和 w y n e r o z i v 分布式有損編碼理論。s l e p i a n 和w o l f 于上世紀7 0 年代率先提出了分 布式無損編碼理論，論證了對獨立同分布的隨機序列，進行獨立編碼、聯(lián)合解碼 可以達到與聯(lián)合編碼、聯(lián)合解碼相同的壓縮效果【2 9 】。w y n e r 和z i v 在此基礎上進 行研究，提出了利用輔助邊信息在有率失真限制的情況下進行聯(lián)合解碼的分布式 有損編碼理論【3 0 】。 2 1 1s l e p i a n w o l f 分布式無損編碼理論 由信息論中的香農(nóng)采樣定理可知【3 l 】，對于兩個統(tǒng)計相關的獨立同分布隨機序 列x 和y 來說，進行獨立編碼、獨立解碼時，為了保證無差錯解碼，各自壓縮 碼率必須滿足計算式( 2 1 ) 。 憊強努( 2 - 1 )r 。日( y ) 1 ， 其中r x 和r y 分別是隨機序列x 和y 的碼率，h ( x ) 和h ( y ) 分別是隨機序列 x 和y 的信息熵。 對兩個統(tǒng)計相關的獨立同分布隨機序列x 、y 進行聯(lián)合編碼、聯(lián)合解碼時， 如圖2 1 所示，要使解碼端無失真地恢復出x 和y ，則隨機序列必須滿足計算式 江蘇大學碩士學位論文 ( 2 - 2 ) ，其中h ( x ，y ) 為聯(lián)合信息熵。 疋+ 髟h ( x ，y ) ( 2 2 ) 由于聯(lián)合編碼時利用了隨機序列之間的統(tǒng)計相關性，使得對序列x 、y 進行 聯(lián)合編碼時可以獲得比獨立編碼更好的效果。 圖2 1 聯(lián)合編碼、聯(lián)合解碼 假定兩個互相關的離散無記憶信源x 和y ，對x 進行無損壓縮時利用y 作 為參考信息。如果在編碼端和解碼端均能得到參考信息y ，由香農(nóng)定理可知，己 知y 的情況下的x 的條件熵是x 的理論無損壓縮極限，即h ( x i y ) 。1 9 7 3 年， s l e p i a n 和w | 0 1 f 兩位學者對兩個統(tǒng)計相關的獨立同分布隨機序列進行獨立編碼、 聯(lián)合解碼，如圖2 2 所示，通過對這種編解碼方式的研究，提出了分布式視頻無 損壓縮編碼的碼率邊界。 圖2 2 獨立編碼、聯(lián)合解碼 若僅在解碼端得到參考信息y ，而編碼器在沒有參考信息y 的情況下只需 知道x 和y 的聯(lián)合概率分布，同樣能夠取得與編碼端己知參考信息一樣的編碼 效率，這就是s l e p i a n w 6 l f 編碼理論。根據(jù)這一理論，當滿足計算式( 2 - 3 ) 時，互 相關的兩個信源x ，y 能夠以各自的碼率進行獨立編碼，而在解碼端將以任意小 的概率進行聯(lián)合解碼。 r h ( x l 】，) r ，( yx )( 2 3 ) r r + 母日( x ，y ) 、 其中，r x 和r v 分別為序列x 、y 編碼后的碼率，h ( x i y ) 是已知y 情況下x 7 江蘇大學碩士學位論文 的條件熵，h ( y i x ) 是已知x 情況下y 的條件熵，h ( x ，y ) 為聯(lián)合信息熵。 s l e p i a n 和w b l f 證明了對兩個統(tǒng)計相關的獨立同分布隨機f 了列進行編碼時， 如果允許存在一個任意小( 但通常不為零) 的解碼錯誤概率，則對x 和y 采用獨立 編碼、聯(lián)合解碼的編解碼方式。雖然分別對x 和y 進行獨j 、，：編碼，在解碼端僅 利用x 和y 之間的相關性進行聯(lián)合解碼，但是總的碼率r 。+ r 、，可以達至0 與聯(lián)合 熵h ( x ，y ) 相同，與采用聯(lián)合編碼、聯(lián)合解碼的編解碼方式的信息傳輸率相同。 因此，分布式視頻編碼方案的獨立編碼和傳統(tǒng)的視頻編碼方案的聯(lián)合編碼相比 較，兩者壓縮效率在理論上相同，壓縮并未引入失真。 s l e p i a n w b l f 編碼理論所取得的碼率可以用圖2 3 來描述，橫軸表示信源x 的碼率，縱軸表示信源y 的碼率，h ( x ) 和h ( y ) 分別是x 和y 的信息熵。圖中 的兩個轉(zhuǎn)折點a 、b 為分布式無損編碼需要達到的界限，只要r 。和r 。的取值范 圍處在陰影區(qū)域中，即位于直線a b 右上部分的區(qū)域，則在解碼端可以以任意小 的誤差概率進行聯(lián)合解碼，達到無損壓縮的要求。 r v h ( x ，y l y ) n ( v l x ) h ( x j y ) n i x )h ( y x ) r x 圖2 3s l e p i a n w o l f 理論中的容錯碼率區(qū)域 在解碼端利用輔助邊信息是分布式編碼的一個特例如圖2 4 所示，原始信源 x 對應圖2 3 中a 點，x 和y 在編碼端進行獨立編碼，在解碼端對x 進行解碼 時將y 作為輔助邊信息。能對x 、y 進行無損編碼的條件分別滿足計算式 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ，得到總碼率r 。+ r y 滿足計算式( 2 6 ) 。 r ，( j ，)( 2 - 4 ) r x h ( xl ，)( 2 - 5 ) r 江蘇大學碩士學位論文 如+ 瑪何( 】，) + 日( 石l 】，) ( 2 6 ) 圖2 4 使用邊信息的無損分布式編解碼 2 1 2w y n e r - z i v 分布式有損編碼理論 1 9 7 5 年w y n e r 和z i v 兩位學者在s l e p i a n w o l f 分布式無損編碼理論的基礎 上，將分布式編碼擴展到了有損壓縮編碼領域，建立了解碼端使用輔助邊信息的 分布式有損編碼理論。 設x 和y 為兩個統(tǒng)計相關的獨立同分布隨機序列，分別對應原始信源x 和 邊信息y ，如圖2 5 所示。在編碼端對x 和y 分別進行獨立編碼，在解碼端先 解碼邊信息y 并將其作為輔助邊信息，利用x 與y 之間的相關性對信源x 進行 重構(gòu)，得到信賴度較高的重構(gòu)信息x ，其中解碼失真度為d = e l d ( x ，x ) 】，表示 能接受的容錯范圍。 群( d ) ( d ) 圖2 5 具有統(tǒng)計邊信思的有損分布式信源編碼 當僅在解碼端知曉邊信息時，定義麟( 功為率失真函數(shù)，表示某一失真度 d 編碼器能夠達到的輸出碼率下界；在編碼端和解碼端都己知邊信息的情況下， 定義r x l y ( d ) j 5 率失真函數(shù)，表示解碼端邊信息有效時對編碼端的請求碼率。 w y n e r 和z i v 證明了在編碼端無法獲悉邊信息y 的情況下，信源序列x 的最低 碼率璐( 功滿足計算式( 2 - 7 ) 。 r x 笳r ( d ) - r x l r ( d ) 0 ( 2 7 ) 當信源是高斯無記憶信源且失真函數(shù)采用均方誤差時，贍( 功和r x l v ( d ) 相等，即滿足計算式( 2 8 ) 。 9 江蘇大學碩士學位論文 尺冤( d ) = 以i y ( d ) ( 2 8 ) 圖2 6 典型的w y n e r - z i v 編解碼器 目前實際中大多數(shù)信號是連續(xù)信號源，需要在一個設定的失真度前提下進行 有損壓縮，因此現(xiàn)有大多數(shù)分布式視頻編碼方案是基于w y n e r - z i v 有損分布式編 碼理論。一個典型的w y n e r - z i v 編解碼系統(tǒng)中，編碼端主要由量化器、s l e p i a n - w 6 l f 編碼器組成，而解碼端由s l e p i a n w o l f 解碼器、反量化器組成對稱結(jié)構(gòu)，如圖2 6 所示。 2 2 分布式視頻編碼特點 無損情況下的s l e p i a n w o l fl 里論和有損情況下的w y n e r o z i v 理論的共同特點 是，突破傳統(tǒng)視頻編碼理論僅在編碼端利用信源統(tǒng)計特性，創(chuàng)新性地提出將信源 統(tǒng)計特性轉(zhuǎn)移至解碼端，利用信源統(tǒng)計特性實現(xiàn)高效編碼壓縮。歸納起來，d v c 主要有以下幾個特點： ( 1 ) 編碼低復雜度、解碼高復雜度。d v c 將運算量大、處理復雜的數(shù)據(jù)處 理、運動估計等由編碼端搬移至解碼端，滿足編碼簡單、解碼復雜的應用需求。 ( 2 ) 具有較好的魯棒性。各采集點通過分布式方式將采集的信息進行傳輸， 當處于傳輸質(zhì)量較差的網(wǎng)絡環(huán)境時，可以采用從相鄰數(shù)據(jù)進行恢復的方式應對生 成的誤碼信息，增加容錯性。 ( 3 ) 較高壓縮效率。采用分流方式進行視頻幀處理，一部分采用h 2 6 x 等 標準壓縮技術，確保多媒體信息的編解碼質(zhì)量；一部分采用分布式壓縮技術，最 大程度地進行壓縮處理。 ( 4 ) 容易形成分級編碼碼流。為了在出現(xiàn)嚴重誤碼時，能夠通過相關聯(lián)碼 流來進行糾錯，d v c 將傳輸數(shù)據(jù)進行劃分，在保證獨立性的同時，又使其存在 一定的相關性。 1 0 江蘇大學碩士學位論文 分布式視頻編碼技術將傳統(tǒng)的編碼方式編碼端的復雜度搬移至解碼端，降低 編碼端的負擔。由于具有編碼簡單、解碼復雜的特點，使得它適用于計算能力差、 內(nèi)存容量小、能耗等因素受限的無線通信終端的應用，如移動視頻電話、無線監(jiān) 控系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡等。 2 3 典型的分布式視頻編碼系統(tǒng)方案 在s l e p i a n w o l f 無損編碼理論和w y n e r - z i v 有損編碼理論的基礎上，1 9 9 9 年， p r a d h a n 和r a m c h a n d r a n 提出了第一個分布式視頻編碼系統(tǒng)方案【3 2 1 。隨著應用需 求的推動，各種分布式視頻編碼方案由眾多的研究者相繼提出。其中較典型的有 基于像素域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng)、基于變換域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng) 和p r i s m 視頻編碼系統(tǒng)等。 2 3 1 基于像素域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng) 基于像素域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng)由b e m dg i r o d 研究小組在2 0 0 2 年提 出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 7 所示。系統(tǒng)方案基于獨立編碼、聯(lián)合解碼思想，在編碼端 將視頻幀分為相互獨立的w y n e r - z i v 幀w 與關鍵幀k 。對于關鍵幀k ，采用傳 統(tǒng)的幀內(nèi)編解碼方式進行壓縮，對于w y n e r - z i v 幀，其編解碼算法主要通過以下 幾步： 編碼端：采用均勻量化器對w 幀進行2 m 均勻量化處理，使所有系數(shù)量化后 都處于2 m 個區(qū)間中，量化系數(shù)用m 個比特表示，將所有系數(shù)按相同位的比特集 中，形成m 個位平面。重要的量化系數(shù)被依次送入t u r b o 編碼器進行獨立編碼， 得到的編碼校驗碼放入緩存中，等待解碼時的發(fā)送請求，再傳輸給解碼端使用。 解碼端：利用已解碼關鍵幀k 和w 幀生成輔助邊信息w ，用于對當前w 幀的解碼過程，將邊信息進行量化，生成的系數(shù)帶送入t u r b o 解碼器。解碼器結(jié) 合邊信息信息，通過反饋信道向編碼端請求校驗碼的方式進行解碼。當解碼誤碼 率滿足特定的值后解碼完成，若解碼失敗，則需要請求更多的校驗碼重復解碼， 直至達到解碼誤差標準并獲得解碼圖像的量化系數(shù)。最后進行反量化與幀重構(gòu)， 得到w y n e r - z i v 幀的解碼視頻幀w 。 江蘇大學碩士學位論文 幀內(nèi)編碼器幀內(nèi)解碼器 圖2 7 基于像素域的w y n e r - z i v 視頻編解碼系統(tǒng) 基于像素域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng)是最簡單的d v c 系統(tǒng)，編碼端對輸 入視頻無需進行離散余弦變換，直接進行量化，大運算的運動估計和運動補償轉(zhuǎn) 移至解碼端，保證了整個系統(tǒng)的復雜度較低。實驗結(jié)果表明，基于像素域的 w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)幀內(nèi)編碼，但與幀間編碼性能存在差距。 2 3 2 基于變換域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng) 基于像素域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng)能夠達到去除幀間時間相關性的效 果，但未考慮到w y n e r - z i v 幀的空間相關性。為了提高壓縮效率，2 0 0 4 年b e m d g i r o d 研究小在基于像素域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng)的基礎上，提出了基于變 換域的w y n e r - z i v 視頻編碼系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2 8 所示【3 3 3 4 1 。 系統(tǒng)中視頻幀被分為關鍵幀k 和w y n e r - z i v 幀w ，對關鍵幀k 采用傳統(tǒng)的 幀內(nèi)編解碼方式，如h 2 6 4 等。對w y n e r - z i v 幀w 采用幀內(nèi)編碼、幀間解碼的 方式。系統(tǒng)對w 幀的編解碼流程如下： 為了降低像素的空間冗余，編碼端首先對w 幀進行離散余弦變換得到d c t 系數(shù)，并針對系數(shù)所處位置進行頻段劃分，組合成d c t 系數(shù)子帶；對各d c t 系 數(shù)子帶進行量化，將量化符號q k 中具有相同特性的比特構(gòu)成比特面：采用t u r b o 碼對每個比特面進行獨立編碼，編碼所產(chǎn)生的奇偶校驗碼暫時存放到緩存中，等 待需求信息再傳送到解碼端。 在解碼端首先利用相鄰已解碼幀k 與當前幀的相關信息，通過內(nèi)插或外推 江蘇大學碩士學位論文 算法生成邊信息w ，并進行d c t 變換和頻段劃分；t u r b o 碼解碼器利用校驗碼 和邊信息，依次對各頻率子帶系數(shù)進行糾錯解碼，若解碼失敗，則通過反饋信道 向編碼端請求更多的校驗碼進行，直至解碼錯誤率低于設定閩值，解碼碼流經(jīng)過 位平面重組得到符號流q k ；重構(gòu)模塊根據(jù)邊信息和符號流進行頻段系數(shù)的重構(gòu)； 最后通過i d c t 變換得到解碼后的w z 幀w 。 圖2 8 基于變換域的w y n e r - z i v 視頻編解碼系統(tǒng) 變換域w y n e r - z i v 視頻編解碼系統(tǒng)與像素域w y n e r - z i v 視頻編解碼系統(tǒng)相比 最大的區(qū)別是w z 幀處理中引入了d c t 變換，視頻幀由像素域變換到頻率域， 使得編碼復雜度有一定的增加，但采用離散余弦變換有效壓縮了視頻信號空間冗 余信息。實驗結(jié)果表明，基于變換域的w y n e r - z i v 視頻系統(tǒng)能夠獲得比基丁像素 域的w y n e r - z i v 視頻系統(tǒng)更好的壓縮性能與圖像質(zhì)量【3 5 1 。 2 3 3p 對s m 視頻編碼系統(tǒng) 加州大學b e r k e l e y 分校的r a m c h a n d r a n 研究小組與b e m dg i r o d 研究小組同 時對分布式視頻編解碼展開了研究，并于2 0 0 2 年提出并實現(xiàn)了基于宏塊的 p r i s m 視頻編碼系引1 0 。1 1 】，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 9 所示。系統(tǒng)框架的具體工作流程 如下： 編碼端：將視頻幀劃分成互不重疊的像素塊，根據(jù)當前塊與對應預測塊的相 1 3 江蘇大學碩士學位論文 關性進行模式劃分，分別為s k i p 模式、傳統(tǒng)編碼模式和綜合編碼模式。屬于s k i p 模式的塊無需進行編碼，傳統(tǒng)編碼模式的塊，采用傳統(tǒng)的幀內(nèi)編解碼方式，綜合 編碼模式的各像素塊進行離散余弦變化得到d c t 系數(shù)，并對d c t 系數(shù)進行量化， 量化步長的設定與相關噪聲方差成正比。量化后得到的量化系數(shù)進行混合編碼， 對于量化后具有低頻特征的比特位，采用信道編碼并在解碼端通過邊信息估計得 到，只對高頻特征的比特位進行熵編碼，量化各個宏塊的同時，生成一個循環(huán)冗 余校驗作為h a s h 碼，進一步降低解碼錯誤率。 圖2 9p r i s m 視頻編解碼系統(tǒng) 解碼端：與編碼端對應，對不同模式的宏塊采用對應的解碼方式。s k i p 模式 的塊，利用己解碼幀前一幀中對應塊直接作為當前塊，對于綜合編碼模式的塊， 解碼端對高頻部分采用熵解碼方式，對低頻部分通過運動估計生成邊信息，并與 接收碼流一起進行解碼。利用h a s h 校驗碼對當前解碼進行檢測，校驗正確則解 碼成功，否則重新生成邊信息，直至校驗正確。將低頻和高頻各系數(shù)組合得到量 化系數(shù)，與邊信息一起進行i d c t 變換，最終得到解碼幀。 p r i s m 編解碼系統(tǒng)與w y n e r - z i v 系統(tǒng)一樣，將復雜度從編碼端搬移至解碼 端，此外它可以根據(jù)編碼端的情況，靈活地調(diào)整編碼端和解碼端的運算復雜度， 保持整個系統(tǒng)的編解碼性能，具有較高的靈活性。由于引入了h a s h 校驗碼，使 得系統(tǒng)的魯棒性較高，能夠抵抗傳輸誤碼。實驗結(jié)果表明，在無丟幀的情況下，