1、分布式视频编码及关键技术分析摘要：传统视频编码方案在编码端通常采用预测(帧内和帧间)、变换、编码等技术来挖掘其中的冗余信息、 ，实现视频的压缩。然而这些操作会给编码端带来大量的运算处理，导致对编码器要求很高。所以在编码端只能提供有限资源的情况下，比如无线传感器网络等轻型移动终端，这些处理方法就不能适用。这些处理方法就不能适用。针对传统视频编码方案的不足，分布式视频编码方案(Distributed Video Coding, DVC)通过将复杂的计算工作转移到译码端，能够达到减轻编码端运算复杂度的效果，将是解决这一难题很好的方案。 关键词：视频编码； 分布式视频编码； Slepian-Wolf；
2、 Wyner-Ziv 中图分类号：TN941.2 文献标识码：A 引言 Slepian 和 Wolf 于 1973 年提出了无损分布式信源编码理论即Slepian-Wolf 理论，1976 年，Wyner 和 Ziv 又提出了有损分布式视频编码理论。这两个理论分别从有损编码和无损编码的角度证明了对两个相关的信源进行独立编码联合解码得到的率失真性能都没有下降。视频作为信源的一个重要表达形式，这个理论就为分布式视频编码的实现提供了理论依据。在编码端，将相关的视频序列看成“独立的信源” ，进行单独编码，并将编码得到的信息比特和校验比特传送到解码端。在解码端，则可以利用充裕的资源以及图像巾贞之间的相关
3、性，通过已经解码的视频图像帧结合译码器的译码结果完成后续视频序列的解码。这种编码模式避免了传统视频编码标准下编码器由于利用图像序列之间相关性而采用的大量复杂的运算，如预测、估计以及插值等，并将这些复杂的工作转移到了解码端。这种编码模式满足了新兴多媒体技术对编码器的要求，适应于视频监控、灾区信息数据采集等很多特定、复杂的环境。分布式视频编码方案作为一种新的视频编码模式的优越性慢慢体现出来，越来越受到人们的关注。 一、分布式视频编码的理论 相关信源的编解码方式通常有两种: 联合编码联合解码。很多经典视频压缩标准如 H.26X 经常采用这样的的方式。利用图像序列之间的时间相关特性，编码端通过帧间预测
4、的方式来消除帧间冗余信息，达到数据压缩的效果；解码端则是通过加上编码部分冗余信息的方式来解压恢复数据。这样的编解码方式可以通过图 2.1 表示。 (2)独立编码联合解码。此模式即为 DVC 系统的工作模式。编码端对相关信源如图中 X 和 Y 进行独立编码，传送编码信息到解码端；解码端则利用图像序列之间的相关性对接收的编码信息进行联合解码完成图像重建。该模式如图 2.2 所示。 1、Slepian-Wolf 分布式无损编码理论 根据信息论知识可以知道对信源单独编码和单独解码，则只有在 RX _ H(X)和 RY _ H(Y)满足的条件下，才能对编码的信源信号 X，Y 进行无失真的解码恢复。其中
5、Rx, RY 分别为信源 X 和 Y 的编码码率(即每个码元所需的比特数目)，H(X)，H(Y)分别为信源 X 和 Y 的信息熵。如果 X, Y 亦为统计相关的独立无记忆信源序列时，对 X 和 Y 采用联合编码联合解码的方案，即首先对 X 进行独立编码；然后利用 X 作为 Y 的预测信息，对残差信息进行编码。依据香农定理，要实现无失真传输，即解码端对X 和 Y 实现无失真解码，则需要满足 RxH(X)，RY H(Y X) ，RX +RY H(X,Y)三个条件，其中 H(Y X)是在 X 为给定的情况下 Y 的条件熵，H(X, Y)是信源 X 和 Y 之间的联合熵。那么，如果对 X, Y 采用单
6、独编码联合解码的方案对码率会是怎么样的要求呢?1973 年，Slepian 和 Wolf提出 Slepian-Wolf 理论。该理论指出在编码端独立的编码，解码端联合解码的情况下，满足下面的约束条件，速率对 R=( Rx, RY)是可达的: RxH(X Y)，RYH(Y X)，Rx+RYH(X Y). 从上面可以看出，虽然对 X, Y 进行独立的编码，但是同联合编码一样，总码率 Rx+ Rt 可以与联合信息熵相等. 那么，存在一种编码方式，能使信源的误码率接近于 0，码率之和Ra + R 可以无限趋近于联合信息熵 H（X,Y） ，同编码端进行联合编码的结果是相同的。上述式表示的码率范围可由图
7、2.3 给出。 如 2.3 图所示， “可独立编解码区域”即为信源进行独立编解码的情况下，码率所能到达的区域。图中 B 点(A 点和 B 点相同)表示两个相关信源 X 和 Y，对其中一个信源 X 采用独立进行编码和解码，并且以码率 H(X)进行传输；而另一个信源 Y 则以 H(Y/X)的码率进行传输。解码端利用已经解码的信源以及它们之间的相关特性，对此信源进行解码，总码率也能达到 H(X,Y)。这种方案正是现在分布式视频编码方案普遍采用的方式。在这种方式下对关键帧采用独立的传统帧内编解码的方式进行处理；而对于非关键帧则只传输少量的校验消息，解码端利用已经解码的图像帧和编码端传过来的非关键帧的校
8、验信息，对非关键帧信息进行译码和重建。对于图中 C 点则受到对称式分布式视频编码方案研究者的更多关注。尽管 Slepian 和 Wolf 的理论可以追朔到上个世纪 70 年代，可是把Slepian . W olf 等人的思想转为实际的数据压缩算法是最近几年的事。不过，在 30 年前就有学者证明 Slepian Wolf 编码与信道编码是紧密相关的。例如：对于独立同分布二进制序列 X 和 Y，如果 X 和 Y 相似，设=XY,编码器端传输，在解码端，利用对边信息 Y 进行“纠错”得到 X。若 X 和 Y 很相似，则的大部分位置都为 0，花很少的二进制位就可传输，这样就能达到压缩的目的。 2、有损
9、压缩的 Wyner-Ziv 理论 无损压缩的 Slepian-Wolf 理论提出三年以后，Wyner and Ziv 提出了著名的有损 Wyner-Ziv 理论。该理论同时提出了解码端利用边信息(side information)的分布式信源编码的有损率失真理论。如图 2.3 所示，AD 段即为信源 Y 在以码率 H(Y)传输编码信息并且信源 X 存在失真的条件下，Rx 的取值区域。同样，对于独立同分布的相关信源 X 和 Y,表示编码端不能利用边信息 Y 但是解码端可以利用 Y 的条件下对信源 X 进行的重构见并且在允许失真为 D( D = E(d (X,)的情况下，X 需要的最小编码码率。(
10、D)表示允许失真为 D，编码端也能够获得的边信息 Y 情况下 X 所需的最小码率。Wyner-Ziv 理论指出，在编码端不知道边信息的情况下进行编码带来的率失真(D)(D)0，并且在信源是高斯无记忆信源以及 D 使用均方误差统计的情况下，进行编码带来的率失真(D)(D)=0，即与编码端得知边信息的情况下获得同样的率失真性能。后来证明了如果 Y 和 N 是相互独立，Y 服从任意分布的边信息，N 是高斯噪声的情况下，D 使用均方误差统计的条件下，X =Y+N，也有(D)=(D)。 对于典型的 Wyner-Ziv 视频编码方案，关键帧 K 帧通常通过传统视频编码标准的帧内编码、帧内解码的方式进行编解
11、码，而对于非关键帧WZ 帧的编解码则可以通过如图 2.4 来实现。Wyner-Ziv 编码方案与Slepian-Wolf 编码方案的唯一区别在于对 WZ 帧的编码是有损的还是无损的。因为大部分的压缩编码损失来源于量化过程，所以通过图 2.4 可以发现，Wyner-Ziv 编码方案其实就是在 Slepian-Wolf 编码方案之前加入了一个有损的量化器。WZ 首先经过量化，将量化之后的数据在送入Slepian-Wolf 编码器，在解码端利用已经解码的 K 帧生成 WZ 帧的边信息完成 Slepian-Wolf 解码，最后重建 WZ 帧。毫无疑问，此时恢复的 wz 帧即便完全正确译码，由于编码量化
12、损失导致解码结果和量化之前的 WZ 帧还是有区别的即是有失真的。由于 Wyner-Ziv 的有损信源编码理论更加具有现实意义，而被广泛应用于分布式视频编码之中，所以 DVC 案通常又叫 Wyner-Ziv 编码方案。 二、分布式视频编码的典型应用 1、视频监控 视频监控无处不在，一般用多个摄像头从不同角度对同一事件进行监控，摄像头将拍摄到的每一组视频进行编码，然后监控中心接收到编码，监控中心用一个解码器对所有视频进行解码。用 Wyner-Ziv 对捕获的视频进行低复杂度编码，解码端可以通过去除视频序列之间的相关性达到解码的目的。传统视频编码算法在编码突然出现的物体时带来的画面模糊及抖动情况。用
13、 Wyner-Ziv 进行编码的另一个好处是消除了 inter帧的带来的误差传播。 2、视频无线传感网络 随着网络技术和微电子技术的发展，无线传感网络成了一个新的研究热点，其主要功能是在给定的环境中，通过成千上万个传感器互相协作完成指定的任务。对于具有视频处理能力的无线传感网络，视频传感N 点(Video Sensor Nude,VSM)特点是编码器功耗低、复杂度低；编码器具有较高的压缩效率。 3、移动视频电话 分布式视频编码非常适用于点对点的移动视频通信。 移动电话的内存容量、计算能力、耗电量有限，Wyner-Ziv 编码的特点是解码复杂度高、编码复杂度低，在基站安放一个视频转码器，可以实现
14、在手机终端进行低复杂度解码，该转码器负责接收 Wyner-Ziv 视频流，并进行转换编码接收到的视频流，生成 H . 26X 或者 MPEG-X 视频流，然后传给接收端，接收端收 H . 26X 或者 MPEG-X 视频流后，按照传统方式对其进行解码，最终得到想要的视频信息。 结语 随着信息多媒体技术的不断发展和社会的不断进步，人们对信息的需求、获得、表达、交流、传输等在最近的二十多年内发生了巨大的变化。世界进入了一个信息大爆炸的时代。在所有多媒体信息中，视觉信息能够给人最生动、最直观的印象。分布式编码模式满足了新兴多媒体技术对编码器的要求，适应于视频监控、灾区信息数据采集等很多特定、复杂的环境。分布式视频编码方案作为一种新的视频编码模式的优越性慢慢体现出来，越来越受到人们的关注。 参考文献 1谢正光,包志华,徐晨,章国安. 分布式视频编码关键技术及其发展趋势J. 电信科学,2009,09:62-67. 2杜保国. 对分布式视频编码若干关键技术的研究D.中国科学技术大学,2010. 3张前进,郭雷. 分布式视频编码关键技术及研究进展J. 计算机应用研究,2007,08:17-21.
