（信号与信息处理专业论文）基于视频压缩的分布式编码技术研究.pdf

南京邮电大学博士研究生学位论文 摘要 摘要 随着通信技术发展，对无线视频通信的需求日益增加，视频编码技术已成为无线通信 领域的研究重点。基于帧间运动补偿的传统视频压缩编码技术( 如m p e g 和h 2 6 x ) ，在 编码端充分挖掘视频信号冗余信息，通常编码复杂度是解码复杂度的5 一lo 倍。然而无线 视频应用中，系统需要低复杂度、低耗能的视频编码器，解码器可以相对复杂；同时，由 于无线信道带宽的限制，编码系统需要具有较好的率失真性能。因此，在无线视频通信中， 传统的视频编码方式面临较大的挑战。分布式视频编码( d v c ：d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ) 作为一种新型的视频编码方式，能够将计算复杂度从编码端转移到解码端，具有编码复杂 度低，压缩效率较高，鲁棒性好的优点，非常适合应用于无线视频场合，已引起视频编码 领域的普遍关注。 本论文以分布式视频编码为研究课题，以不增加编码复杂度的情况下，提高系统编码 效率为目的，对其中几个关键性问题展开研究，并在如下几个方面取得了一些研究成果： 1 在分布式视频编码中，对运动估计、边信息预测的有效性进行理论上的分析。通过 理论分析和实验仿真指出基于块匹配运动估计边信息预测并不是最有效的预测边信息的 运动估计算法，边信息预测所需要的运动矢量场应该贴近真实的运动矢量场，并且总结了 在分布式视频编码系统中，运动估计算法需要着重考虑的因素。 2 针对一种典型的分布式视频编码系统珊c r - z i v 视频系统，提出了两个具体的 运动估计边信息预测方法：基于加权块匹配运动估计的边信息预测方法和基于m a p 运动 估计的边信息预测方法。这两种运动估计方法，与块匹配算法相比，能够估计出更贴近真 实的运动矢量场。实验结果表明，本文的边信息预测方法能够取得更好的边信息预测性能， 其中基于m a p 运动估计的边信息预测方法性能最好。 3 提出了基于w y n e r - z i v 视频系统的解码优化策略，包括边信息精确预测算法和基于 图像先验概率约束的边信息联合解码重建算法。在边信息精细预测算法中，运动矢量场预 测采用匀加速模型，运动矢量场需要精细计算，并通过功率谱和傅立叶分析工具分析算法 的有效性。仿真实验表明，这些解码优化策略能够在解码端充分利用相邻帧时域和空间域 的相关性，在不增加系统编码端复杂度的基础上，能够获得更好的率失真性能。 i 南京邮电大学博士研究生学位论文捅要 4 将分布式编码的优点与传统的视频帧内编码技术相结合，提出了基于h 2 6 4 帧内编 码的分布式视频编码方法。在基于h 2 6 4 帧内编码的分布式视频编码方法中，编码端采用 h 2 6 4 帧内编码，通过调节量化参数，生成两种清晰度不同的编码帧，分别为粗糙帧和精 细帧；在解码端，利用分布式视频编码的解码估值理论，对粗糙帧进行联合解码重建。仿 真实验表明，基于h 2 6 4 帧内编码的分布式视频编码方法，编码复杂度与传统视频帧内编 码相当，在相同输出码率情况下，重建图像质量的p s n r 比h 2 6 4 帧内编码平均提高2 d b 。 5 提出了静止图像的分布式编码方法。算法中，将静止图像分成两个相关的子图像， 编码端两个子图像独立编码，在解码端利用空间域的相关性联合解码，能够在解码端开发 图像的空间域统计信息。实验结果表明，将分布式信源编码原理应用于静止图像压缩是可 行的。 关键字：视频编码，分布式信源编码，分布式视频编码，w y n e r - z i v 视频系统，边信息， 运动估计，联合解码，马尔可夫随机场 i i 南京邮电大学博士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s r t a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r eh a sb e e ns o m ea ni n c r e a s i n g d e m a n df o rw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o na n dv i d e oc o d i n gh a sp o s e dap a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t c h a l l e n g et h a td e s e r v e sa t t e n t i o ni nt h ec o m m u n i c a t i o nf i e l d t h et r a d i t i o n a lv i d e oc o d i n g ( s u c h a sm p e go rh 2 6 x ) r e l i e so nb l o c k b a s e dt r a n s f o r ma n di n t e r - f r a m ep r e d i c t i v ec o d i n g i nt h i s c o d i n gf r a m e w o r k jt h ee n c o d e ru t i l i z e st h es t a t i s t i c so ft h es o u r c es i g n a lb a s e do nm o t i o n c o m p e n s a t e dp r e d i c t i o na n dd c tt r a n s f o r mi no r d e rt oe x p l o i tb o t ht e m p o r a la n ds p a t i a l r e d u n d a n c y , a n de n c o d e rh a sah i g h e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt h a nt h ed e c o d e r ( t y p i c a l l y5t o 10t i m e sm o r ec o m p l e x ) h o w e v e r , i nw i r e l e s sv i d e oa p p l i c a t i o n ，i ti se s s e n t i a lt oh a v eac o d i n g f r a m e w o r kw i lal o w - p o w e ra n dl o w - c o m p l e x i t ye n c o d e r , a n dt h ec o d es y s t e mn e e dh i g hr a t i o o fc o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y t h et r a d i t i o n a lv i d e oc o d i n ga r c h i t e c t u r ei sb e i n gc h a l l e n g e d t h e d i s t r i b u t e dv i d e oc o d i n g ( d v c ) i san e wp a r a d i g mf o rv i d e oc o m p r e s s i o nb a s e do ni n f o r m a t i o n t h e o r y , a n di tc a l ls h i f tc o m p l e x i t yf r o mt h ee n c o d e rt ot h ed e c o d e r , a n dh a st h ea d v a n t a g eo f v e r yl i g h t w e i g h te n c o d e r , h i g hc o m p r e s s i o ne f f i c i e n c ya n di n b u i l tr o b u s t n e s s h e n c et h ed v c b e c o m e sat r u ef r o n t i e ri ni m a g ea n dv i d e oc o m p r e s s i o n 弱i ti sv e r ys u i t a b l ef o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i nt h i s f d i s s e r t a t i o n ，s e v e r a lc r i t i c a lt e c h n i q u e si nd v ca l i n v e s t i g a e dt oi m p i 0 v e 残l t e d i s t o r t i o np e r f o r m a n c eo ft h ev i d e oc o d i n gs y s t e mw i t h o u ts a c r i f i c i n gt h ee n c o d e rc o m p l e x i t y t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ec o n c l u d e da sf o l l o w s 1 t h ei n f o r m a t i o nt h e o r ya n a l y s i st o o li su s e dt oa n a l y z et h ee f f i c i e n c yo fm o t i o ne s t i m a t i o n a n ds i d ei n f o r m a t i o ni nd v c a n dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt e s t s ，w eb e l i e v e t h a tt h es i d ei n f o r m a t i o np r e d i c t i o nm e t h o du s i n gb l o c km a t c h i n gm o t i o ne s t i m a t i o ni sn o tt h e b e s ts i d ei n f o r m a t i o np r e d i c t i o ni nd v c ，a n dt h em o t i o nv e c t o rf i e l du s e dt oc o m p u t es i d e i n f o r m a t i o ns h o u l db ec l o s et ot h et r u eo b j e c tm o t i o nf i e l d s o m ee s s e n t i a lf a c t o r s ，w h i c hc a n i m p r o v et h es i d ee s t i m a t o rp e r f o r m a n c e ，a r ea l s od i s c u s s e d 2 t w op r a c t i c a ls i d ei n f o r m a t i o np r e d i c t i o n m e t h o d s ，i n c l u d i n gt h e s i d ei n f o r m a t i o n p r e d i c t i o nb a s e do nw e i g h t e db l o c km a t c h i n gm o t i o ne s t i m a t i o na n dt h es i d ei n f o r m a t i o n p r e d i c t i o nb a s e do nm a pc r i t e r i o nm o t i o ne s t i m a t i o n ，a r ep r o p o s e df o rw y n e r - z i vv i d e oc o d i n g s y s t e m ，w h i c hi sat y p i c a ld v c s c h e m e c o m p a r i n gw i t hb l o c km a t c h i n gm o t i o ne s t i m a t i o n ，t h e i l l 南京邮电大学博士研究生学位论文 m o t i o nf i e l dc a l c u l a t e df r o mt h et w op r o p o s e dm o t i o ne s t i m a t i o nm e t h o d sc a nb em o r ea p p r o a c h t ot h et r u em o t i o nf i e l d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tab e t t e rq u a l i t yo ft h es i d ei n f o r m a t i o nc a n b ea c h i e v e dw i t ht h ep r o p o s e dm e t h o d sa tt h ed e c o d e r f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es i d e i n f o r m a t i o np r e d i c t i o nm e t h o db a s e do nm a pc r i t e r i o nm o t i o ne s t i m a t i o ni sb e r e r 3 t h eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yo fd e c o d e rb a s e dw y n e r - z i vv i d e oc o d i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d ， w h i c hi n c l u d e ss i d ei n f o r m a t i o nr e f i n e m e n te s t i m a t i o nm e t h o da n dj o i n td e c o d i n gr e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h mb a s e do ni m a g ep r i o rm o d e l i nt h es i d ei n f o r m a t i o nr e f i n e m e n te s t i m a t i o nm e t h o d ，t h e m o t i o nv e c t o rf i e l di sc a l c u l a t e du s i n gt h ec o n s t a n ta c c e l e r a t i o nm o d e la n dn e e dt ob er e f i n e d t h r o u g hm o r em o t i o ne s t i m a t i o n ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h em e t h o di si l l u s t r a t e db ys i g n a l s p e c t r u ma n df o u r i e ra n a l y s i s t o o l s f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et e m p o r a la n ds p a t i a l c o r r e l a t i o ni sb e i n ge x p l o i t e ds u f f i c i e n t l yb yt h ep r o p o s e dd e c o d i n go p t i m i z a t i o ns t r a t e g y , a n d t h er a t ed i s t o r t i o np e r f o r m a n c eo fw y n e r - z i vv i d e oc o d i n gi si m p r o v e dw i t h o u ti n c r e a s i n g e n c o d e rc o m p l e x i t y 4 c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fd v c w i t ht h et r a d i t i o n a li n t r av i d e oc o d i n g ，an o v e ld v c a r c h i t e c t u r eb a s e do nh 2 6 4i n t r ac o d i n gi sp r o p o s e d i np r o p o s e dd v cf r a m e w o r k ，t h ev i d e o e n c o d e ru s e sh 2 6 4i n t r ac o d i n g ，a n dt h ev i d e of r a m e sa r eo r g a n i z e di n t oc o a r s ef r a m e sa n df i n e f r a m e st h r o u g ha d j u s t i n gt h eq u a n t i s a t i o np a r a m e t e r i nt h ed e c o d e r t h ec o a r s ef r a m ei sj o i n t l y r e c o n s t r u c t e du t i l i z i n gd e c o d i n ge s t i m a t i o nt h e o r yo fd v c t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h e c o m p l e x i t yo ft h ep r o p o s e dd v ca r c h i t e c t u r ei ss i m i l a rt oh 2 6 4i n t r ac o d i n g ，a n dt h e p r o p o s e dc o d i n gs c h e m ec a np e r f o r mu pt oa v e r a g e 2d bb e t t e rt h a nh 2 6 4i n t r a - f r a m ec o d i n g 5 an o v e ls t i l li m a g ec o m p r e s s i o nm e t h o du s i n gd i s t r i b u t e dc o d i n gi sp r o p o s e d t h eo r i g i n a l i m a g ei s d i v i d e di n t ot w oc o r r e l a t i v es u b i m a g e s ，w h i c ho r es e p a r a t e l ye n c o d e da n dj o i n t l y d e c o d e du s i n gs t a t i s t i c a lc o r r e l a t i o no ft h eo r i g i n a li m a g e c o n s e q u e n t l y , i nt h ep r o p o s e di m a g e c o m p r e s s i o nm e t h o d ，t h ei m a g es p a t i a ls t a t i s t i c sc a n b ee x p l o i t e di nt h ed e c o d e r t h ef e a s i b i l i t y o ft h ep r o p o s e dm e t h o di sc o n f i r m e db ys i m u l a t i o nt e s t s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e ds o u r c 宅c o d i n g ，d i s t r i b u t e d v i d e oc o d i n g ，w y n e r - z i vv i d e oc o d i n g s y s t e m ，s i d ei n f o r m a t i o n ，m o t i o ne s t i m a t i o n ，j o i n td e c o d i n g , m a r k o v r a n d o mf i e l d i v 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容，论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 视频通信是数据通信的重要组成部分，而视频压缩是数字视频通信的主要研究课题之 一视频编码的研究起源于2 0 世纪6 0 年代的d p c m 图像编码随着一系列国际视频压缩 标准的颁布，视频通信技术飞速发展，并获得巨大的商业成功目前，有线视频技术已趋 成熟，而无线视频通信的需求与日俱增然而，传统的视频编码技术，在无线视频通信领 域面临着较大的挑战分布式视频编码是一种新型的视频编码方式，它的特点使其非常适 用于无线视频通信，已受到学术界的关注本章简单总结了分布式视频编码的研究背景和 相关的基本概念，随后给出了本论文主要研究内容、结构安排和研究创新点 1 1 研究背景 视频的信息量特别巨大，在带宽受限的信道中要实时传输图像信息，必须对图像信息 进行压缩。目前国际图像视频压缩标准中采用的压缩技术主要有两大类：一是基于运动补 偿预测( m c p ：m o t i o nc o m p e n s a t e dp r e d i c t i o n ) 和离散余弦变换混合视频编码技术；另外 就是基于小波变换的压缩技术。由于混合视频编码技术具有能够获得高压缩率，计算复杂 度低，易于硬件实现等优点而被大多数国际图像、视频压缩标准推荐为核心的压缩算法。 例如、h 2 6 1 1 1 1 、h 2 6 3 t 1 2 1 、h 2 6 4 1 1 孤、m p e g - 1 2 1 1 4 1 、m p e g 4 f 1 5 j 都是基于帧间运动补偿 和离散余弦变换的视频压缩标准。这些标准的制定既采用了图像、视频编码在过去几十年 的研究成果，又不断吸收新的研究成果和提出新的研究内容。 在传统的视频编码中，通过运动估计和离散余弦变换来消除视频序列的时域和空间域 的冗余度。为了尽可能的去除视频序列的时域和空间域的相关性，与视频解码器相比，视 频编码器由于需要运动估计，往往具有较高的复杂度，通常情况下，编码复杂度是解码复 杂度的5 一1 0 倍。在这种编码机制下，编码器决定了整个编码系统的率失真性能，而视频解 码器只是视频编码器的“反过程”。因此，传统的视频编码非常适合于视频信号一次编码而 多次解码的应用场合如：视频广播、视频点播、视频光盘存储等。 然而一些视频应用场合恰恰相反，它们需要低复杂度的编码器，在解码端可以采用具 有较高复杂度的解码器，比如计算能力、内存容量、耗电量都受限的无线视频终端：无线 l 鼹攀匿当陲型溅 1 2 分布式视频编码的基本概念 分布式视频编码可以看成就是基于视频信号的分布式信源编码( d s c ：d i s t r i b u t e d s o u r c ec o d i n g ) ，而分布式信源编码概念起源于相关信源编码。通常情况下，相关信源的编 码系统如图1 2 所示，图中描述了3 个相关信源z ，、：、墨的编码系统：在编码端3 个信源联合编码，能够有效去除单个信源的冗余度和3 个信源的相关信息；在解码端，需 要联合解码的方式恢复x 、x ，、x ，。 鲁= h = 卜 圈1 2 相关信鼎的缟码系统示意图 2 0 世纪7 0 年代在信息编码理论领域，s l e p i a n 和w o l f , w y n e r 和z i v 先后从无损编 码和有损编码的角度，论证相关信源“独立编码，联合解码”的系统t 能够获得与相关 南京邮电 学博研究生学位论女第章结论 信源“联合编码联合解码”系统近似的编码性能。相关f 青源的“独立编码，联台解码” 的有损压缩系统结构如图1 3 所示，该系统能够得到与图i2 系统相似的编码性能，由于 在这种编码系统中，在编码端相关信源之间并不互相通信，编码器彼此独立，具有分御 式( d i s t r i b u t e d ) 的特点因此这种信源编码系统被称之为“分布式信源编码( d s c ) ”。 埠目n i # 码 信律目联 解码 信繇x - + 玉垂巫 - - 生( 匣) 一 情湃x ：二+ 亟亘堑_ 巫兰i ；至p 。，恒亟匦 _ 旦亟兰盔差弘 囤13 基于w y n e r - z i v 犏码的分布式信源编码系统 将视频信号作为分布式信源编码( d s c ) 的编码内容，就构成分布式视频编码( d v c ) 。 分布式视频编码有两种形式：( 1 ) 单路视频源的分布式视频编码系统；( 2 ) 多路视频源的 分布式编码系统。 单路视频源的分布式视频编码系统如图1 4 所示编码端把视频序列的每幅图像看成 是1 个信源，独立进行编码，而在解码端，利用相邻帧之间的相关性，进行联合解码重构。 因此在单路视频源的分布式视频编码系统中，编码器的复杂度和传统视频的帧内编码相 当，而解码器要相对复杂，系统的编码性能主要取决于解码器的视频联合重构机制。 时 问 f ( n + ! 联合解码 因14 单路视频潍的分布式视频鳊码系统 镰棚 镳咖 镳胁删 2 0 0 2 年开始，有学者提出了单路视频源的分布式视频编码的具体实现算法，其中有： 斯坦福大学视频研究组aa a r o n ，bo i r o d 等提出的“w y n e r - z i vm p e gi n c ae n c o d e ra n d 3 晰泉邮l b 大学博士研究生学位论立第帝绪论 i n t e rd e c o d e ”框架”l ，加州大学b e r k e l e y 分校r a m c h a n d r a n 等提出的p r i s m ( p o w e r e f f i c i e n t r o b u s th i g h c o m p r e s s i o ns y n d r o m e b a s e m u l t i m e d i a ) 框架”“。这些出色的研究成果，逐渐 引起学术界的关注， 在多视( m u l t iv i e w ) 系统中每路视频源都是做同视频场景的不同描述，因此视 频源之间具有较大的相关性。多路的视频源的分布式视频编码系统如图i5 所示圈中描 述了3 路视频源的分布式视频编码每路视频源之日j 进行独立的编码，而在解码端进行联 合解码。最早的多路视频源的分柿式视频编码算法是斯坦槲大学x z h u 提出的”9 i ，该算 法针对多相机阵列( 1 a r g ec a m e p f la r r a y s ) 的图像进行编码分别采用j p e g 2 0 0 0 和基于t u r b o 码的w y n e r - z i v 编码，实验结果与分析表明，该分布式视频编码的复杂度比j p e g 2 0 0 0 低， 由于采用了联合解码机制，整体压缩性能比j p e g 2 0 0 0 编码效果好。随后，多路视频源的 分布式视频编码的研究也相应丌展起来o h i l l j 。 额# * s ( 2 】 m * ； s ( 2 1 竺! p 垂i 卜l 联台解码 际 竺 图15 多路视颧源的分布式视频编码系统 分布式视频编码主要特点有：低复杂度的编码、高复杂度的解码；对于丢包的通信网 络( 如无线通信) 具有天生的鲁棒性：压缩效率高于传统的帧内编码。基于这些特点，分 靠式视频编码适用于需要编码复杂度较低的无线视频场合。在这些应用中视频编码的复 杂度和存储都受限分砸式视频编码有自己独到的优点：它的编码复杂度相当于帧内编码 远远小于帧间编码，能够将复杂的计算“搬移”到解码端。简要介绍分布式视频编码的应用 如下： ( 1 ) 无线视频通信 分布式视频编码的一个典型应用就是无线视频通信，例如在图1 6 所示的两个无线视 瑚髓躐瑚蕊蕊瑚翟躐瑚盈蕊 南京邮电太学博h * 纯学位论空 频终端之间进行的视频通信。该视频通信系统要求编码端和解码端的复杂度都要根低，这 与其编解码设备能量低、体积小、电池寿命短等特点是密切相关的。然而，若仅仅采用 w y n e r z i v 编码方法，势必会产生一个高度复杂的解码端。为了解决这一问题，可以把这 一复杂的解码端和码流转化器一起放置在基站中。这个基站接收只进行简单编码的 w y n e r - z i v 比特流，将其转化为m p e g x 或h2 6 x 比特流并且传送到其有低复杂度的解码 端。这样无线视频终端既有较为简单的编码( 分布式视频编码) ，还有较为简单的解码 ( m p e g x 或h2 6 x 解码) 从而实现了具有简单编、解码端的通信系统。另外，分布式视 频编码的编码复杂度低也适用于其它的无线视频终端，如手持数字视频摄像机无线视 频摄像头等等。 分布式视频编码的编码器m p e g 解码嚣 图16 分布式视频编码和传统的视频编码相结合的无线视频通信 ( 2 ) 无线视频监控网络系统 随着微电子技术和通信嘲络的发展，感知网络逐渐成为个热门领域，在该网络中成 千上万感知器可以协调工作。如果该网络使用视频感知器，那么它就可实现诸如对人跟踪、 监视动作、跟踪事件并报警之类的任务。同时，因为拥有大量的传感器，它可以从各种角 度获取视频内容，使得无线视频监控变得简单易行。因为无线视频编码设备具有低复杂度， 低成本低能耗的特点，所卧分布式视频编码可以高效地实现这种基于视频的传感器网络。 在这种网络中，解码端是处理中心，具有很强的计算能力，实现了对所收到信息的获取和 处理工作，即挖掘出所收到视频信号的帧间信息冗余。由丁需要很简单的摄像机就可以实 现无线网络的监控任务，所以可以大大降低系统成本。 ( 3 ) 多视视频编码( m u t i - v i e wv i d e oc o d i n g ) 在一些应用场景如电影特效制作、三维场景重建以及三维电视( 3 dt v ) 中，都会使 5 型里业! 墨堂盟! ：! ! 塑兰堂竺堕兰 曼 曼堑堡 用到大量的固定在不同位置的摄像机米完成图像的采集和编码工作，一般通过摄像机阵列 完成，如图17 。因为相邻的摄像机获取的景象可能是重叠的存在较大程度的相关性。 每个摄像机就可以对所采集到的视频( 或图像) 进彳亍独立编码，而在解码终端则可以利用 相关视频源的空间相关性进行联合解码来实现图像重建。这种分布式视频编码框架( 如图 15 ) 能够降低编码复杂度，只要采用低成本的视频编码器就能够完成工作，从而降低了摄 像机阵列的整体成本。 图l7 摄像机阵列 随着实际视频应用的需要，分布式视频编码引起学术界的普遍兴趣。斯坦福大学视频 研究组和加州大学b e r k e l e y 分校的视频研究组所做的分布式视频编码相关研究均受到美国 国家自然科学基金项目的支持。2 0 0 5 年9 月，欧洲项目d i s c o v e r ( d i s t r i b u t e d c o d i r g f ir vd e os e r v i v e s ) 正式启动，项目主要是针对“先进分巾式视频编码”课题的研究，参与项目 的共有6 所欧洲的科研机构和高校目。 在2 0 0 6 年北京召开的2 t hp i c t u r e c o d i n g s y m p o s i u m ( p c s ) 国际会议上，将分柑式视 频编码作为一个专题进行讨论。欧洲e l s e v i e r 出版社的学术期刊 s i g n a lp r o c e s s i n g ) ) 在2 0 0 6 年1 1 月出版了“分布式编码”专刊。i e e e 学报( t r a n s a c t i o n s0 nc i r c u i t s a n ds y s t e m sf o r v i d e o t e c h n o l o g y 也即将推出“分布式视频编码”专刊。这些学 术活动，无疑对推动分布式视频编码的研究发展都起到t g q , j 陵作用。 分布式视频编码的研究才刚刚开始，很多方面都有待进一步的完普。虽然早在上个世 纪七十年代，从信息编码理论上，已经论证了分布式信源编码理论的有效性，但是随后近 3 0 年的时间，没有人提出具体的分布式信源编码方案。随着信道编码的发展( 如t u r b o 码， u ) p c 码) ，有学者将新型的信道纠错编码用到相关信源压缩，使得分布式信源编码取得一 6 南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论 定的发展。然而，就分布式视频编码而言，还有很多问题仍将有待进一步的研究。 1 3 本文的主要内容及研究创新成果 本文主要以单路视频信号的分布式视频编码为研究对象。下文中，如果没有特别指定， “分布式视频编码 表示“单路视频信号的分布式视频编码 。在视频压缩的术语中，“编 码( e n c o d i n g ) 通常表示视频信号压缩的过程，“解码( d e c o d i n g ) 表示视频压缩信息的 解压过程。而在信息编码理论的术语中，“编码( c o d i n g ) ”通常的含义是整个编解码系统， 即包括编码( e n c o d i n g ) 和解码( d e c o d i n g ) 。为了避免产生歧异，如果不特别指定，本论 文中“编码”均表示整个编解码系统。 1 3 1 主要内容和章节安排 本文研究分布式视频编码的若干关键技术和新方法：首先通过仿真实验和理论相结合 的方法，分析了分布式视频编码中的运动估计的作用，及其与传统视频编码中运动估计的 区别，为研究分布式视频编码中运动估计方法提供了必要的实验和理论基础；对w y n e r - z i v 视频系统中的边信息预测和解码模块进行深入的研究；研究了基于压缩标准的分布式视频 编码新方法。图1 8 所示为本论文的工作结构示意图，论文的各章节安排如下： 图1 8 本论文工作结构示意图 第一章介绍了论文研究背景，分布式视频编码的基本概念，应用、研究现状；同时介 绍了论文的研究内容和创新点。 7 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 第二章主要介绍了分布式视频编码的一些必要的背景知识。从相关信源编码基本原理 着手，分析了分布式信源编码的思想概念和理论基础，随后通过总结介绍了分布式信源编 码和分布式视频编码的相关研究成果，最后简要介绍了分布式视频编码中的研究内容。本 章内容是后续章节必需的背景知识基础。 第三章研究了分布式视频编码中运动估计的作用；块匹配运动估计对分布式视频编码 系统边信息预测性能的影响；分析分布式视频编码系统中，设计合理的运动估计算法应该 考虑到的相关因素。首先简要介绍了二维运动估计的基本方法，接着从信息理论角度分析 了分布式编码系统由于运动估计的位置不同，形成编码性能差异的原因。然后介绍了在分 布式视频编码系统中，常用的边信息预测方法。最后，给出了基于块匹配运动估计的边信 息预测仿真实验，通过对不同情况下，块匹配运动估计的边信息预测实验结果的分析，进 一步讨论了分布式视频编码系统中，运动估计需要考虑的问题，为进一步研究分布式视频 编码中边信息预测方法提供了实验统计和理论分析依据。 第四章研究了w y n e r - z i v 视频系统中边信息预测方法，本章主要针对w y n e r z i v 视频 编码系统中边信息预测模块进行研究，针对具体情况分别提出了两种边信息预测方法：基 于加权块匹配运动估计的边信息预测方法和基于m a p 运动估计的边信息预测方法。其中 基于加权块匹配运动估计的边信息预测方法是以块匹配运动估计为基础，而基于m a p 运 动估计的边信息预测方法是以m a p 运动估计为基础。实验结果表明，这两种边信息预测 方法与块匹配运动估计边信息预测方法相比，能够取得更好的率失真效果。其中基于m a p 运动估计的边信息预测方法要优于基于加权块匹配运动估计的边信息预测方法，在实际系 统中，可以根据具体性能需求选择合适的边信息预测方法。 第五章研究了w y l l e r z i v 视频系统中的解码模块，主要从边信息精确预测和联合解码 重构两个方面进行优化。针对边信息的准确预测，本章提出了边信息精细预测算法，算法 中运动矢量场的预测通过匀加速模型来实现，当前帧图像重建用到的边信息需要精细计 算，随后通过功率谱和傅立叶变换，对算法的有效性进行分析。针对联合解码重建，本章 提出了基于h u b e r - m a r k o v 随机场先验概率约束的联合迭代解码算法。实验结果表明，本 章所提出解码优化策略不增加系统的编码复杂度，在解码端充分利用统计相关信息，能够 8 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 有效的提高整个w y n e r - z i v 视频系统的编码性能。 第六章针对现有分布式视频编码不利于实际应用的特点，提出了两种全新的基于视频 编码标准的分布式编码系统：( 1 ) 基于h 2 6 4 帧内编码的分布式视频编码方法：( 2 ) 静止 图像的分布式编码方法。这些分布式编码方法，都是将现有的视频编码技术与分布式编码 思想相结合，充分融合传统编码技术和分布式编码技术的优点，在编码器采用传统的编码 技术，而在解码器利用视频或图像在统计上的相关性，联合解码。实验结果验证了两种分 布式编码方法的有效性和可行性。 文章的最后对整个论文的研究和实验工作进行了总结，并给出进一步的研究方向。 1 3 2 研究创新 本论文的主要创新性研究成果包括以下几点： 在分布式视频编码中，对运动估计、边信息预测的有效性进行理论上的分析。通过理 论分析和实验仿真，指出基于块匹配的运动估计并不是最有效的预测边信息的运动估 计算法，边信息预测所需要的运动矢量应该贴近真实的运动矢量，并且总结了在分布 式视频编码系统中，运动估计算法需要重点考虑的因素。 针对一种典型的分布式视频编码系统w 油e 卜z i v 视频系统，给出了两种具体的基于 运动估计的边信息预测方法：基于加权块匹配运动估计的边信息预测方法和基于m a p 运动估计的边信息预测方法。这两种运动估计方法，与块匹配运动估计相比，能够获 得很好的边信息预测效果。 提出了基于w y n e r - z i v 视频系统的解码优化策略，包括边信息精确预测算法和基于图 像先验概率约束的边信息联合解码重建算法。这些解码优化策略能够在解码端充分利 用相邻帧时域和空间域的相关性，在不增加编码复杂度的基础上，获得了更好的系统 率失真性能。 将分布式编码的优点与传统的视频帧内编码技术相结合，分别提出了基于h 2 6 4 帧内 编码的分布式视频编码方法和静止图像的分布式编码方法。这些编码方法基于分布式 信源编码架构，融合了传统的帧内编码技术，因此具有较好的实用性。 9 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 本章参考文献 【1 1 】i t u - tr e c h 2 6 1 v i d e oc o d e cf o ra u d i o v i s u a ls e r v i c e sa t6 4k b i t s 【s 】19 9 3 g e n e v m 【1 2 】i t u - tr e c h 2 6 3 v i d e oc o d i n gf o rl o wb i tr a t ec o m m u n i c a t i o n 【s 】19 9 6 g e n e v a 【1 3 】i t u tr e c h 2 6 4a n di s o i e c 14 4 9 6 10 ( m p e g 4 一a v c ) a d v a n c e dv i d e oc o d i n gf o rg e n e t i c a u