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70网络视频编码技术
第26卷第9期2005年9月;通信学报;Joumal;0n;Vbl.26No.9;Colnmunic砒ions;S印teInb盱2005;网络视频编码技术;柳薇,马争鸣;(中山大学电子与通信工程系,广东广州510275;摘要:随着视频信息在网络上的应用需求的日益广泛和;文献标识码:A;文章编号:1000.436x(2005)09.0;Vide0codingt
第26卷第9期2005年9月通信学报Joumal0nVbl.26No.9Colnmunic砒ionsS印teInb盱2005网络视频编码技术柳薇,马争鸣(中山大学电子与通信工程系,广东广州510275)摘要:随着视频信息在网络上的应用需求的日益广泛和迫切,适合网络传输的视频编码技术成为了现在研究的一个热点,文章旨在综述网络视频编码技术的发展历程。详细介绍并对比了目前主要的网络视频编码技术:传统的视频编码技术在传输中的应用,视频的可扩展性编码以及视频的多描述编码,最后进一步阐述了未来网络视频编码技术可能的发展方向,分析了综合运用各种编码技术的可能。关键词:视频编码;可扩展性编码:多描述编码中图分类号:TN919文献标识码:A文章编号:1000.436x(2005)09.0085。08Vide0codingtechniquesfornetworksLIU(E1ectronicsW西,MAUniZheng―111ingv.,Gu粕gzhou510275,China)D印t.,ZhongshanAbst豫ct:Duehas tomeincreasingdemandsonvideoservicesoverIntelllet'video-codingtecllIliquessuitablefbrnetworkstIldywasdrawnⅡemendousattentioninbomacademiaandindus翻【y.ThepurposeofofvideocodingtechniquesoursuIrmlarizingmedevelopingschemeswefornetworks.Wegaveonap锄iculardescriptionofmeprimagVideocodingoVerIntemet.WeputemphasisscalablecodingtechniquesalldMDcodingtechniques.Afbrdescfiption,madecomparison,andfurulerdiscussedmepossibilityofmecombinationofmesetechniques.Keywords:Videocoding;scalablecoding;MDcoding1引言数字通信技术在20世纪90年代得到了飞速发用户提供足够的带宽。②由于网络的异质特性(heter。geneity),即视频服务器与用户终端之间的网络连接既可能是宽带网络,也可能是像电话线这样的窄带网络,即使同一个用户的连接速度也会由于网络状态的变化而经常发生变化。这要求视频服展,主要体现在IP网、无线移动通信和多媒体业务上。随着视频技术和网络技术的发展,视频信息在网络上的应用需求日益广泛、迫切,越来越多的用户希望用PC和非PC设备通过互联网和无线网来进行视频通信和服务,这种随时随地的视频通信和服务对当前的视频编码技术提出了更大的挑战。视频的播放是有严格实时性要求的,要求在特定的时间间隔内将特定的数据单元解码显示,这就要求网络务器能够根据用户的连接速度提供最好质量的服务。③一些网络结构(如Intemet等)无法提供多媒体业务所需的QoS保证,目前Intemet上的主要协议UDP和TCP并不适合传输多媒体业务。而绝大多数的多媒体业务都是实时业务,它们对服务质量(OoS)有相当高的要求,然而,在beste仃ort网提供足够的带宽、有保障的时延和丢失率。但现在网络的实际情况则是:①网络带宽的增长并不同日益增长的视频应用成正比,也就是不可能为所有的络上传输多媒体流,它们的QoS既不可控制也不可预测。网络传输过程中的数据包的丢失对传输视频的影响尤其严重。在编码过程中为了提高编码效收稿日期:2004―10.08:修回日期:2005.07,07万方数据 通信学报第26卷率,视频流的每一个比特都有极其严格的定义,不用说丢失一个数据包,哪怕是一个数据位的错误都会造成大量的视频流不可解码,从而降低了解码图像的视觉质量,并且这种错误还能通过视频编码固有的运动补偿影响到后面许多帧的图像质量。以上3个问题是网络视频应用面临的主要挑战,目前的研究工作可以分为两个大的方面:其一,发展更具灵活性的视频编码方案,一方面进一步提高视频数据的压缩效率,使得信源编码输出的数据量尽可能的少,以适应网络最低传输带宽的要求;另一方面寻求适合网络传输的视频编码方法,使编码出的视频流能自动适应传输信道的带宽变化,对数据包丢失和差错有容忍性和恢复能力。其二,必要的错误控制技术的研究,由于高压缩比的视频数据对传输过程中的误码和丢包非常敏感,因此,必须有合适的错误控制技术来保证在用户端得到的视频失真最小。本文主要围绕第一个问题详尽介绍面向网络的视频编码和传输技术。2传统视频编码技术在传输中的应用 传统视频编码技术以达到最大编码效率为目的,通过去除视频信息的空间冗余与时间冗余来实现视频流的压缩。传统的视频编码为实现网络上视频数据流的传输,提高视频流适应网络带宽变化的灵活性,提出了一些技术上的改进,主要有以下四种方案。2.1最小传输(minimumtmnsmission)传统视频编码技术为了解决视频传输带宽不足的问题,实现网络上视频数据流的传输,最简单的方法是最小传榭1l,即使用传统的视频编码方案,按带宽最低的用户的接收条件由编码器产生视频码流传送给用户。实现这种最小传输码流的方法有两种:一是在信源编码时增加视频编码器量化步长使输出码流码率满足最小带宽要求;二是在时域上减小帧率,实现输出码流码率满足最小带宽要求。当然也可以两种方法联合考虑,无论哪种方法,一旦码率确定,通常不会改变。最小传输可以保证所有用户都能得到视频,但是带宽足够的用户也只能观看质量很差的视频,带宽利用率极其低。2.2自适应编码(adaptiveencomng)在一些实时视频应用中,采用一种自适应的视频编码【l】方法,就是根据网络环境的变化来自动调整编码器的参数,使得输出码流的码率适应网络变万 方数据化的编码方法。该技术由两个不可分割的部分组成,即自适应视频编码和自适应传输控制技术。自适应视频编码的目的是在给定码率的情况下获得最佳编码质量,一般通过调整量化参数,宏块编码模式和帧频率来实现。而最简单有效的方法是调整量化参数。例如视频编码的H.263+标准,通过大量的典型试验建立网络带宽和量化参数的映射表,根据所需的视频发送速率查询对应的量化参数,从而实现速率自适应的视频编码。在低码率传输环境下,H.263+,H-264还可以通过跳帧(1jrames虹p)改变帧率,与调整量化参数相结合,能获得更好的码率适应性。现在很多的码率控制算法不只是用到帧水平,为了获得准确的码流输出并提高编码质量,很多研究报告显示将码率控制算法用到宏块层或视频对象(videoobject)层,即同一帧中的各个宏块或不同的视频对象的量化参数可以不伺。自适应传输控制技术能动态探测网络的带宽变化,采用有效的传输控制策略使视频发送速率与网络带宽相适应。自适应编码通常采用RTP舢DP/IP协议,发送方将压缩数据流划分成RTP协议包发送给接收方,接收方监测RTP数据包的传输时延和丢包率,通过R]四协议中的RTCP协议将网络传输情况反馈给发送方,发送方根据网络带宽情况调整数据发送码率使之与网络环境相匹配。典型的带宽估计方法包括两种:基于探测与基于模型的方法。基于探测的方法是一种由发送方发起的算法,发送方接收用户方反馈的时延、丢包率信息,自动调整视频流的发送码率。根据发送方调整码率策略的不同,基于探测的控制算法分为A蹦D(additiveincreaseaIldmul卸licativedecrease)方法和M刀ⅥD(multiplicativeincreaseandmultiplicatiVedecrease)方法。基于模型的方法是直接根据建立的网络传输模型来估计网络带宽,然后依据估计的结果改变视频编码器输出码流的码率。自适应编码可以对带宽的变化做出响应,从而避免网络拥塞。可用于视频会议,视频实况点播,视频监控等场合。但自适应编码对服务器要求很高,当用户增加时,服务器开销太大,较难用于实际系统,而在视频点播(VOD)等应用中,编码与传输是分开的,自适应编码也用不上。视频转码(transcoding).20世纪90年代后期,视频转码囝是网络上多媒2.3体传输的核心技术之一,成为了视频编码领域的一第9期柳薇等:网络视频编码技术个研究热点。视频转码指的是将视频信息由一种编码格式转换为另一种编码格式。视频转码有两种形式:一是在将视频码流换为同一视频编码标准速率较低的码流;一是将视频码流转换成另一种标准压缩的视频码流。由于视频转码器具有动态调节视频编码参数的能力,这为解决网络的异质特性(hetem―genei哪)和网络带宽的动态变化提供了可能。视频转码的应用框架大致可分三类:客户一转码代理一服务器、一点对多点和视频会议。前两种框架中,在客户和服务器中间都插入了转码代理服务器,以完成服务器中的压缩视频数据到适合终端客户的视频数据的转换。在视频会议系统中,多个与会者连接到中央服务器(称为MCU,multipointcon拄olunit)上,由MCU接收各与会者的视频流,并合并压缩成单一视频流,再返回到各与会者。视频转码系统的典型体系结构有三种:基于像素域的级连式体系结构、基于像素域的快速级连转码体系结构和基于DCT域的转码体系结构。基于像素域的级连式体系结构是视频转码最简单的实现方式:将收入压缩视频流完全解码,然后再按照输出格式的要求直接压缩成输出视频流。实际相当 于一个完整的解码器和一个完整的编码器的级连。基于像素域的快速级连转码体系结构在编码器中使用输入视频流中的运动矢量,从而使计算量大为减少。基于DCT域的转码体系结构在DCT域计算获得运动补偿块的DCT系数,使计算量进一步减少。基于DcT域的转码体系结构使用范围比较受限制,一般适用于低速运动(或无运动)的视频序列。视频转码的关键技术主要是如何减少转码的计算复杂度,增加转码的灵活性。主要技术有:如何减少运动估计的复杂度,如何减少DCT系数的计算量,帧速率和帧类型的转换等。视频转码比自适应编码的复杂性低,但服务器开销还较大,大量用户同时点播时,服务器依旧不能承受。2.4码流切换(bitstreams、】lritching)目前主要的商业视频流系统的核心技术都用到了码流切换技术。这种技术是在服务器中将一个视频流压缩成不同码率、不同质量的多个拷贝,服务器根据用户网络带宽情况动态地选择一个适当的码流发送给用户。由于视频压缩的预测编码,在不同的码流间切万 方数据换有可能会导致编码端与解码端的参考帧不同,从而引起解码的误差(称为mfterr0?r),并且这种误差将随着预测编码传播到后续的预测编码帧。为了预防误差的产生,码流切换的切换点一般选择在I帧,所以各个码流需要周期性地进行帧内压缩编码,但这样将导致编码效率的降低。不过现在已经涌现了许多在预测编码帧进行码流切换的方案”巧J,使得编码效率和码流切换的灵活性有了进一步的提高。各个视频流的码率是可以预先调整的,以适应网络QoS的动态变化。码流切换技术可以和多播(multicast)结合在一起成为联播(simulcast)的技术,这种技术的基本思想是将同一段视频节目编码成多个码率不同的压缩视频流,将这几个视频流用独立的多播通道发送到网络,用户根据自己的需求和网络服务质量选择某一个视频流,随着网络带宽的动态变化,用户可以在这几个视频质量之间切换,接收到最接近他们带宽的视频流,达到动态调整的目的。目前主要的商业视频流系统(Realsystem、WindowMedia、QuickTime)主要采用的都是联播技术。码流切换在一定程度上解决了用户和网络的异构问题,其优点是服务器的计算复杂度很低,缺点是需要较大的存储空间,带宽利用率低。带宽利用率低是因为要同时向网络发送一个节目的不同码率的多个拷贝而造成的。很显然,视频被编码成不同质量的码流数目越多,该方案带宽对网络动态变化的适应性就越好,但同时,对服务器的存储空间和管理能力要求就越高。2.5传统视频编码技术小结传统视频编码技术的主要优点是编码效率比较高,而其主要缺点是传输码流码率的变化缺少适应网络动态变化的灵活性。即使一些编码方案为了提高视频流适应网络带宽变化的灵活性,进行了技术上的改进,如转码技术和码流切换技术,但这些只能算是一种折中方案,因为这种灵活性的提高是以增加视频服务器开销或增加存储量作为代价的,存在这种问题的根本原因是传统视频编码方式主要应用于当时结构简单的网络。现今的网络结构复杂多变,宽带网、窄带网,多种形式的网络并存,为了适应当今网络的特点,新的面向传输的视频编码技术得到了快速的发展。下面,我们将详细介绍这些新的网络编码技术。通信学报第26卷3视频的可扩展性编码技术可扩展性视频编码技术是一种新的面向传输的主要的视频编码技术,目前已得到了快速的发展,能够比较灵活地适应网络的动态变化。3.1分层可扩展性编码简介视频信息分层可扩展性编码和传输的原理是:对某一特定分辨率的视频数据流进行累加层次编码,把它按质量分为若干等级,每个层次的数据流独立传输。分层编码将视频信息(或其它信息源)编码成基础层和增强层。基础层(BL)优先级最高,该层的信息保证最低等级的质量要求;各增强层(EL)信息逐渐提高媒体的质量,最好的质量由所有的数据流集合提供。根据优先级可以对某些数据进行智能丢弃。例如,在实际应用中,即使丢失增强型的数据,接收端仍然可以保持可观看的视频质量。由于视频数据的优先级不同,利用这个特点,就可以采用非均等保护(uEP,unequalen.orprotection)的方式,或者按优先级进行传递等方式对视频数据进行可靠传递。因此,可伸缩编码可以很好地同支持差分服务(DiffSen,)等不同QoS方 式的网络匹配。图1给出了包含基础层和两个增强层的编解码情况。由图可以看出,每个解码器都必须收到基础层,所以基础层具有最高优先级。解码器0收到基础层就可以解码出最低质量要求的信息;增强层1具有第二高优先级,解码器1必须同时收到基础层和增强层1才可以解码,得到中等质量的信息;增强层2优先级最低,解码器3收到所有层才可以解码输出最高质量的信息。分层编码图1分层编解码示意图作为网络视频传输的主要压缩编码方式,分层编码技术早己成为国际视频压缩标准的一部分。蔼箝MPEG一2是最先提出视频分层编码的国际标准,协议中包含DP(datapanition),SNR分层、空间分层(SS)、时间分层(TS)四种分层编码模式。实际应用中可以根据需要混合使用这些分层编码技术。以下以MPEG一2视频压缩标准旧1为例,对一些万 方数据主要的分层可扩展性编码方式做个简要介绍。3.1.1MPEG一2数据分割(DP)图2给出了编解码的框图。编码器对已编码的MPEG一2视频流先进行熵编码的逆变换(VLD,variablelengtlldecode)得到量化后的DcT系数。然后根据数据分割系数PBP(prioritybreakpoint)将这些系数分割为基础层部分和增强层部分。非分层码流基础层增强层非分层码流(a)编码框图(b)解码框图图2MPEG.2DataPanition编解码DP分层编码是MPEG一2四种分层编码模式中最为简单的一种。但在信道差错严重时,差错传播严重,而且只能依靠频繁插入帧内编码帧来减少差错传播。该方法的另一突出问题是基本层码率的可调节范围小。3.1.2MPEG一2SNR分层图3给出了编解码的框图。可以看出基本层的编码相当于普通的不分层的视频编码,对DCT变换得到的系数进行粗量化,然后进行熵编码,这样得到基本层的数据流。而增强层则对基本层的量化误差进行精细量化,熵编码,这样得到增强层的数据流。输入视频(a)编码框图高质量增稿昆解码输出码流(b)编码框图图3MPEG.2sNR分层编解码第9期柳薇等:网络视频编码技术在基础层预测编码时用到基础层和增强层的信息,因此,SNR分层编码技术压缩效率很高。在相同的码率下,MPEG.2的4种分层编码方法中,该方法可获得相对较好的整体视频解码质量。但如果发生丢包或数据错误,出现的差错传播将会很严重。另外,由于基本层和增强层允许不同的量化矩阵,SNR分层编码生成的每一层的码率在很广的范围内可以很精确地控制。3.1.3MPEG一2空间分层SS分层编码由基本层和增强层两个编码器组成,如图4所示。基础层编码器对空间抽样后的低分辨率的视频进行普通的视频压缩编码,得到基础层码流。增强层也类似于普通的非分层的编码器,不过它带有权重器(weighter),根据预测因子w决定增强层进行预测时所用的信息。预测是用到的信息可以是增强层前一帧的图像信息,可以是当基础层前帧经过插值得到的参考图像,也可以是两者的结合。 (a)编码框图(b)解码框图图4MPEG一2SS分层编解码万 方数据3.1.4MPEG.2时间分层图5给出了TS分层编解码的框图。分离器(temporaldemultiplexer)将输入的视频信号按帧或场分成两个低时间分辨率视频流。一个码流输入到基本层编码器进行普通视频编码,增强层利用基本层的解码信息对另一码流进行编码,增强层的预测编码有图6所示2种方式。(a)编码框图高时域分辨率输出(b)解码框图图5MPEG.2Ts分层编解码增强层基础层(a)增强层用到基础层的解码图像进行双向预测(b)增强层用本层与基本层的信息进行预测编码图6TS分层增强层预测编码方式包含各类专业文献、应用写作文书、幼儿教育、小学教育、行业资料、各类资格考试、文学作品欣赏、中学教育、专业论文、70网络视频编码技术等内容。 
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倪江群教授
倪江群教授&&教育和工作背景□ 1998.6 获香港大学电机与电子工程系博士□ 0.10 中山大学和广东省电信科学技术研究院博士后工作站□ 现为中山大学电子与通信工程系教授,博士生导师研究兴趣□ 小波/Filter Bank理论及其应用□ 多媒体信息处理和多媒体通信□ 数字水印和信息隐藏□ 数字电视系统□ 现代电信网络、3G/4G无线通信系统□ 嵌入式系统及应用研究生招生□ 博士研究生专业 - 通信与信息系统研究方向1.多媒体信息处理与多媒体通信2.信息隐藏和数字水印新方法及应用欢迎电子、通信、计算机、自动化、应用数学、计算数学或其他相关专业人士报考□ 硕士研究生专业 – 通信与信息系统1.多媒体信号处理与通信2.通信网主讲课程□ 研究生课程:数字通信II、数据通信□ 本科生课程:无线通信原理及应用、现代通信技术主要科研项目□ 主持的科研项目1. 阿尔法磁谱仪(AMS)轨迹探测器热控制系统的研制(TTCS)—电子子系统,2003年国际科技合作重点项目计划(国科外函[号),国家科技部/广东省立项说明:本项目属于丁肇中教授领导的大型国际合作项目“阿尔法磁谱仪计划”的一部分,AMS-TTCS的其他国际参与者包括美国麻省理工学院(MIT)、瑞士日内瓦大学、荷兰航空航天局(NLR)。TTCS系统将随整个AMS-02磁谱仪一起在国际空间站上工作,是磁谱仪热控制系统的一部分。中山大学参与研制的热控制系统是国内大学参加AMS-02项目中唯一在太空运行的装置。2.基于模型的鲁棒和安全水印新方法研究,国家自然科学基金3.基于模型的鲁棒和安全水印关键技术研究,广东省自然科学基金4.XXX系统电子控制系统研制,国防预研项目5. 基于模型的鲁棒和安全水印若干关键问题的研究, 广东省信息安全重点实验室开放基金6. 基于HFC网的宽带互动多媒体信息系统及支持多接入方式的视频/因特网浏览终端,广州市科技局攻关项目7. 基于数字水印的有线数字电视播出监控平台的研制,中山大学985二期项目8. 宽带多媒体应用技术研究,企业委托9. 宽带IP视频会议系统,企业委托□ 以主要参与者身份参与多项国家和省部级基金,包括国家自然科学基金和国家863计划等近期主要论文和著作1. An Adaptive Image Watermarking Algorithm Based on HMM in Wavelet Domain, ACTA AUTOMATICA SINACA, Vol.31, No.5, September, 2005, pp:705-712.(一级学报,EI)2. 基于小波域HMM模型的稳健多比特图像水印算法, 软件学报, 第16卷,第7期, 2005年7月, pp:.(一级学报,EI)3. 分层多描述视频编码及其在差错网络环境下的仿真研究, 通信学报, 第26卷, 第7期, 2005年7月, pp:129-135. (一级学报,EI)4. 基于内容自适应的优化DWT-HMM稳健图像水印算法, 通信学报, 第28卷, 第2期, 2007年2月. (一级学报,EI)5. CAN通信协议及其硬件实现, 通信学报, 第29卷,第5期, 2008年5, pp:107-113. (一级学报,EI)6. Content-Adaptive Robust Image Watermarking with Posterior HMM-based Detector, IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, Vol.E91-A, No.08, Aug. 2008.(SCI)7. 结合Zernike矩和模板具有RST不变性的DWT-HMM鲁棒图像水印算法, 中国图象图形学报, 第13卷,第7期,2008年7月,pp: .8. 基于GSM模型的扩频水印安全性分析, ACTA AUTOMATICA SINACA, 已接受.(一级学报,EI)9. 一种改进的多用途KAEDF半色调图像水印算法,通信学报,已接受,2008年9月. (一级学报,EI)10. HMM-Based Informed Watermarking Optimized with Joint Coding and Embedding, IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology, submitted after revision.11. Model-Based Multirate Kalman Filtering Approach for Optimal Two-Dimensional Signal Reconstruction from Noisy Subband Systems, Optical Engineering, The Journal of SPIE, Aug., 1998. (SCI)12. Watermarking Security Incorporating Natural Scene Statistics, IH2008, LNCS 5284, pp.132-146, 2008.(信息隐藏领域顶级国际会议, 15页长文, 计算机科学类期刊和会议综合评分1.3, top 12 % of 1200)13. A Modified Kernels-Alternated Error Diffusion Watermarking Algorithm for Halftone Images, Proc. of IWDW 2007, LNCS 5041, pp.382-394, 2008 .(该文同时获得2007年全国信息隐藏年会CIHW最佳论文)14. Robust and High Capacity Image Watermarking Based on Jointly Coding and Embedding Optimization, Proc. of Information Hiding, IH2007, LNCS4567, Springer, 2008. (信息隐藏领域顶级国际会议,15页长文,计算机科学类期刊和会议综合评分1.3, top 12 % of 1200)15. A GA Based Joint Coding and Embedding Optimization for Robust and High-Capacity Image Watermarking, Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), April, 2007. (EI)16. A Rotation-Invariant Secure Image Watermarking Algorithm Incorporating Steerable Pyramid Transform, Lecture Notes in Computer Science: Proc.of IWDW 2006, Vol. 4283, pp: 446-460, Springer-Verlag. (SCI) 17. Performance Enhancement for DWT-HMM Watermarking with Content-Adaptive Approach, Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP), pp: , September, 2006. (EI)18. A Robust Multi-bit Image Watermarking Algorithm Based on HMM in Wavelet Domain, Lecture Notes in Computer Science: Proc.of IWDW 2005, Vol. 3710, pp: 110-123, Springer-Verlag. (SCI)19. A RST-Invariant Robust DWT-HMM Watermarking Algorithm Incorporating Zernike Moments and Template, Lecture Notes in Artificial Intelligence: Proc.of IIH-MSP-05, Vol.3681, pp: , Sep., 2005, Springer-Verlag. (SCI)联络方式实验室地址:中山大学东南区241号二楼电话:020-Email:
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