網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)及其差錯(cuò)和碼率控制問(wèn)題研究.pdf

1、視頻編碼技術(shù)日新月異，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)流媒體點(diǎn)播，視頻監(jiān)控，VCD，DVD，數(shù)字電視廣播等領(lǐng)域。視頻編碼的壓縮效率不斷提高，適用范圍越來(lái)越廣。視頻技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)的交叉又產(chǎn)生許多待研究的領(lǐng)域。本文的工作正是在這樣一個(gè)視頻編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下展開(kāi)的，旨在對(duì)視頻編碼及其網(wǎng)絡(luò)傳輸中若干關(guān)鍵性的問(wèn)題做一些研究。本文的研究?jī)?nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)體系架構(gòu)；魯棒的視頻編碼和傳輸系統(tǒng)；視頻差錯(cuò)掩蓋算法；視頻編碼中的碼率控

2、制算法。 文中首先概述了視頻編碼的現(xiàn)狀和遇到的問(wèn)題并簡(jiǎn)要回顧了MPEG-4和H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容。接著考察一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)的構(gòu)建。在這里，我們研究了網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)的構(gòu)成及其支持協(xié)議，在深入研究MPEG-4和IETF各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)架構(gòu)。此架構(gòu)基于MPEG-4視頻、系統(tǒng)，DMIF標(biāo)準(zhǔn)和RTP協(xié)議，支持差錯(cuò)控制和碼率控制，并支持多對(duì)象、多媒體流并發(fā)和多種媒質(zhì)類型。以后各章的研究以此架構(gòu)為平臺(tái)并對(duì)其若干

3、組成部件作改進(jìn)以提高總體性能。 視頻在信道傳輸?shù)倪^(guò)程中可能出現(xiàn)多種形式的差錯(cuò)，差錯(cuò)的出現(xiàn)輕則影響觀看質(zhì)量，重則導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，因而必須妥善處理。傳統(tǒng)的差錯(cuò)控制算法往往導(dǎo)致接收端的不兼容或引入大量編碼冗余或?qū)π诺烙刑厥庖?如要求反饋信道可用等)。我們提出一個(gè)抗丟包的視頻編碼和傳輸系統(tǒng)VC3MV(VideoCodingwith3setsofMotionVectors)，它包含對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)視頻系統(tǒng)三部分(位于發(fā)送端的視頻編碼器，網(wǎng)絡(luò)接口

4、(打包器和解包器)以及接收端的視頻解碼器)的改進(jìn)。改進(jìn)的視頻編碼器比普通的編碼器產(chǎn)生兩套額外的運(yùn)動(dòng)矢量；網(wǎng)絡(luò)接口利用RTP協(xié)議的語(yǔ)法字段實(shí)現(xiàn)兼容性的要求；改進(jìn)的接收端采用特別的解碼邏輯處理不同的差錯(cuò)模式。實(shí)驗(yàn)證明它可以減輕丟包的影響并提高顯示質(zhì)量。與傳統(tǒng)方案比較，本方案有高效、低延時(shí)、低復(fù)雜度的特點(diǎn)并能保證接收端的兼容性。 如果沒(méi)有編碼端的參與并且沒(méi)有反饋信道，在差錯(cuò)發(fā)生后接收端往往只能利用差錯(cuò)掩蓋算法改善觀看質(zhì)量。差錯(cuò)掩蓋主要

5、利用源視頻內(nèi)容中存在的空域和時(shí)域冗余，其中視頻差錯(cuò)掩蓋主要利用時(shí)域冗余。經(jīng)典的視頻差錯(cuò)掩蓋算法如邊界匹配法(BMA，BoundaryMatchingAlgorithm)往往不能處理好邊界處象素值緩變的情況。我們提出改進(jìn)的邊界匹配法(IBMA，ImprovedBoundaryMatchingAlgorithm)和改進(jìn)的MBMA算法(IMBMA，ImprovedModifiedBoundaryMatchingAlgorithm)，通過(guò)計(jì)算基

6、于二階差分的邊界匹配值改進(jìn)傳統(tǒng)的BMA法和MBMA法。實(shí)驗(yàn)證明該方法可以更準(zhǔn)確地恢復(fù)運(yùn)動(dòng)矢量并能較好地處理邊界處象素值緩變的情況，從而獲得較好的恢復(fù)效果。最后我們指出IBMA和IMBMA可以看作基于頻譜分析的運(yùn)動(dòng)矢量恢復(fù)方法的特例。 在考察差錯(cuò)傳播的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的累積和放大現(xiàn)象?，F(xiàn)有的差錯(cuò)掩蓋算法均不能很好地解決這一問(wèn)題。我們提出利用后向更新的差錯(cuò)掩蓋方法。通過(guò)對(duì)象素差錯(cuò)水平的跟蹤和后向運(yùn)動(dòng)估計(jì)的方法，由后向前更新解碼幀

7、并降低差錯(cuò)水平。該方案分為前向解碼/差錯(cuò)掩蓋和后向更新兩個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)證明可以顯著提高GOP后部幀的重建質(zhì)量。碼率控制關(guān)系到視頻的質(zhì)量和信道帶寬利用率。傳統(tǒng)的碼率控制算法往往平等對(duì)待時(shí)間上先后順序不同的幀，而在我們提出的新的碼率分配方案中將優(yōu)先考慮位于GOP前部的幀。另外，采用固定量化值改變范圍的方案往往使編碼碼率長(zhǎng)時(shí)間偏離目標(biāo)碼率，為此我們提出一種動(dòng)態(tài)量化參數(shù)變化范圍的方案使編碼碼率盡快逼近目標(biāo)碼率，可以提高GOP前部的編碼幀的質(zhì)量。實(shí)