基于Ａｄ ｈｏｃ網絡的聯合多描述分層編碼新方法

摘要:提出了一種基于Ad hoc網絡中視頻傳輸的自適應插入過渡幀的聯合多描述分層編碼(AFI－MDLC)新方法。該方法根據相鄰幀的相對運動自適應地插入過渡幀，然后將視頻序列分成兩個描述子，描述子獨立分層編碼后，生成各自的基本層和增強層，每個描述子具有獨立的預測環路。多路徑傳輸策略用于AFI－MDLC數據傳輸，同時利用ARQ反饋信道狀態，實時調整傳輸策略。實驗結果表明，該方法與以往方法相比，能夠有效地緩解誤匹配問題，幫助解碼器快速從隨機錯誤或突發錯誤中恢復，提供更加穩定的重建視頻質量。

關鍵詞:多描述; 分層編碼; 無線自組織網絡; 多路徑傳輸

中圖分類號:TP311文獻標志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0572－03

0引言

Ad hoc網絡是一種無固定基站#65380;動態可建結構的無線網絡[1]，因其布站方便#65380;可移動性強等特點，引起研究者們的廣泛重視，并用于許多領域。與傳統無線傳輸網絡相比，Ad hoc網絡除具有更高的傳輸誤碼率，其網絡拓撲結構也經常發生不可預測的變化，這給視頻傳輸帶來巨大的挑戰。同時，Ad hoc 網絡中，所有節點間能以任意方式動態相連，使得信源和信宿間建立多路徑成為可能。Ad hoc網絡的這一多路徑傳輸的特點可有效用于視頻傳輸，以應對Ad hoc網絡的復雜傳輸環境。

分層編碼和多描述編碼已被廣泛證明是兩種有效的用于視頻通過有損網絡傳輸的方法。分層編碼是將視頻序列分成一個基本層和多個增強層[2，3]。基本層的正確接收可以保證一個可接受的視頻質量;每一個增強層的正確接收可以進一步改善視頻質量。用戶可以根據自己的帶寬容量定制一定的層數，得到一定的視頻質量。在網絡帶寬動態變化的情況下，擁塞的節點可以丟棄增強層，以保證基本層的可靠傳輸。但增強層不能獨立解碼，它需要在基本層可靠解碼的基礎上才能解碼。這就要求基本層的可靠傳輸，可以通過加強前向錯誤保護(FEC)和自動重傳(APQ)實現。

與分層編碼相似，多描述編碼也將視頻信號分成多個子比特流，每個比特流被稱為描述子[4，5] 。與分層編碼不同的是，每個描述子之間相互獨立。在解碼端，每個描述子可以獨立解碼，一個描述子的正確解碼可以得到可接受的重建視頻質量，多個描述子可以增進視頻質量。多描述編碼的這個特點使得多描述編碼相比分層編碼，在有損信道傳輸視頻時具有更加穩健的性能。

分層編碼和多描述編碼的特點激發研究者尋找一種有效的編碼方法，能充分利用分層編碼和多描述編碼的特點，保證視頻在Ad hoc網絡條件中可靠傳輸。為此，本文提出了一種視頻傳輸的自適應插入過渡幀的聯合多描述分層編碼(AFI－MDLC)新方法。多路徑傳輸策略用于AFI－MDLC數據在Ad hoc網絡中傳輸[6]，同時利用ARQ反饋信道狀態實時調整傳輸策略，以利于在Ad hoc網絡中的可靠傳輸。

1系統結構

1.1系統概覽

圖1顯示了本文方法的系統設計結構。來源于照相機或存儲設備的原始視頻流經過多描述編碼器的描述子劃分部分形成兩個描述子，分別通過分層編碼器生成基本層和增強層比特流，每個描述子具有獨立的預測環路;然后生成的四個子比特流分別打包后，由多路徑分配方案分派至不同的Ad hoc網絡路徑，傳送至接收端。Ad hoc網絡路徑間相互獨立，具有獨立的誤碼概率。傳輸過程中有數據包丟失時，接收端通過ARQ發送否定應答信號給發送端;發送端根據包丟失情況確定路徑傳輸方案。假設反饋信道是無損信道，同時假設反饋信息足夠小，傳輸時間可忽略不計。如果無傳輸錯誤，兩個描述子正確重建，解碼并合成為視頻流輸出;如果一個描述子正確重建，也可以解碼形成可接受的視頻質量，帶來的結果是幀率的降低。

1.2自適應插入過渡幀的描述子劃分方法

多描述編碼中的描述子劃分是一個關鍵性問題，直接影響到系統的整體性能。文獻[5]將原始視頻流中的奇幀和偶幀平均劃分到兩個描述子中，這種劃分方法僅在目標或背景慢速運動的情況下有效。當序列中存在快速運動時，這種平均劃分會增大相鄰兩幀宏塊間的運動矢量值，從而導致編碼器頻繁地選擇宏塊幀內編碼模式，使得碼流速率的波動性很大。此外，如果大的運動矢量發生錯誤，重建視頻的質量會受到嚴重影響，譯碼器想從這個錯誤中恢復非常困難。本節提出了一種無線信道下傳輸視頻新的描述子劃分方法。該方法根據相鄰幀的相對運動自適應地插入過渡幀，再將視頻序列分成兩個描述子。相對運動越大，插入的過渡幀越多。該方法增大了運動視頻序列的相關性，既能夠提高一個描述子丟失情況下重建視頻的質量，又能夠有效緩解相鄰幀運動矢量大造成的碼率起伏問題。具體的劃分方法如下:

a)確定過渡幀插入準則

定義SAD為描述相鄰兩幀之間運動大小的參數:

b)確定過渡幀的計算和插入方法

計算過渡幀可以有三種方法:采用相鄰兩幀的均值作為過渡幀;拷貝前一幀;拷貝下一幀。

考慮到算法的復雜度，描述子劃分是在視頻編碼器進行運動估計之前完成的，因此沒有任何視頻序列中宏塊的運動估計信息。同時，序列中的運動往往非常復雜，如場景切換#65380;單目標運動#65380;多目標運動等。如果直接用相鄰兩幀的均值作為過渡幀，可能會給視頻編碼帶來很大的誤差甚至錯誤，因此本文采用拷貝前一幀或拷貝下一幀的方法計算過渡幀。

假設FMVj表示第j幀相對于第j-1幀的宏塊運動參數，且FMVj=NSADi>T′SAD/NMB，則過渡幀插入算法可描述為:如果FMVj>FMV(j+1)， 則在第j幀之前插入第j-1幀的拷貝;否則在第j幀之前插入第j幀的拷貝。

1.3多路徑傳輸方案

原始視頻流經過描述子劃分單元和分層編碼器后產生四個子比特流。其中包括第一個描述子的基本層比特流MDBl1和增強層比特流MDEl1#65380;第二個描述子的基本層比特流MDBl2和增強層比特流MDEl2。傳輸方案單元分配不同的網絡路徑給四個子比特流。筆者稱這四條傳輸路徑分別為P1#65380;P2#65380;P3和P4。因為Ad hoc網絡無固定基站，Pi(i=1，2，3，4)是由路由協議隨機分配的四條網絡路徑，傳輸不同包時路由的動態改變忽略不計。假設P1(n)#65380;P2(n)#65380;P3(n)#65380;P4(n)分別代表四個子比特流的第n個包通過四條傳輸路徑。多路徑傳輸策略可描述如下:

a) 經由路徑P1和P2傳輸MDBl1和MDEl1，而由路徑P3和P4傳輸MDBl2和MDEl2。

b)如果P2(n-1)或P4(n-1)丟失，則意味著MDEl1或MDEl2出現錯誤，傳輸方案不進行調整。因為兩個描述子的基本層比特流正確接收，視頻流才可正確解碼。

c)如果P1(n-1)或P3(n-1)丟失，傳輸方案進行調整。停止傳輸MDEl1或MDEl2，用路徑P2或P4代替MDBl1的P1(n-1)或MDBl2的P3(n-1)。

d)因為四條傳輸路徑是隨機選定的，存在連續丟包的可能。假設最大突發錯誤限制在兩個包長度內(合適的包的長度的選擇可以滿足這個假設)。如果MDBl1或MDBl2發生兩個包丟失，如P1(n-1)和P1(n-2)丟失，那么傳輸方案進行調整，即停止傳輸MDEl1或MDEl2，用路徑P2或P4代替P1(n-1)和P1(n-2)。

2仿真結果

本文采用標準測試序列football和mobile(352×240像素/幀，30 fps)來驗證本文方法的有效性。MPEG4的FGS編碼技術用于生成基本層和增強層比特流。每個描述子的第一幀是I VOP，接下來的幀是P VOPs;兩個描述子的基本層的總碼率為256 kbps，每個基本層為128 kbps。TMN8率控制算法用于基本層比特流。有限狀態的離散馬爾可夫模型用于仿真Ad hoc網絡無線節點。假設一條路徑包含h個節點，第n個包(包長ln)傳輸通過該路徑，其第一個比特在時刻t通過第一個節點。假設該節點的比特錯誤概率(BER)為P(t)，則第n個包通過第一個節點的丟包率為Pn1(t)=1-∏lni=1[1-P(t+i-1)]。那么第n個包在t時刻開始通過所有h個節點的丟包率為Pn(t)=1-∏hk=1[1-Pnk(t+(k-1)×ln)]。

假設用于傳輸AFI－MDLC 子比特流的四條路徑包含有三個節點。三狀態的馬爾可夫模型用于仿真這些節點。狀態的丟包率分別為P0=1，P1∈10-5，10-3#65379;，P2=0。這說明每個節點可以完全被毀或是無誤碼，或是有極低誤碼率P1。

本文方法對于丟失幀，通過評估正確接收到的相鄰兩幀(屬于另一描述子)的運動矢量，采取運動補償插值的方法，以幫助解碼端盡快從錯誤中恢復。

圖2顯示了多描述分層編碼(MDLC)方法和本文提出的AFI－MDLD方法在丟失一個幀情況下的仿真結果。從圖中可以看出，幀丟失時，兩種方法均帶來PSNR的嚴重下降，但本文方法可以更快地停止錯誤傳播和從錯誤中恢復。相比MDLC方法，本文方法可以得到最多2 dB的PSNR增益。

相比MDLC方法，本文的方法自適應加入的過渡幀會增加多描述編碼中的冗余信息，但由于該方法增大了相鄰兩幀之間的相關性，壓縮比例與以往算法相比并沒有明顯的降低。表1顯示了兩種方法的算法冗余。

圖3顯示的是在相同試驗條件下，LD#65380;MDC[5]#65380;MDLC和AFI－MDLC方法的仿真結果。PSNR值是100幀PSNR值的平均值。從圖中可以看出，當有效網絡帶寬較低時，AFIMDLC方法明顯優于其他幾種方法。這說明本文方法在對抗丟包方面具有更好的優勢。然而，隨著網絡有效帶寬的提高，也即丟包率下降了。該方法的仿真結果劣于MDC，但仍優于LD和MDLC方法。

4結束語

本文提出了一種適于Ad hoc網絡視頻傳輸的自適應插入過渡幀的聯合多描述分層編碼(AFI－MDLC)方法。根據Ad hoc多跳無線網絡特點，多路徑傳輸策略用于AFI－MDLC數據傳輸。試驗結果表明，該方法與以往方法相比，能夠快速幫助解碼器從隨機錯誤或突發錯誤中恢復，提供更加穩定的重建視頻質量。

參考文獻:

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