（计算机系统结构专业论文）基于3g视频通信中图像压缩的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 多媒体通讯是通讯技术一个最主要的发展方向。从目前的发展趋势看，移动 通信和多媒体通信是整个通信业界发展的主线。随着网络技术的发展，人们越来 越多的发现i n t e r n e t 视频通信给人们的工作与生活带来了快捷、方便、直接的 交流方式。由于“非典”的影响，无论是在政府机关和企业内部，还是普通居民 家中，“可视电话”、“网络视频电话”业务都得到了大量的应用。 视频通信业务的迅速发展同时引起了人们对技术发展趋势的关注。近几年 来，移动通信技术发展迅猛，视频通信的发展趋势：移动通信网络上的视频通信 成为研究的热点。新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 技术的发展可以提供的数据 传输速率高达l o o m h i t s ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实 时的流媒体业务，从而为移动通信网络上的视频研究提供了条件。 随着3 g ( 第三代移动通信) 技术的研究与发展，3 g 视频通信有着广阔的市 场前景和发展潜力。对3 g 移动通信网络的研究表明，3 g 移动通信网络上的视频 通信目前仍受到图像与多媒体传输，信道编码等关键技术的制约。 本论文对现有3g 标准中影响视频传输质量的主要因素及相关技术标准进 行分析研究，在现有3o 标准的基础上，提出了关于视频通信的一种更加完善的 系统解决方案：在m p e g 4 和f g s 可扩缩编码的基础上，对视频压缩算法中预测补 偿的参考层提出了相应的改进方案来提高编码效率，对实现思想进行了验证，并 对信道编码提出了自己的意见。 关键词：3g ，视频通信，视频压缩，m p e g 4 ，可扩缩编码，f g s ，信道编码t u r b o 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ni s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s d e p e n d i n go nt h ed e v e l o p m e n tt r e n d ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d m u l t _ _ m e d i ac o m m u n i c a t i o na r et h em a i nt e c h n o l o g i e si nt h ec o m m u n i c a t i o nf i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e tw o r kt e c h n o l o g i e s ，p e o p l eb e c o m i n ga w a r eo ft h a t i n t e m e tv i d e oc o m m u n i c a t i o ni sar a p i d ，c o n v e n i e n ta n dd i r e c tw a yt o c o m m u n i c a t i o n n o to n l yi nt h eg o v e r n m e n t s ，b u ta l s oi nt h ec o r p o r a t i o n sa n d i n h a b i t a n t sh o u s e v i s u a lt e l e p h o n e ”、”i n t e r n e tv i d e ot e l e p h o n e a r ew i d e l yu s e d b e c a u s eo f t h e “s a r s ” p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h et e c h n o l o g y st e n d e n c yf o rt h er a p i dp r o g r e s so f t h ev i d e oc o m m u n i c a t i o n r e c e n t l y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sg o tar a p i d d e v e l o p m e n t a n da tt h es a r f l et i m e ，v i d e oc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nb e c o m e st h et e n d e n c yo ft h ev i d e oc o m m u n i c a t i o na n dh a sm u s e d p e o p l e si n t e r e s t s t h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ( b e y o n d 3 g 4 g ) c a ns u p p o r tt h e 1o o m b i t sd a t ar a t e ，a n de v e nb e t t e r i tc a np r o v i d em u c h m o r es e r v i c e ，s u c ha st h ea u d i o ，m u l t i m e d i a ，e v e nt h er e a l m e d i a ，a n di ts u p p o a st h e s t u d yo f v i d e ob a s e do nt h em o b i l ec o m m u n i c a t en e t w o r k a st h ed e v e l o p m e n ta n dt h es t u d yo f t h e3 gg o i n go n ，t h ev i d e oc o m m u n i c a t i o n w i l lh a v eab r i g h tp r o s p e c t b u tu n t i ln o w , i th a sb e e nl i m i t e db yt t a n s m i s s i o no f p i c t u r ea n dm u l t i m e d i aa n dt h ec o d i n go f c h a n n e l t h i sp a p e rs t u d i e sa b o u tt h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ev i d e oi nt h e3 gn e t c o m p a r i n gw i t ht h ef o r t h c o m i n gt e c h n o l o g i e s ，i tp u t sf o r w a r dap r o g r a mt h a tu s e sa m o d i f i e da l g o r i t h mb a s e do nt h ef g so fm p e g - 4t or e a c hah i g h e rc o d i f ye f f i c i e n c y a n di tw i l ls h o wu sh o wt or e a l i z et h i sp r o g r a m a tl a s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e sa b o u tt h e c h a n n e lc o d i n g ，a n dg i y e sa na d v i c eo ni t k e y w o r d ：3 gv i d e oc o m m u n i c a t i o n v i d e oc o m p r e s s ，m p e g 4 ，s c a l a b i l i t y , f g s ， c h a n n e lc o d i n g ，t u r b o i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 随着网络技术的发展，人们越来越多的发现i n t e r n e t 视频通信给人们的工作 与生活带来了快捷、方便、直接的交流方式。s a r s 的突袭，使得网络视频会议成 为最常见的开会方式。无论是在抗击“非典”的第一线，还是跨国公司的内部， 乃至在一些普通居民家中，“可视电话”、“网络视频电话”业务都得到了大量应用。 许多政府机关和企业通过租用电信运营商提供的这一宽带业务来进行网络视频会 议。中国电信推出的“新视通”视讯新业务和中国联通推出的“宝视通”业务满 足了用户“面对面”的沟通需求；中国网通推出的“网视通”会议系统，其使用 量是过去视频通信业务的四倍。 视频通信业务的迅速发展引起了人们对技术发展趋势的关注。据专家介绍， 远程通信的发展已经经历了从音频到视频的过渡，而视频通信下一步发展的关键 是多媒体数据的传输，即集语音、图像、数据、信息流于一体的多方异地通信解 决方案。 在视频通信产品的开发上，从网络的角度出发，顺应i p 网络、3 g 等新技术的 发展趋势，提供更出色的视频通信解决方案将是视频通信产品今后发展的重点。 因为平台一旦得到优化，搭载其上的应用就不仅仅只是网络会议，远程医疗、远 程教育、远程培训等等应用都将随之进入快车道。 视频通信的发展势头会随着3 g 网络技术和视频技术的发展越来越强劲。国内 外大型网络运营商对3 g 网络环境的建设和改造，以及公众对视频通信的认知度的 不断提高等等因素正在让3 g 移动通信视频逐渐走入百姓们的视线。而h 3 2 4 ( 3 g 及p s t n 视频通讯标准协议) 和m p e g 4 等技术也将会在3 g 技术以及3 g 网络迅猛发 展的带动下进入主流发展。 随着3 g 技术和视频技术的不断发展，人们希望在移动手机上进行视频通信， 并能实现随时随地的视频交流，因此，本文对3 g 移动通信网络的视频研究，具有 一定的实用价值和研究意义。 1 1 移动通信的发展 移动通信是当今通信领域内最为活跃，发展最为迅速的领域之一，也是2 1 世 纪对人类的生活和社会发展将有重大影响的科学领域之一。 自从1 9 8 1 年第一代频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术为基础的模拟移动通信系统( a m p s 、t a c s 、n m t 等) “”建立使用以来，蜂窝移 动通信市场的发展和需求大大超过了科学家的预测。在短短几年时间内，模拟蜂 重庆大学硕士学位论文1 绪论 窝系统就面临着阻塞概率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统的干扰增大，蜂窝系 统迫切需要增容的压力。但由于蜂窝模拟系统本身的缺陷( 例如，频谱效率低、 保密性能差等) ，系统的设计容量远远不能满足需求。紧接着，1 9 9 2 年以时分多址 ( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术为基础的第二代数字蜂窝移动通 信系统( g s m 、d a m p s 、i d c 等) 相继投入使用。 2 0 世纪9 0 年代中期以后，随着移动通信系统技术的成熟和运营实践的成功， 以及计算机技术的飞速发展和迅速普及，对移动通信系统的业务功能又有了更高 的要求。世界上许多国家相继开始研究第三代移动通信( 3 g ) 系统“。 第三代移动通信系统最早是在1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出，当时 称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( 国际移动通 信一2 0 0 0 ) ，该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0k b s 。从19 9 7 年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统容 量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的标准化工作开始逐渐进 入实质阶段。目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将以卫星移动通信网与 地面移动通信网结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏 远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个人 通信的理想。 1 23 g 移动通信的特点 第三代移动通信系统的主要特征是： 业务多样化，高业务质量，全球无缝覆盖； 高频率利用率，并降低成本； 高速率( 高速移动为1 4 4 k b p s ，室内外步行3 8 4 k b p s ，室内固定用户2 m b p s ) ； 自适应无线接入系统，收发信机的软件无线电化和智能网概念【1 】【3 0 1 ； 个人移动终端； 多模式操作，系统兼容性，平滑过渡和演进； 不同物理环境( 室内与室外、市区与乡村) ；不同应用环境( 宏蜂窝、微蜂窝、 微微蜂窝) ；不同移动环境( 静止、步行、车速、高速) 1 33 g 主要技术 第三代移动通信技术分为c d m a 和t d m a 两大类共五种技术，其中主流技术为以 下三种c d m a 技术： 1 ) i m t 一2 0 0 0c d m d , 一d s ( i m t 一2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a 。它是在一个带 宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频； 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 ) i m t 一2 0 0 0c d m a m c ( n t 一2 0 0 0 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这是美国提 出的技术，由多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统； 以上两种技术都属于频分双工( f d d ) 模式 3 ) 此外，还有c d m at d d 技术：i m t 一2 0 0 0c d m at d d ( i m t 一2 0 0 0 时分双工c d m a ) 。 目前包括t d s c d m a 和u t r at d d ，其中t d s c d m a 是我国提出的技术。 3 g 主要技术的基本参数、优缺点比较分别如图1 1 、图1 2 所示o 心引。 w c d m a t d - s c d m a c d m 2 0 0 0 多址方式 d s c d m at d s c d m ad s c d m a m c c d m a 双工方式 f d d 或_ r d dt d df d d 或t d d 基本c h i p 速率 4 0 9 6 m c s1 1 1 3 6 m c s3 6 8 6 4 m c s 信道带宽 5 1 0 2 0 m h z1 4 m h z 1 2 5 5 1 0 15 2 0 m h z 帧长1 0 m s5 m s 2 0 m s 或5 m s 基站同步方式 异步同步( g p s )同步( g p s ) 最大数据数率 2 m b ，s 2 m b s2 m b s 数据调制q p s kd q p s k1 6 q a m q p s kb p s k 扩频调制 前向：q p s k b p s k q p s k i b p s k 后向：b p s k 扩频编码 前向：w a l s h ( 信道周期为2 5 6 的p h i 码w a l s h ( 信道正交) + m 化) + g o l d 序y r j 2 1 8i ( 区 1 6 阶w a l s h 码序列2 15 _ 1 ( 区分小 分小区) ；区) ： 后向：w a l s h ( 信道 w a l s h ( 信道正交) + m 化) + g o l d 序列2 4 1 1 ( 区 序列2 4 1 _ 1 ( 区分用 分用户) ：户) ： 信道编码 低速卷积码低性能：卷积码低速卷积码 高速t u r b o 码高性能：t u r b o 码高速t u r b o 码 相干检测时分导频时分导频前向：公共连续导频和 辅助导频 后向：时分导频 功率控制开环+ 快速闭环闭环 开环开环+ 快速闭环 ( 8 0 0 h z )( 8 0 0 h z ) 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 续上图 r 同频软切换频内软切换扇区间采用更软切换， 频间硬切换频间硬切换小区间采用软切换，载 频间采用硬切换 图1 1w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 的基本参数比较 f i 9 1 1c o m p a r eo f b a s i cp a r a m e t e r so f w c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n dt d _ s c d m a w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 优点可由g s m 演进成 较为成熟，设 t d d 方式，易于实现智能天线和联 w c d m a ，初期节约设备备投资少合检测，降低多用户干扰，提高容 投资，易于平滑过渡；不量；适于非对称高速数据业务 需要g p s 缺点异步小区实现复杂程度现有设备利关键技术有待成熟 增加，上层协议不成熟用率低；需要不适合人烟稀少的地区和高速移动 g p s 的状态 图1 23 g 技术优缺点比较 f i g 2c o m p a r eo f a d v a n t a g e sa n dd e f e c t so f 3 gt e c h n o l o g y 从以上的分析可看出，中国提出的t d s c d m a 技术应用了同步和智能天线技 术，采用低码片速率，频谱利用率很高，适用于高人口密度地区低速接入环境， 有利于i n t e m e t 和视频点播等多媒体业务的非对称传输。 美国的c d m a 2 0 0 0 采用反向信道连续导频、相干接收，前向发送分集，电磁 干扰影响小；与i s 9 5 c d m a 完全兼容，技术的成熟性和可靠性有保障，同时也使 c d m a 2 0 0 0 成为从第二代向第三代移动通信平滑过渡的选择。 欧洲和日本的w c d m a 在成对频带将采用频分双工( f d d ) ，宽带码分多址 技术( w c d m a ) ，用于广域高速移动通信u ：在非成对单频带将采用时分双工 ( t d d ) ，时分码分多址技术( t d c d m a ) ，用于室内低速移动通信，提供f d d t d d 双模移动终端，可适应多种速率，多种业务，上下行快速功率控制，反向相干解 调，支持不同载频间切换，基站间异步方式摆脱了对g p s 的依赖，电磁干扰影响 小。目前g s m 在全球移动通信系统中的占有率为4 2 ，w c d m a 有利于g s m 向 3 g 演进。此外，从方案融合的角度看，除欧洲的e t s i 和日本的a r j b 外，美国 的t i p i 也提出了一个与之几乎完全一样的方案。 4 重庆大学硕士学位论文 1 4 未来移动通信业务发展趋势 目前，通信技术和计算机技术结合更加紧密，语音业务和数据业务日趋融合， 无线联网、移动多媒体已初露端倪。在我国，移动电话和i n t e m e t 用户都在飞速增 长，可以预见，在不久的将来会有越来越多的移动电话用户渴望随时随地得到 i n t e m e t 及多媒体业务服务。 在固定通话领域，话音业务正在受到数据业务的强有力挑战，预计，在最近一 两年中，全球数据通信量将超过话音通信量。与固定通信相比，移动通信目前的 话音通信量依然占绝对优势。但随着新技术的引入，移动数据业务已开始呈现出 蓬勃发展的景象。w a p 在现有窄带移动网络上的实现，已经使移动通信能够提供 低速率的信息访问。未来，通过g p r s 和c d m a 2 0 0 0 等技术，对现有移动网络移 动的改造将使它能提供更高带宽的数据业务，使之能够更快速的上网浏览和开放 其他信息服务，第三代移动通信更是以能够提供宽带的多媒体数据业务为一个主 要出发点。 同时，由于“非典”的影响，两年来，随着数据业务的飞速发展，视频通信业 务开始崭露头角，体现出从未有过的生机。集语音、数据、视频于一体的视讯业 务越来越受到人们的青睐。在第三代移动通信网络上进行视频研究已成为目前的 研究和讨论热点。 1 5 本文从事的研究及工作 随着3 g 移动通信技术的不断发展，关于3 g 的一些关键技术和标准己得到解 决，但是，仍受到以下技术因素的制约【1 1 1 ： 图像因素和多媒体； 定位技术； 语音识别； 个人身份识别； 国际互联网： 高速数据传输等。 图像和多媒体技术目前仍是影响和限制3 g 移动通信网络中视频传输质量的 主要原因。因此，本论文通过分析3 g 移动通信网络中对视频传输产生影响的关键 技术进行了研究与分析，并针对移动通信系统的特性，对视频压缩中预测补偿的 参考层和视频传输中的信道编码提出了相应的性能分析和改进方案，为3 g 网络的 视频通信作了一些尝试。 5 重庆大学硕士学位论文23 g 移动通信网络压缩与传输的研究 23 g 移动通信网络视频压缩与传输的研究 由于视频的数据量极大，移动网络上的视频通信又要求相当高的峰值带宽， 而传统的移动信道难以适应视频业务的开展，因此，必须采用新的方式，或者在 技术上有所突破，才能进行视频通信。本章重点对3 g 移动通信网络中视频压缩 中预测补偿的参考层与视频传输的信道编码等关键技术进行分析与研究，并提出 了相应的改进方案。 2 1 移动通信网络中视频通信过程6 】 图2 1 无线视频通信原理图 f i 9 2 1p i n c i p l eo fw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n 由于视频为活动图像，模拟视频信号首先需要经过数字化后才能进行数字处 理和传输【1 3 j 【1 引。对视频信号的数字化包括两方面内容：空间位置的离散和数字 化；亮度和色差电平值的离散和数字化。涉及到视频信号的抽样、量化和编码。 其次，视频信号经数字化后，数码率很高，必须先进行高效率的压缩编码， 才能在移动通信信道上传输。 由于移动通信信道的特点，视频数据载信道传输过程中需要经过差错控制， 扩频，调制等相关的信道编码，最终才能达到移动终端，并进行相应的逆变化后 得到模拟视频流。 从视频的通信过程不难看出，影响视频在移动通信信道上的传输质量的主要 因素m 叫有以下几点： 1 ) 首先，用于视频通信的带宽非常重要。如果没有足够的带宽，不管网络 或软件运行得多好，视频都难以实现。要保证获得清晰、完整、连续的 6 重庆大学硕士学位论文 23 g 移动通信网络压缩与传输的研究 图像，重要途径之一就是保证足够的带宽。 2 ) 其次，视频通信所使用的信道编码机制确定了视频载荷提供的差错保护 等级以及视频传输的可靠性。不同的信道编码方案能获得不同的视频质 量等级。提供给移动终端的信道编码机制所提供的差错保护，是控制视 频服务质量的主要因素之一。 3 ) 视频压缩算法的选择，对视频质量的好坏起着关键的作用。视频压缩比 越大，容错性越高，视频传输的质量也就越高。 2 2 视频压缩算法的选择 要对视频数据进行压缩，首先需要选择一个适合在移动通信信道上传输的压 缩算法。目前，对于视频压缩算法，人们讨论最多的是m p e g 4 和h 2 6 3 。这 两种算法均适合在移动通信网上的视频通信。由于无线系统“”是带限系统，只 能服务于低比特率业务。而视频业务是甚高比特率业务，要实现无线视频通信， 就必须实现高效压缩。无论是与同族的视频压缩算法m p e g l 和m p e g 2 相比， 或是与i t u 的h 2 6 1 、h 2 6 3 算法相比，m p e g 4 算法对视频数据的压缩率都占 有明显优势。m p e g 4 的压缩比最高可达到1 ：2 0 0 。此外，m p e g 4 不仅可以应 用在窄带上( 带宽小于6 4 k b p s ) ，还可以灵活的扩展到高质量、高清晰度的宽带 上。对于3 g 网络来说，由于不同的环境，数据传输率不同( 高速移动为1 4 4 k b p s ， 室内外步行3 8 4 k b p s ，室内固定用户2 m b p s ) 。因此，m p e g 4 的这一特性也非常 适用于3 g 移动通信网络中的视频通信。 2 2 1m p e g 4 功能描述 m p e g 4 提供了一系列技术来满足视昕内容的提供者，服务商和最终用户的 要求。它的主要目标 7 】在于： 1 ) 提供用于6 4 k b i t s 以下甚低比特率的音视频编码 2 ) 不仅适用于移动通信和个人通信，也适用于固定公用通信网和电视电 话 3 ) 适用于窄带多媒体通信等广泛应用 4 ) 实现基于内容的压缩编码，具有良好的兼容性、伸缩性和可靠性 m p e g 4 提供了下述四种方式来实现它的主要目榭”： 1 ) 提供“音视频对象”( a v 0 ) ，即音频、视频或者音视频内容单元的表述 形式 2 ) a v 场景可以由已有的a v o 生成复合a v o 来产生。m p e g 4 采用s n h c 的方法来组织这些a v 对象。 3 ) 为了选择合适的网络来传输a v 对象数据，可以对a v 对象的数据灵活 7 重庆大学硕士学位论文 2 3 g 移动通信网络压缩与传输的研究 的多路合成与同步。 4 ) 支持接收端的用户在a v 场景中对a v 对象进行交互操作，并且支持a v 对象知识产权与保护。 m p e g 4 的一些主要功能如图2 2 所述： 功能描述应用举例 基于内容的多媒m p e g 4 应基于音频，视频的内容而提供数从联机库中检索基于内容的 体数据存取据的存取，并利用不同的存取工具，例如 信息，并漫游信息数据库 索引、超连结、查询、浏览、上载、下载 以及删改 基于内容的管理m p e g 4 应提供一个“m p e g 4 语法描述语交互式家庭购物 和数码流编辑言”( m p e g 4s y n t a c t i c d e s c r i p t i o n家庭电影创作和编辑 l a n g u a g e m s d l ) 及编码方案，以支持基 符号评议解译器和标题插入 于内容的管理和数码流的编辑，而不需要数字效果( 如淡入效果) 转换编辑。m d s l 应该相当灵活，便于未 来用于扩展 自然的和合成的m p e g 4 应提供有效的方法，将合成的景在线自由系统，可利用自然的 混合编码物与自然的景物进行合成( 即文本和图形 音频和视频创作动画和合成 的覆盖) ，支持对自然的、合成的音频及声音 视频数据进行编码和管理的能力，以及解观众能够翻译或挪开图形覆 码器可控的方法，从而利用普通的音频和 盖物，以观看被覆盖的视频 视频数据创作合成数据，实现实时的交互 性 改进时间域的随m p e g 4 应提供有效的方法，在有限的时音频和视频数据可以通过一 机存取间里可以提供良好的分辨率，随机的从某个遥控终端和有限容量的媒 个音频视频序列中存取其中的一部分( 如 体实现随机存取 图像帧或物体)在序列中可以完成对单个a v 目标的“快进快退”等一 系列操作 改进编码效率对于所瞄准的特定应用，与现存的和正在音频 见频数据在窄带信道的 形成的标准化相比，m p e g 4 应提供主观有效传输 上更好的音，视频质量音频和视频数据在有限容量 媒体中的有效存储 多路并存的数据m p e g 4 应提供对景物的多视角多声迹的多媒体娱乐，例如虚拟现实游 8 重庆大学硕士学位论文23 g 移动通信网络压缩与传输的研究 码流的编码有效编码，以及单元数码流之间的良好同戏、三维电影 步的能力。对于立体视觉的应用，m p e g 4训练和飞行模拟 应包括充分利用统一景物的多视角和多 多媒体演示和教育 声迹中的冗余度，允许采用联合编码方 案，既能与普通音频和视频兼容，又能与 不受兼容性限制的情况兼容 差错环境中的坚m p e g 4 应提供对差错的坚韧能力，允许从一个数据库通过无线网络 韧性 访问不同的无限的和有限的网络以及存 的传输 储媒体。在恶劣的差错条件下，对于低数与移动终端的通信 码率的应用( 例如长的突发差错) ，应提从一个遥远的点采集音频视 供充分的关键的坚韧性频数据 基于内容的可扩m p e g 4 应提供实现内容质量具有良好粒用户能自动选择景物中单个 缩 度( 例如，空间分辨率和时间分辨率) 的物体的解码质量 能力，以及复杂度方面可扩缩的能力。在能按不同的内容等级、尺度、 m p e g 4 中，音频，视频信息内容的可扩缩分辨率及质量对数据库进行 时特别重要的浏览 图2 2m p e g 4 的主要功能 f i 9 2 2p r i n c i p a l l yf u n c t i o no f m p e g 4 2 2 2m p e g 4 的特点 m p e g 4 标准的主要特征在于它采纳了基于对象( a v ) 的编码，以及基于模 型( m o d e l b a s e d ) 的编码p 儿”j 。m p e g - 4 则代表了基于模型对象的第二代压缩 编码技术，它充分利用了人眼视觉特性，抓住了图像信息传输的本质，从轮廓、 纹理思路出发，支持基于视觉内容的交互功能，这适应了多媒体信息的应用由播 放型转向基于内容的访问、检索及操作的发展趋势。a v 对象( a v o ， a u d i ov i s u a lo b j e c t ) 是m p e g 一4 为支持基于内容编码而提出的重要概念。对象 是指在一个场景中能够访问和操纵的实体，对象的划分可根据其独特的纹理、运 动、形状、模型和高层语义为依据。在m p e g 一4 中所见的视音频己不再是过去 m p e g l 、m p e g 2 中图像帧的概念，而是一个个视听场景( a v 场景) ，这些不 同的a v 场景由不同的a v 对象组成。a v 对象是听觉、视觉、或者视听内容的 表示单元，其基本单位是原始a v 对象，它可以是自然的或合成的声音、图像。 原始a v 对象具有高效编码、高效存储与传输以及可交互操作的特性，它又可进 一步组成复合a v 对象。因此m p e g 一4 标准的基本内容就是对a v 对象进行高效 编码、组织、存储与传输。a 、，对象的提出，使多媒体通信具有高度交互及高效 编码的能力，a v 对象编码就是m p e g 一4 的核心编码技术。 9 重庆大学硕士学位论文23 g 移动通信网络压缩与传输的研究 m p e g 一4 不仅可提供高压缩率，同时也可实现更好的多媒体内容互动性及全 方位的存取性，它采用开放的编码系统，可随时加入新的编码算法模块，同时也 可根据不同应用需求现场配置解码器，以支持多种多媒体应用。 另外，m p e g 4 还提供了基于对象的可扩缩功能( 也是本文研究重点) ，它还 兼容了m p e g 2 标准中的图像分级功能，为i n t e m e t 和移动通信网络的视频通信， 高质量视频服务和多媒体数据库浏览服务提供了便利。其中，时域扩缩和空域扩 缩是m p e g 4 中两种基本的扩缩工具。时域扩缩时主要是为了降低原视频序列的 帧率；而空域扩缩则是降低原视频序列的分辨率。在每类分级工具中，视频序列 都可以分为两层：基本层和增强层。基本层提供了视频序列的基本信息；增强层 则提供视频序列更高的分辨率和细节，基层可以单独传输和解码，而增强层则必 须与基层一起传输和解码。m p e g 4 支持的空域扩缩可达1 1 级，并支持时域和空 域混合扩缩。 2 2 3m p e g 4 的视频压缩算法 有关m p e g 4 标准的视频压缩算法，现正处于研究讨论阶段。甚低速率音频 视频压缩编码是目前研究热点，目前提出的压缩算法主要包括l ) j ： 1 ) 基于小波的编码方法 2 ) 分形象素编码方法 3 ) 基于对象而非基于像素块的编码算法 4 ) 基于模型的分析合成法 5 ) 修改现行的运动补偿线性预测和离散余弦变换( d c t ) 混合编辑算法等 由于m p e g 4 对视频压缩尚未形成统一，因此，它允许研究者充分发挥想象 力，进行压缩算法的尝试，并进行演示、测试，以及相互比较等，从而选择出最 适合的算法作为建议提供表决。 总之，m p e g 4 专门针对甚低速率的音频视频压缩【1 7 1 1 1 9 】，要求比现行视频 压缩标准的压缩比高得多，所以视频压缩算法上要有突破。显然，需要研究和探 索的问题还很多。 2 2 4m p e g 4 的视频编码要求 对于m p e g 4 的视频编码要求，大致有以下几项需要考虑垆j ： 1 ) 视频内容：视频内容可能是活动的人、人群，或者是书写的或打印的文 本、绘图也可以是由计算机生成的场景等。人群的活动可能只是轻微的移动或是 局部发生小的变化，如，人坐着说话。 2 ) 视频编码具有容错性，在发生错误时能捡错纠错。 3 ) 视频质量由使用者主观感觉测试或自动测试，包括面部和情绪的识别、 打印的或手写的文本阅读等。 1 0 重庆大学硕士学位论文 23 g 移动通信网络压缩与传输的研究 4 ) 视频时延有初始时延、正常时延和控制响应时延三种情况，其中有些时 延是由编码器和解码器引起的。 5 ) 视频数字化比特率可以是可变的，也可以是恒定的平均比特率 6 ) 输入至编码器以及从解码器输出的视频格式包括以下参数：空间亮度分 辨率，空间色度分辨率，时间分辨率( 每秒帧数) ，像素宽高比，取样量化，y 、 c b 、c r 每样值比特数，色度空间，逐行或隔行扫描，平面的或立体的等。 7 ) 低频编解码器的存储容量和处理能力，以及其对设备成本的影响。 对于甚低速率的3 g 移动通信网络而言，视频通信包括了视频、音频和数据， 应有更多的要求，诸如同步控制，数据复接，以及通信保密措施等。 2 2 5m p e g 4 可扩缩算法 在很多情况下，要求对一个视频能同时在一个很宽的分辨率范围内或者不同 质量的范围内进行解码。所谓视频的可扩缩性，是指能够同时获得视频的多个分 辨率，即得到不同质量的重建图像序列。可伸缩性编码通过特殊的方式来产生一 个编码结构，这种结构对于解码器而言可以得到这个视频的多个分辨率，或者不 同质量的码流并解码。码流的扩缩是指解码器可以用码流的一部分来产生某个分 辨率或者质量的完整图像。一个可以伸缩的码流，可以同时由不同复杂度的解码 器进行解码，低性能解码器解码产生基本质量的部分码流，高性能解码器解码更 多的码流并产生更好的质量。 在m p e g 4 中，主要有空域扩缩和时域扩缩这两种扩缩方式p l ，它们分别提 供空间分辨率和时间分辨率的扩展功能。空域扩缩和时域扩缩涉及到许多层次。 在由低层和高层组成的两层中，底层作为基本层，高层作为增强层。在空域扩缩 时，增强层可以增加基本层的空间分辨率；在时域扩缩时，增强层可以和基本层 混合，从而产生更高的时域分辨率。因而视频帧采用了这些扩缩特性。 图2 3 普适性扩缩的高级编解码器结构 f i 9 2 3a v a n c e dc o d e d e c o d es t r u c t u r eo fp r a c t i c a b l es c a l a b i l i t y 重庆大学硕士学位论文 23 g 移动通信网络压缩与传输的研究 在m p e g 4 的v m 中讨论的扩展框架是一种普适性的扩缩，它包含了时域和 空域的扩缩。上图中显示了这个普适性扩缩的高级编解码器结构。 将视频对象v o p 输入到可扩缩预处理器中。针对空域扩缩编码和时域扩缩 编码进行不同的预处理，其中基本层对应着低分辨率，而增强层对应着较高分辨 率。基本层采用的是m p e g - - 4 基本模式编码，增强层的输入信号是原始v o p 和帧存( 重建) 的v o p 的差值，并对其差值进行8 x 8 的d c t ，然后对d c t 系 数进行比特平面编码。根据比特平面的重要性，将重要的比特放在码流前端，如 一个块的m s b ，将次要比特放在后端，比如一个块的l s b ，这样在网络发生拥 塞时就可以先丢弃部分不重要的比特以减缓网络负载，但解码端对接收码流仍可 解码，虽然图像质量会有所下降，但可以保证流畅的活动图像。 如果使用时域扩缩编码，那么可扩缩性预处理器时域上将一个v o 分解成 v o p 的两个子流，其中一个被输入到m p e g 4 基本层编码器中，另一个输入到增 强层中；同时，中问处理器不执行任何转换，而是直接将解码的基本层v o p 输 入到增强层编码器中；增强层编码器则对接收到的数据进行时域预测。而m s d l m u x 和m s d ld e m u x 的作用是在空域上混合基本层和增强层v o p ，以产生更高 分辨率的增强输出。 如果使用空域扩缩编码，可扩缩预处理器将执行对输入的v o p 进行空域采 样，然后将数据输入基本层编码器，从而得到重构的v o p ；重构的v o p 接着被 输入到中间处理器中，在这里将执行空域上采样，以便得到更高的分辨率，并输 入到增强层编码器中。增强层编码器的同时接收中间处理器和预处理器传送的数 据。但这时，可扩缩预处理器产生的v o p 分辨率比输入到基本层编码器中的分 辨率要高。接着增强层编码器将参考重构的v o p 进行增强层的编码。增强层码 流用来增加图像分辨率，将q c i f 大小的图像转换为c i f 大小。此时若要求输出 q c i f 分辨率，只需要对基本层解码就可以了；如果要求输出c i f 分辨率，则需 要对基本层和增强层同时解码。 m s d ld e m u x 将混合的v o p 进行分解，产生对应的基本层和增强层码流分 别输送到基本层解码器和增强层解码器中；中间处理器这时将对进行可扩缩性解 码后的码流执行必要的采样转换操作，例如：基本层码流解码后经过空域上采样 输出等。最后再经过扩缩发送器将信息发送出去。 m p e g 4 图像编码包含3 个成分：i 帧，p 帧和b 帧。m p e g 4 编码过程中， 一些图像压缩成i 帧，一些压缩成p 帧，另一些压缩成b 帧。i 帧压缩可以得到 6 ：1 的压缩比，而不产生任何可觉察的模糊现象。i 帧压缩的同时使用p 帧压缩， 可以达到更高的压缩比而无可觉察的模糊现象。b 帧压缩可以达到2 0 0 ：l 的压 缩比，其文件尺寸一般为i 帧压缩尺寸的1 5 ，不到p 帧压缩尺寸的一半。i 帧 1 2 重庆大学硕士学位论文 23 g 移动通信网络压缩与传输的研究 压缩去掉图像的空间冗余度，p 帧和b 帧去掉时间冗余度。 i 帧压缩采用基准帧模式，只提供帧内压缩，即把帧图像压缩到i 帧时，仅 仅考虑了帧内的图像。i 帧压缩不能除去帧间冗余度。帧内压缩基于离散余弦变 换( d c t ) ，类似于j p e g 和h 2 6 l 图像中使用d c t 的压缩标准。 p 帧采用前向预测编码，利用相邻帧的一般统计信息进行预测。也就是说， 它考虑运动特性，提供帧间编码。p 帧预测当前帧与前面最近的i 帧或p 帧的差 别。b 帧为双向帧间编码。它从前面和后面的i 帧或p 帧中提取数据。b 帧基于 当前帧与前一帧和后一帧图像之间的差别进行压缩。 在空域扩展中，基本层编码和没有扩缩功能的编码相同，可以是线性的d c t 。 而在增强层中的v o p 则是以p - v o p 或者b v o p 方式编码的。在基本层和 增强层中v o p 的对应关系如图2 4 所示。在时间上和基本层i - v o p 对应的增强 层v o p 用b v o p 方式编码，在空域扩缩编码时，在基本层中解码的v o p 作为 预测的参考v o p 。用作参考的基本层中的v o p 必须在对应的增强层v o p 解码 之前先解码。 图2 4 空域扩缩编码 f i 9 2 4c o d i f yo fs p a t i a ls a l a b i l i t y 在空域扩缩编码时，不能使用直接编码模式。b v o p 中宏块可选择一下三种 模式编码：前向预测模式，双向预测模式与后向预测模式。模式选择规则为： i f ( s a d f o r w a r d d - c 一 b ，输出 的码元序列为1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 。 卷积码的解码方法有门限解码、硬判决v i t e r b i 解码和软判决v i t e r b i 解码。 其中软判决v i t e r b i 解码的效果最好，是通常采用的解码方法，与硬判决方法相 比复杂度增加不多，但性能上却优于硬判决1 5 2 d b 。 基于网格图的v i t e r b i 算法是一种最大似然译码算法，在适当的条件下为最 佳译码。此算法容易实现且性能优良，软硬件实现均可，既能采用硬判决也能采 用软判决。 2 1 3 2t u r b o 码 信道编解码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避 免的衰落问题。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能，与无编码 情况相比，传统的卷积码可以将误码率提高两个数量级达n l o - 3l o ，而t u r b o 码 可以将误码率进一步提高n 1 0 1 。t u r b o “”码因为编解码性能能够逼i 丘s h a n n o n 极 限而最后被采用作为3 g 的数据编解码技术。卷积码主要是用于低数据速率的语音 和信令。 t u r b o 码的原理”。”是基于对传统级联码的算法和结构上的修正，内交织器 的引入使得迭代解码的正反馈得到了很好的消除。t u r b o 的迭代解码算法包括 s o v a ( 软输出v i t e r