速率自适应选择段分配给可靠的无线视频传输

文摘

一个可靠的视频通信系统,提出了基于数据分区特性的h / AVC,用来创建一个分层流,LT编码擦除保护。该方案称为速率自适应选择段作业(RASSA)是一种自适应低解决不同信道条件。方案的结果的比较也提供slice-partitioned h / AVC数据。仿真结果表明该方案的竞争力相比,优化不平等、平等错误保护解决方案。仿真结果也表明,高视觉质量视频传输可以维持尽管不同信道条件的不利影响,可以减少解码失败的数量。

1。介绍

可靠的实时无线视频通信正在增加的重要性作为小说丰富的多媒体应用程序部署。由于无线信道是容易出错,需要提供强大的错误控制机制。前向纠错(FEC)编码是更可取的选择重传实时无线应用程序通常不是一个可行的解决方案。另一方面,错误恢复视频编码方案通常出现在一个错误的视频性能降低成本环境和提高视频编码的复杂性。

应对包下降,擦除保护数字喷泉码(1)被证明有效的解决方案。喷泉码(2,3)最近的选举委员会的多播/广播应用程序代码最初提议应对网络中数据包的损失。喷泉码在non-time-constraint rateless和应用程序可以根据需要生成尽可能多的编码数据包。额外的数据包传输的数量是必要的冗余解码成功,可以应对不同的信道条件调整。在带宽有限的无线网络是很重要的保持引入冗余降到最低。因此,而不是针对最糟糕的信道条件下,冗余应根据不同信道条件通过自适应地调整信源通道动态编码。LT码(2)是第一个提出一类实用的喷泉码。虽然“猛禽”代码(3)通常提供更好的性能,LT码用于本文由于其设计和实现简单。但是请注意,LT码的译码复杂度较高(每个源信息比猛禽编码消息长度),。

h .先进的视频编码(AVC) [4)是最先进的视频编码标准实现显著的压缩效率和获得广泛使用在新兴通信标准和应用程序。当传输h / AVC视频在无线频道,由于信道特性的显著波动,视频编码在一个固定的(即源速率和冗余。LT编码符号)添加到避免误差的影响。通常,为简单起见,整个视频块保护同样使用同样的错误保护(保留)。

另一种方法是分类编码内容基于重建的重要性和不同数量的冗余分配到不同的类使用重要性不等错误保护(UEP)。例如,intracoded帧可以比inter-coded的保护。

另一个选择是使用一个更高的源编码速率和不断适应源速率的不同通道带宽下降的一些框架,以保证信道编码率足够低。这个关节可以结合燃灯源信道编码选项来领导一个简单的自适应速度与UEP提供解决方案或更复杂,但是优化的保护。

在本文中,我们提出了速度自适应选择段作业计划(RASSA)并比较其性能的固定率燃灯和固定源率UEP来源。我们采取错误弹性和隐藏功能,旨在使视频更不容易遭受数据丢失的影响,然后在一个更高的压缩视频源率允许一些解码错误。特别是,在本文中,我们研究数据分区和切片。

数据分区(DP) [4)是一种低成本的错误弹性特性,扩展支持的AVC概要文件,可以利用h / AVC引入分层结构。h / AVC的DP特征有效地重视视频流通过划分成不同的类别的重要视频重建与一个非常小的惩罚而AVC标准没有错误恢复能力。

除了DP,可以一帧分割成固定数量的片,这是不同的对视频重建的重要性。因此,类似于DPs,切片可以聚合为不同的优先级类,与高优先级类包含片有更高的重建贡献。这样的优先级可以使切片视频数据服从UEP和适应。

很多工作已经完成信源通道进行联合编码;参见[5)审查。域的rateless源信道编码,在6),一个类不平等的错误保护代码,称为扩展窗口喷泉(EWF)代码,用于UEP可伸缩的视频。在[7),不平等的保护提出了视频通信通过复制的信息符号和延长原LT学位分配到新的信息符号。在[8),提出了不平等的增长代码随着接收的数据包数量的增加,每个新编码符号需要的程度增加,因此得名“增长代码。DP AVC视频编码的自适应rateless编码提出了在9]。该系统使用intracoded宏模块在每一帧(MBs);一些额外的冗余数据应用到正在进行的数据包流。相比之下,本研究使用了一个IPPP……结构,其中每个共和党被当作一个源块LT编码。本研究的贡献是(1)分析优化燃灯和UEP方案DP的传播和切片h / AVC视频和鲁棒性的通道失配的场景和(2)一个rate-adaptive优化带宽有限的无线频道和有限的资源设备的解决方案。

尽管LT码用于仿真部分,建议的解决方案可以应用于其他rateless包丢失保护代码。方案提出了解码视频即使rateless解码失败使用分组信息。这是成为可能通过videotable包含DP的译码器类型和大小的信息。因此,DPs的全部或部分数据丢失被丢弃在h .解码器试图解码数据。重要的是要注意,如果没有这些信息解码会失败在遇到这种缺失的数据。

视频数据便于分层编码视频的分割可能优于h .可伸缩视频编码(SVC)扩展10)在某些应用程序中,因为它符合AVC标准,提供了可伸缩性,和更健壮的输出比SVC包丢失。该方案可以应用在多播情况下与异构的接收器,在这种情况下,接收方可以终止接收和解码后段的接收的数据兼容它的处理能力和内存。

剩下的纸是组织如下。部分2封面的背景DP、切片和LT擦除保护编码。在部分3和4,提出系统和提出率分配算法描述,分别。结果与分析部分5。最后,结论和未来的研究方向中包含部分6。

2。背景

在本节中,我们给背景误差弹性h / AVC和擦除保护编码使用。h / AVC格式的视频数据在网络抽象层(NAL)单元使其被各种渠道。每个视频帧封装在一个单独的NAL单元。h / AVC提供了许多errorresilience选项减少数据包在传输过程中丢失的影响。接下来,我们简要概述这篇论文使用的两个选项。

2.1。数据分区

一个低成本的选择是DP (4,11)支持一个框架的分区/片在三分区(NAL单元),基于视频编码的语法元素的重要性对视频重建(见图1(一))。DP一个包含最重要的数据包括切头、量化参数和运动向量。DPB包含intracoded宏模块(MB)的残留数据,和迪拜C包含inter-coded MB剩余数据。这importance-based分区允许分配不同的保护级别不同的分区。DP的解码一个总是独立的DPB和C。然而,如果DP一个丢失的分区不能利用。DP的解码B独立的DPC限制内部预测(CIP)参数h / AVC编码器设置。一个NAL单元的损失会导致误差传播后帧由于帧间依赖。

2.2。切片

另一个方案中可用切片(基线配置文件4),使帧分割成两个或两个以上的独立编码的部分,称为片。每个片在一个框架可以有固定数量的分配MBs或固定的数据速率。每个编码片独立解码了;然而,片有不同的贡献(重要性)视频重建。因此,安排他们贡献的降序片重建可以用来提供一个适合UEP分层的视频流。

DP低开销,其结构是事先决定的,而切片通常要求一片组地图。

2.3。LT码

第一个实践类的喷泉码LT码(2]。LT编码器可以产生无限的编码符号从一组有限的源符号。随机编码符号是通过选择获得统一d不同的源符号及其位XOR-ing。的程度d每个编码的符号是i.i.d.来自一个离散型概率分布Ω(d)称为程度分布。LT码设计使用健壮的孤子程度分布渐近capacity-achieving结合迭代Belief-Propagation LT译码器(2]。值得一提的是,许多rateless编码实现中,如系统的3 gpp猛禽代码(12),不使用的信念传播算法,而是采用矩阵运算。

LT译码器收集接收到的编码符号和试图恢复原始符号。译码器需要知道源符号的程度和位置,已被组合在一起,形成编码符号。符号编码的译码器继续处理程度,恢复源符号,然后XOR-ed与它连接的所有符号和相应的LT码图的边缘切除。这一过程持续进行直到解码成功或停止与错误(2]。

2.4。UEP方案

为了使UEP,视频数据分为两段/层根据视频重建它的重要性。直觉上,我们把重要的数据,也就是说,印尼盾和DP一个,总是在所谓的高优先级层(HPL)。另一层一层被称为低优先级(LPL)包含重要数据。

UEP方案是基于不同的概率选择的HPL。注意,相同的rateless代码用于保护HPL和LPL和UEP是通过概率选择发射器的每个输出符号是否应该来自HPL或LPL流。因此,而不是两个不同的固定码率,我们使用软代码率通过定义选择HPL概率。如果我们增加HPL的选择概率,提高其鲁棒性的价格降低LPL的鲁棒性。此外,重要的是考虑优先级层的相对大小。选择的概率一层必须至少对应于它的相对大小。此外,分配所需的选择概率高于HPL可能是有益的情况下,更多的保护是必需的。

3所示。提出了系统

在本节中,我们描述该系统部分编码视频并提供平等或不平等的错误保护。首先,我们描述一个系统,形成一个分层输出使用DP特性。然后,我们目前的系统代替DP利用切片。

3.1。保护DP-Based AVC视频

每个non-IDR帧的视频数据分为三个数据分区的h / AVC编码器。IDR帧没有分区,他们总是把HPL。这个分区数据需要启用UEP聚合在一起。分段视频的结构如图1。DP图中显示一个,B,C与我一起。(注意,第一个非框架来标示,,等等。)接下来,我们优先考虑分区和集团所有DP, Bs, Cs在一起有效地形成三个部分或层如图1 (b)。注意,只接收I /瞬时解码器刷新(IDR)框架和DP,译码器仍然能够解码n帧内的图片(共和党),尽管在降低质量。进一步细分并不局限于做只在总体分区边界。也就是说,如果所有印尼盾和DP一个发送的第一段,然后任意数量的DP吗B和DPC在第二段可以选择分区来传输。值得注意的是,这只会为pre-encoded视频工作。

这给了灵活性,使细粒度分层结构大量的重建速度点可用,它可以匹配信道的统计信息与非常好的控制视频重建质量。DP的B和DPC由于已经聚合已经在他们的优先秩序重建。层的重要数据(印尼盾和DP…)称为HPL,而剩下的数据放置在LPL。在该方案,intra-refresh MBs不习惯,而是周期性的帧被假定。

分段数据分区下受独立选举委员会的规范应用于每个共和党保护。

为了实现UEP,每一部分应该根据其重要性使用不同数量的冗余保护符号。符号的大小是70字节。完成,联邦选举委员会编码过程增加了一个重要的最初的一步,那就是,首先选择一个段的编码符号是由生成的“选择概率”一段,这是一个预先指定的参数根据不同的细分市场的重要性和可用的数据速率。经过一段被选中时,执行传统的编码在源代码包中包含的特定部分。因此,而不是定义一个UEP方案作为一组利率每段(一个),我们相当于定义了一组选择概率。这类似的方法6]。原因实际层数的UEP通常局限于两个或三个。

注意,UEP计划分配冗余部分基于它们的重要性。最优分配速度不仅取决于信道特征也在视频数据以来的重要性和大小段不同从共和党共和党。因此,UEP必须动态地改变和优化配置为每个共和党需要发现,预先录制的视频仅是实际可行的。注意,在极端情况下当带宽非常稀缺或丢包率高,这通常是在移动无线场景中,最优选择的概率低优先级的领域将是零,所有冗余分配高优先级段,确保他们成功的解码。

出于这一点,针对有限的无线应用程序可用带宽和高损失率,我们引入了另一个名为RASSA方案的计划。RASSA方案是一个特例的UEP利用DP的分层编码的灵活性和切片。首先,给定一个丢包率和总率估计预算,系统计算所需的开销(因此也源数据的数量),允许无错传输有高概率(w.h.p)。然后,数据从左边的图1 (b),剩下的源数据就会被丢弃。这种方式,通过分配方案丢弃一些低优先级的数据零选择概率,增加保护更重要的数据。

因此,这个方案是不限制在有两个或三个部分/层,和任意数量的DPs /片可以选择启用一个非常灵活的速率控制。例如,鉴于渠道统计,我们可以提供足够的冗余部分包含DP一个和B和DP的一部分C在译码器回收w.h.p。未选中的低优先级数据(剩余DP Cs)只是丢弃。注意,整个发送源块将解码,或解码会失败,在这种情况下,前共和党用于重建。

RASSA可以被视为一个UEP方案,因为它只保护一个编码数据和丢弃其余的一部分,但也保留,因为它提供了平等保护所有源数据发送。这个方案的一个直接优点降低复杂性,因为只有一个代码,在UEP一般要求每一层都有一个代码,并且不需要复杂速度优化。事实上,一旦信道估计损失率,所需的编码速率,并基于可用带宽(总预算)决定放弃一些NAL单元不能适应总预算。

UEP计划要求每个类型的DPs LPL聚合在一起。将此信息传递给解码器,我们提出一个视频编码器的创建表结构。生成的视频编码h / AVC编码器与DP用于创建与每个条目video-table NAL单元及其长度。NAL单元的数量每共和党通常是小(64),因此表可以方便地传递到译码器在一个头与微不足道的加息。包轴承头将与HPL运输。如果HPL丢失,那么无论如何不可能视频解码。

在接收机端,使用video-table结构重新排列DPs原有编码顺序。桌子上还用于丢弃NAL单元缺失的数据。这是,因为一个DP / NAL可以发送多个数据包,如果一个包丢失整个DP下降。同时,恢复DPB和DPC如果DP帧的下降一个框架没有恢复正常。

参与有微不足道的延迟将解码的DPs原有的秩序。聚合的DPs只是限于优先层。例如,如果迪拜一个和DPB都在HPL,然后他们将继续留在原来的编码顺序。

3.2。保护片AVC视频

在我们以前的工作(13),我们建议和测试方法,分段sliced-AVC输出到多个领域重要性的基础上重建切片。例如,我们可以形成两个优先级类片更重要,这有助于峰值信噪比(PSNR)级别以上固定阈值,提出了HPL, LPL和所有其他。然后,上面描述的方法保护(UEP燃灯,RASSA)可以应用于优先数据没有修改。

我们使用的编码视频序列切片与每一帧分成固定数量的片。每个薄片的优先级是通过删除它从共和党数据和测量产生的PSNR值,作为整个共和党的一帧一帧平均,通过实际解码。针对编码延迟,该计划是为了pre-encoded视频。这也考虑后续帧的误差传播效应由于早先失去一片框架。,共和党的累积PSNR值是衡量每个片下降反过来从第一个P帧。每个切片后获得累计PSNR值(下降),full-decoding PSNR的共和党的区别在于测量。片的重要性通常总frame-averaged PSNR下降是我们走向结束的共和党。因此,我们可以切割成多个优先级层和分配一个更高程度的保护重要层相比,包含不那么重要的层片。这样分层可以优先与UEP数据传输方案。将片分配给不同层次的细节可以在[13]。

4所示。率分配

在本节中,我们讨论三提出的速率分配优化方案。我们假设DP完成;然而,同样的,速度分配可以做切片。

让N预算是一个给定的总速率表示为数据包的总数/符号,可以为每个共和党传播。视频编码使用DP h / AVC形成四段,印尼盾,DP一个,DPB,DPC或两类片。我们假设每一个部分都可以任意截断。让K源编码数据包的总数/符号。

我们考虑三个方案:(i)生成的燃灯计划N包使用所有K源数据包通过网络和传输;(2)UEP计划,组织源数据l层从IDR重要性;例如,我们可以l= 4,每个四段形成一层;(3)一个第一RASSA方案源数据包生成N传输数据包。

假设视频pre-encoded,K是固定的,而不是优化的一部分。然后,燃灯计划总是使用一个(N, K)代码,因此不需要优化。

一个l层UEP方案可以描述的l元组和,在那里和代表了选择概率和数据包的大小,分别的层我。然后最优率之间的分配l层可以通过最大化预期的PSNR的重建 在哪里的概率是没有恢复层,的概率是我层可以恢复但不层我+ 1,所有层的概率是可以恢复成功。任务是找到l元组和最大化预期的PSNR值,在所有可能的l元组π和。可以获得实验或一些选举委员会的代码估计分析每个π,和每个信道条件和独立的来源。为简单起见,假设设置先验的视频编码器是常有的事。事实上,它是自然组一起包从一个段。例如,对于l= 3,印尼盾和DP一个可以放在一层,DPB在另一个和DPC在最后一层。注意,每个段的大小是由视频编码器,而不是优化的主题。问题可以进一步简化通过最大化预期收到相反的PSNR值 在哪里第一个数据包的数量我层和= 0。这种方式,优化独立源的内容,只取决于总率、损失率层大小和渠道。有许多方法提出有效地完成这两个优化任务(见[5,6)和引用)。

RASSA方案,回想一下K生成的源代码包,选择一个受保护的(N, )信道编码传输之前。优化问题简化为以下。传输数据包的总数N和丢包率问,任务是找到源发送数据包的个数这样,所有源数据包可以解码w.h.p。注意,确定意味着使用通道代码(N, )。一个gain, the expected PSNR or the expected number of received source packets is maximized, given by 分别在哪里P成功的解码和PSNR值的概率是₀和PSNR值₁重建的PSNR如果解码失败或成功,分别。表示源发送的数据包的数量RASSA方案。请注意,P取决于问和,可以发现实验或分析。的确,对于最大距离可分码,P的概率是收到的数据包数量至少是吗,然后 可以解决数值。

在下一节中,我们将比较的结果率和PSNR-optimized RASSA燃灯和优化方案的UEP方案。

5。结果和分析

我们测试保留的鲁棒性,优化UEP, RASSA计划当丢包率问和数据率N有所不同。我们展示的有效性提出接近使用DP和切片特性。模拟执行使用h / AVC软件JM 16.2 [14]。共和党大小为16帧使用IPPPP……结构。我们报告两个视频序列的结果“巴黎”和“足球。“罚款由于DP和这些序列切片为0.1 dB。

5.1。DP AVC传输

我们假设视频已经在一个固定利率使用DP pre-encoded分成固定长度段印尼盾,DP一个,DPB,DPC。数据在每一段形成源符号/数据包大小70字节的LT编码过程,这是一个很好的性能和复杂性之间的妥协。IDR框架放在第一个NAL单元和它不分区。CIP用于使DP的解码B独立的DPC。每个non-IDR帧被划分到迪拜一个,DPB,DPC。

分区的PSNR值贡献的相对大小和前共和党CIF格式“巴黎”和“足球”视频序列如表所示1。我们考虑一个两层的UEP计划第一,HPL,包含选择分区,更重要的,第二,LPL,包含其余分区。描述的UEP方案UEP (,),和代表数据包从HPL和LPL的选择概率,分别可以找到最优解所示部分4。

在表中2和3我们展示的分类DPs和由此产生的LT包,“巴黎”和“足球”序列,分别。

FEC编码后,一个编码符号(RTP / UDP / IP报头)一起放在一个IP数据包进行统一和吉尔伯特损失模式平均损失率为5,10,15种,占20%。吉尔伯特模型平均突发长度是5。我们假设使用报头压缩,因此一个4字节的头。基础数据率设置为1000 kbps,并先后获得更高的利率增加大约10%额外的符号,一个利率高于基准利率的1.5倍。

模拟执行使用一片每帧的帧速率每秒25帧(fps)。所选方案为每个共和党与100年模拟运行。在整个共和党失去了的情况下,获得了PSNR值使用之前的最后一帧解码共和党替换所有帧的失去了共和党。

我们报告结果保留和UEP方案并比较他们与两个优化RASSA方案获得的结果:SS-PSNR和SS-Rate方案。结果帧平均PSNR性能五选择配置1.1 mbps的选定的丢包率如图2和3,“巴黎”和“足球”序列,分别。“Opt-UEP”表示的方案优化为每个数据包损失率。从图可以看出3,燃灯计划的性能是最差的。UEP计划变得更好的性能与HPL保护。UEP(60岁,40)执行更糟比UEP(80年,20)因为保护变得分歧片段和没有足够的保护。SS-PSNR执行最好的方案。“足球”序列的性能优化的UEP计划SS-PSNR的非常接近。类似的结果具有相同参数如图2如图4破裂的损失。

结果显示PSNR性能的五个选择配置在10%丢包率不同的数据率如图5和6,“巴黎”和“足球”序列,分别。燃灯计划的性能逐步得到更好更高的数据速率。SS-PSNR和SS-Rate提供可靠的和一致的性能在所有的数据率。UEP(80年,20)仅限于30 dB在图5即使在更高的利率,因为迪拜C是没有得到足够的保护。有趣的是,在最高速度燃灯计划比优化的UEP计划,由于缺乏DP性能损失。在图7破裂通道模型的结果。

6。切片AVC传输

在本节中,我们提出我们的仿真结果与切片特性。为简单起见,我们考虑的情况下l= 2层:HPL包含更重要的切片和LPL包含重要片(13]。使用了相同的视频参数在前面的小节。

数据包的大小,数量,导致PSNR值“巴黎”视频序列如表所示4。

结果如图8和9并确认与DP方案进行了分析。SS-PSNR是最好的方案。UEP方案,除了UEP(45、55)在图9,大约有24分贝遭受HPL的过度保护。这是因为HPL大小只有约43%的共和党的大小。这突出表明的重要性考虑HPL大小虽然UEP方案设计。燃灯计划变得比UEP方案在高数据率。图10显示了结果的破裂损失模型。类似的结果获得了“足球”序列。

7所示。讨论和未来的工作

尽管DP和切片已经证明,使有效的分层视频数据传输,与DP视为更好的结果。DPs的大小和数量是由编码器生成的。数据的优先级为不同的分区从而优化,可以很容易地用于创建不同的速度点。切,另一方面,更灵活,因为它允许更好的分层结构。此外,在DP相比,切片在基线AVC概要文件是可用的。然而,仿真结果表明小DP-based方案slicing-based相比的优势,特别是在高丢包率。

不同的编码方案的性能与分段h / AVC视频数据进行了分析。分段数据可以选择适合可用的数据速率和信道条件。UEP方案在保留一些利率只有提供更好的性能。RASSA方案可用于匹配的可用传输视频数据的瞬时信道条件。它结合了最好的燃灯和UEP计划提供更好的和可靠的视频质量即使在最糟糕的信道条件。的传递video-table解码器是一种低成本的解决方案“全或无”的解码。注意,假设视频pre-encoded,因此最好的方法匹配源速率与信道速率DPs的选择性下降一些,这是在RASSA完成。事实上,这里给出的结果表明,纯UEP固定源速率相比遭受巨大的性能损失的方案调整源率。该方案的主要优势是一个非常简单的适应源率通过DP AVC的编码。注意,可以结合UEP RASSA更好匹配源和信道特征。 However, that would require multiple channel codes, increased complexity, UEP optimization algorithms, and reduction of the channel code length used could worsen channel codes’ correction capabilities. This will be part of future work by incorporating expanding window codes [6]。

选举委员会的联合使用,自适应地放弃一些DPs PSNR因此最大化显示为一个实际的方法,以确保可靠传递多媒体数据在无线频道。

承认

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