分布式视频编码在视频压缩中的应用.doc

1、分布式视频编码在视频压缩中的应用摘要：随着网络和无线视频的发展应用，分布式视频编码逐渐得到了关注，本文就目前分布式视频编码的理论基础进行分析，阐述了分布式视频编码的基本原理，研究分布式视频编码技术在当前视频压缩中的应用，介绍了几种典型的分布式视频编码方法，并探讨了结论及研究的展望。 关键词：分布式视频编码编码理论视频压缩 中图分类号：TN941.2 文献标识码： A 一、引言 在视频压缩领域，长久以来都是使用传统的视频压缩方案，即由国际标准化组织(ISO/IEC)和国际电信联盟(ITU-T)这两个组织分别领导和制定的视频压缩编码，分别为 MPEG 系列和 H. 26x 系列。这些传统的视频编码

2、技术是基于混合编码的框架，通过帧间预测来利用相邻帧之间的相关性，在编码端主要运用运动估计和运动补偿算法来充分的挖掘视频信号的冗余信息，在通常情况下，编码复杂度一般是解码复杂度的 510倍，因此这种压缩方案非常适合于视频信号一次编码、多次解码的应用场合，例如视频广播、视频点播、视频光盘存储等。 但是随着科技发展新技术的出现，特别是移动多媒体通信及无线视频传感器网络等的应用，对编解码器的配置方案提出了不同的要求，即要在编码度上力求简单，而解码器可以具有较高复杂度的解码器。尤其在无线视频终端，如无线视频监控、移动视频电话、无线 PC 相机等，计算能力、内存容量都比较受限，视频的传感节点就要求编码器复

3、杂度度、功耗小，并具有较高的压缩效率。在这种情况之下，传统的视频编码技术已经不能满足应用，因此就产生了更适用的新型视频编码压缩技术分布式视频压缩。 分布式视频编码在编码端只需实现帧内编码，解码端却能实现帧间解码和运动补偿预测的复杂算法，能够实现较为高效的压缩，另外还具有耗电量低、抗误码特性好的特点，因此能够广泛适用于无线视频终端、密集型传感器网络等移动多媒体及数据通信业务。 二、分布式视频编码理论基础 分布式视频编码（Distributed Video Coding）建立在 70 年代Slepian-Wolf 的无损分布式编码信息论原理和 Wyner-Ziv 有损分布式编码理论的基础之上。 设

4、 X 和 Y 为两个统计中相关的随机独立同分布序列样本，对和 Y分别进行编码和解码时，在无失真信息时则传输率分别满足 RxH(X)及RyH(Y)，其中 Rx，H(X)，Ry，H(Y)分别为和的信息传输率和熵。若对和 Y 进行联合编码，则可利用和 Y 之间的统计相关性获得更好的效果，即 RxRy(X,Y)。 1、无损分布式编码的 Slepian-Wolf 理论 是指对相关的两个或者多个同分布的信源进行编码，每一个编码器发送一个单独的比特流到解码器，解码器利用信号间的统计相关特性，对所有编码的信源进行联合解码。 Slepian-Wolf 理论指出，当对长序列进行编码时，若允许存在任意一个小的解码错

5、误概率，则对和 Y 分别进行编码，然后进行联合解码即可获得与联合编码相同的信息传输率。这种方式就是分布式信源编码，它相当于只在解码端利用和 Y 的相关性。 Slepian-Wolf 理论确定了在无损分布式编码中信息传输率的下限，即 RxRyR(X,Y)，RxH(XY)，RyH(YX)。可见，若没有联合编码，只是联合解码的话，其总的信息传输率 RxRy 与联合编码时的情况是相同的。 2、有损分布式编码的 Wyner-Ziv 理论 Wyner-Ziv 在 Slepian-Wolf 理论提出后，在其原有基础上扩展到了有损情况，建立了解码端使用边信息的有损分布式编码率失真的理论。 设 X 和 Y 为两

6、个统计中相关的随机独立同分布的序列样本，取自样本空间 X,Y，两个序列可能有无限的符号集 和 ，分别代表信源数据和辅助信息信源。X 在编码时不能使用边信息 Y，但解码时可使用 Y；解码后得到 X，在样本空间 X 上的重建值 X，失真度为 DE【d（X，X ） 】 。Wyner-Ziv 率失真函数表示了在失真度 D 的约束条件下，分布式编码的码率下限。 三、分布式视频编码在视频压缩中的应用 1、分布式编码理论的应用 Slepian-Wolf 理论提出的很早，但是其实际的应用是在近些年才出现，但很快的促进了其应用技术的发展。Slepian-Wolf 编码类似于通道编码，而目前大多数的分布式编码技术

7、都源自于通道编码的思想。最早的研究是使用标量和 trellis 集构造的方法，对与统计相关的二值高斯信源进行研究，来分析解码端辅助信息的信源编码的非对称情况；随后又研究了对相同码率信源 X 和 Y 的对称编码方式。其后又对高斯信源的非对称编码使用嵌入式 trellis 集编码结构来进行研究，并获得了更好的实验结果。之后有更复杂的通道编码技术应用于分布式信源编码,如使用贝叶斯网络、维特比解码器、turbo 码、LDPC(Low-DensityParity-Check)码等。 Wyner-Ziv 编码理论与 Slepian-Wolf 编码一样，也是在近些年才被投入到实际应用。Slepian-Wol

8、f 编码理论和 Wyner-Ziv 编码理论分别提出了无损压缩情况下和给定失真度压缩情况下的信息传输率下限，但并未设计出实用的编解码器设计方案。近些年提出了一些实用的分布式编码技术，其中大部分应用于视频压缩与容错视频传输，被称作分布式视频编码技术。而这种分布式视频编码技术的主要是以 Wyner-Ziv 编码理论为基础，因此也称为 Wyner-Ziv 视频编码技术。 2、分布式视频编码的实现方法 目前的视频压缩标准不再实行传统的编码需求，因为编码端内存和计算量太少导致编码端的计算量远大于解码端；而是转向编码端简单、解码端复杂的编码形式。运用 Wyner-Ziv 编码理论，在这些视频编码系统中，各

9、帧独立的进行编码，而在解码时进行有条件解码。这样在编码时只需采用帧内编码，使编码器的复杂度大大降低，而在解码端进行运动估计和运动补偿。 2.1 基于变换的编码方法 Wyner-Ziv 编码器开始研究如何实现变换编码，一种方法是对Wyner-Ziv 帧进行 DCT 变换，再将变换系数进行量化；另一种是对Wyner-Ziv 帧及辅助信息信源都进行 DCT 变换。这些方法不像之前在非分布视频编码方法中广泛采用的正交变换编码，而是意在改变传统方法中先对信源矢量进行分解得到谱系数，再分别进行标量量化和熵编码的方式。 2.2 基于像素的编码方法 这种编码方法是对基于像素的帧内编码器与帧间解码器进行结合，然

10、后进行视频压缩。是在源图像的序列中分间隔地提取一组帧作为关键帧，这些关键帧的编解码均采用传统的帧内离散余弦变换的编码方法；在这些关键帧之间的其它帧叫做“Wyner-Ziv 帧” ，它们在编码器端采用帧内编码的方法，在解码器端采用帧间的编码方式。这种基于像素的Wyner-Ziv 编码器与传统的运动补偿预测编码方法相比虽然性能略有下降，但复杂度大大降低了。 2.3 联合解码和运动估计 在传统的视频编码技术中，运用的是将编码帧与一个或多个参考帧直接进行比较，得到最优运动矢量的方法，运动补偿是用在编码端。而在分布式视频编码中，是通过 Wyner-Ziv 帧进行 DCT 变换后的量化系数计算校验码，并将

11、其传输到接收端；将运动补偿用在解码端，并且进行联合解码，从而极大的提高了 Wyner-Ziv 编码器的压缩效率。 四、结语 在用于视频压缩时，分布式视频编码的率失真性能要好于传统的帧内编码，还可以克服帧间编码固有的一些帧间错误传播问题，并且可以将大部分的运算转移到解码端，使编码器复杂度降低，非常适合新的视频压缩应用。 本文介绍了分布式视频编码理论及其应用的一些初步研究，作为一种视频编码的全新技术，具有很多传统编码技术所没有的优势。但要使这项技术能够实现广泛的应用，还必须对各种应用领域的特点进行深入细致的分析，并结合应用的具体环境采用合适的编码方法，这样才能实现分布式视频编码在移动多媒体和数据通信领域应用的广阔前景。 参考文献： 1 王安红.分布式视频编码研究D.北京交通大学 2009 2 侯萌洁.分布式视频编码中的信道建模及边信息改进算法研究D.北京邮电大学 2011 9 明阳阳.关于分布式视频编码的研究D.北京邮电大学 2012