视频编码与纠删码协同编码框架的研究

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从1984年CCITT公布第一个视频编码标准以来,经过不懈的努力,最新一代的编码标准H.264/AVC应运而生。H.264/AVC视频编码技术的最大优势首先是具有很高的数据压缩比率,在同等图像质量的条件下,H.264的压缩比是MPEG-2的两倍以上;其次H.264视频编码容错能力强,在编码阶段和传输阶段都采用不同技术手段保护数据的质量,例如在H.264视频编码技术中,创新的提出了灵活的宏块次序、运动估计和运动补偿等。纠删码是一种数据保护方法,这种方法将数据分成块,根据特定的算法对块进行编码,编码后的块产生冗余,将块和冗余存入不同的节点,当用户对数据提出请求同时数据当中的某节点失效时,可以通过解码算法将数据恢复。这种技术广泛应用于分布式文件系统和具有将数据分块特性的系统中。随着纠删码技术的成熟和广泛应用,很多人将纠删码技术同视频编码技术结合起来解决数据传输过程中数据丢失的问题,这些工作大多是将重点集中在视频编码后和网络传输前,利用纠删码对视频数据包进行编码保护。根据不同帧的重要程度给予不同的纠删码保护策略。但是这种做法相当于用编码时间的延长换来了数据的质量保证。虽然确保了数据质量,但是不能保证视频数据的实时性。同时被编码的视频数据包比较大,故采用纠删码后的编码效率不高。为了保证数据质量的同时,提高数据的实时性,针对这个迫切需求本文深入分析了H.264视频编码中量化后数据的特点,同时分析了纠删码中典型的RS码的矩阵编码特点,根据编码矩阵在编码过程当中的相似之处,将视频编码(Video Coding, VC)过程和纠删码编码(Erasure Coding, EC)过程进行结合,提出了VC和EC的协同编码框架。同时针对视频数据与纠删码数据在网络中的传输问题设计了类NALU对纠删码数据进行传输。类NALU的传输过程与视频数据的NALU传输过程类似。同时,利用了H.264视频数据传输中的冗余字段对纠删码数据进行传输。这样既保证了视频质量,同时又没有增加额外的数据量,网络中的流量可以保持平稳。本文采用应用最普遍、最广泛的PSNR(Peak Signal to Noise Ratio,峰值信噪比)作为评鉴画质的量测方法,采用xiph.org中的Video Test Media作为数据样本,对采用本协同编码框架的视频进行评价。同时针对网络环境进行了模拟,通过NISTNet对网络进行丢包模拟实验,同时建立丢包模型。测量结果表明,本文提出的方法,在保证视频编码性能的同时,缩短了编码时延,提升了视频质量,降低了视频编码与纠删码结合的复杂度,为视频编码与纠删码的协同编码提供了新的角度。
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