CN101917625A - 一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，用于在无线环境中为可分级视频流提供可靠传输机制，包括如下步骤：(1)将可分级视频流划分为具有不同优先级的子码流；(2)用不同编码速率的LDPC码对不同优先级的子码流进行编码实现不等差错保护；(3)在传输过程中对编码后的LDPC码字进行随机线性网络编码。本发明采用网络编码将可分级视频流划分成不同优先级的子码流，保证了带宽资源的有效使用并且最大化解码流的质量，同时对重要数据使用更多的冗余信息加以保护，提高了传输***的吞吐量和传输***的错误恢复能力，从而实现了可分级码流在无线环境中的可靠传输。

Description

一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法

技术领域

本发明涉及可分级视频流在无线环境中的传输技术，尤其是一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法。

背景技术

视频在异构网络上进行可靠传输成为近年来研究的热点。高比特率的视频应用要求提高网络的吞吐量，因为拥塞将导致队列溢出或者包丢失，在无线信道中丢包对于视频传输的影响更加严重。由于人类视觉***对于即使非常细微的视频质量降级依然很敏感，因此在接收端如何消除误码或丢包对视频质量的影响是亟待解决的问题。

可分级视频编码技术是指对视频序列只进行一次高分辨率、高质量的压缩编码，然后根据不同的链路传输能力、解码能力从单一码流中解出不同质量和分辨率的视频，该技术是对异构网络传输问题简单且灵活的解决方案，而且可以提供对差错控制和带宽变化的自适应性。根据网络状况和能力不同，解码器可以分级接收码流，然后在多种质量层、空间分辨率或时间分辨率上重建视频序列。

可分级视频流的一个重要性质是数据包具有不相等的重要性，因为其对解码信息质量的影响各不相同。一般情况下，信源编码算法将可分级视频数据按层次组织成码流，对于解码端而言至少需要收到最重要的数据包。目前，针对可分级视频流的传输仍然使用传统的视频传输技术，如果重要数据包丢失或产生错误，将导致整个可分级视频流无法正确解码。

传统的ARQ方案不适用于实时视频应用，因为其无法满足对时延的要求。其他解决方案包括采用前向纠错码(Forward Error Correction，FEC)、保护视频包和使用多组播树提供冗余路径传输编码视频流。在这些传输方案中，数据包在中间节点采用存储转发方式(Store and Forward)。这些冗余不仅增加了不必要的负担，还降低了数据传输速率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理并且能够有效提高可分级视频流传输的可靠性的基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，用于在无线环境中为可分级视频流提供可靠传输机制，包括如下步骤：

(1)将可分级视频流划分为具有不同优先级的子码流；

(2)用不同编码速率的LDPC码对不同优先级的子码流进行编码实现不等差错保护；

(3)在传输过程中对编码后的LDPC码字进行随机线性网络编码。

而且，在步骤(1)中，将可分级视频流划分为不同优先级子码流是按其解码时的对重构视频序列的质量影响大小来进行，将可分级视频流划分为不同优先级子码流所依据的公式为：

${\mathrm{\ΔPSNR}}_{L_i}>{\mathrm{\ΔPSNR}}_{L_j},$ $\∀i>j$

式中，L_i表示优先级为i的子码流，

表示包含优先级为i的子码流时重构PSNR增益。

而且，在步骤(2)中，使用不同速率的LDPC码对子码流进行编码，不同码率LDPC码分配所依据的公式为：

$J\left(R_{i,\mathrm{LDPC}}\right)=\min \left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i\left(R_i\right)P_i\left(R_i\right)\right)$

式中，R_i，LDPC为子码流i分配的LDPC码码率；P_i为子码流i的错误概率；D_i为由于子码流i出错引起的失真；R_i为子码流i的总传输码率，包括信源传输码率和信道传输码率；M为子码流数。

而且，在步骤(3)中，所使用的随机网络编码算法包括：

编码节点计算接收到LDPC码字(符号)与最近有效编码码字间的汉明距离d并给定阈值η，如果一个收到的符号满足d≤η，则将这个符号标记为“好”符号；否则标记为“坏”符号；

假设a_i和b_i分别为两个用户的第i个符号，编码节点随机选择两个随机系数α和β，根据下式生成新的符号c_i：

如果a_i和b_i均为“坏”符号，将不生成新符号；接收节点使用常规方法解码。

而且，所述的子码流包括多种优先级等级的字码流。

本发明的优点和积极效果是：

本发明采用网络编码(Network Coding，NC)技术将可分级视频流根据重要性划分成不同优先级的子码流，保证了带宽资源的有效使用并且最大化解码流的质量，同时对重要数据使用更多的冗余信息加以保护，保证了最重要数据在接收端能正确解码；另外对传输过程中的编码符号实施随机线性网络编码，提高了传输***的吞吐量和提高传输***的错误恢复能力，从而实现了可分级码流在无线环境中的可靠传输。

附图说明

图1为本发明所采用的可分级视频流示意图；

图2为本实施例划分优先级子码流的示意图；

图3为本实施例为不同优先级子码流分配不等冗余信息示意图；

图4为本实施例采用的不同码率的LDPC码抗误码性能示意图；

图5为本实施例对编码符号进行网络编码的示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步描述。

一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，用于在无线环境中为可分级视频流提供可靠传输机制，包括如下步骤：

(1)将可分级视频流划分为具有不同优先级的子码流，其原则是按其解码时的对重构视频序列的质量影响大小来进行的；

(2)用不同编码速率的LDPC码对不同优先级的子码流进行编码实现不等差错保护；

(3)在传输过程中对编码后的LDPC码字进行随机线性网络编码。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面对上述步骤所涉及的内容做进一步说明。

本发明所采用的可分级视频流，如图1所示，该可分级视频流是以帧组为单位的编码视频流，其中不同颜色的方块代表了不同分级层视频流，例如颜色最深的块代表基本层视频流，其他块代表不同增强层视频流。

图2是本实施例划分优先级子码流的示意图，其将不同层的码流分为不同的优先级，将具有相同优先级的码流组织在一起；将可分级视频流划分为不同优先级子码流所依据的公式为：

${\mathrm{\ΔPSNR}}_{L_i}>{\mathrm{\ΔPSNR}}_{L_j},$ $\∀i>j$

其中，L_i表示优先级为i的子码流，

表示包含优先级为i的子码流时重构PSNR增益。

在本实施例中优先级共分为五级，最高优先级为优先级5，最低优先级为优先级1。

图3是本实施例为不同优先级子码流分配不等冗余信息示意图，其为不同优先级的码流分配不同的冗余信息，优先级越高分配的冗余信息越多。本实施例中，通过为不同优先级子码流使用不同编码码率的LDPC码编码达到分配不同数目冗余信息的目的。不同码率LDPC码分配所依据的公式为：

$J\left(R_{i,\mathrm{LDPC}}\right)=\min \left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i\left(R_i\right)P_i\left(R_i\right)\right)$

其中，J()表示代价函数，R_i，LDPC为子码流i分配的LDPC码码率；P_i为子码流i的错误概率；D_i为由于子码流i出错引起的失真；R_i为子码流i的总传输码率，包括信源传输码率和信道传输码率；M为子码流数；P_i和D_i的表达式取决于优化参数R_i，LDPC。

需要说明的是，本实施例使用相同码长但是不同编码速率的LDPC码实现不同优先级码流的差错保护，相同长度的LDPC码的编码码率越低，编码码字中包含的冗余信息越多。

图4是本实施例采用的不同码率的LDPC码抗误码性能示意图，其为WiMax(802.16e)规范中定义的4种LDPC码抗误码性能曲线；图4中给出了码长均为2304的不同编码码率LDPC码性能，码率分别为1/2、2/3、3/4、5/6，可以从中看出随着冗余信息/校验比特(码率越大生成的校验比特越少)的减少，LDPC码的抗误码性能明显减弱。

图5为本实施例对编码符号进行网络编码的示意图，本实施例中使用的随机网络编码算法包括：

编码节点计算接收到LDPC码字(符号)与最近有效编码码字间的汉明距离d并给定阈值η，如果一个收到的符号满足d≤η，则将这个符号标记为“好”符号；否则标记为“坏”符号；

假设a_i和b_i分别为两个用户的第i个符号，编码节点随机选择两个随机系数α和β，根据下式生成新的符号c_i：

如果a_i和b_i均为“坏”符号，将不生成新符号；接收节点使用常规网络编码解码方法解码。

需要说明的是，图5中灰色部分表示本实施例中被标记为“坏”符号的LDPC码字，将按照上述的编码方法编码。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，其特征在于：用于在无线环境中为可分级视频流提供可靠传输机制，包括如下步骤：

(1)将可分级视频流划分为具有不同优先级的子码流；

(2)用不同编码速率的LDPC码对不同优先级的子码流进行编码实现不等差错保护；

(3)在传输过程中对编码后的LDPC码字进行随机线性网络编码。

2.根据权利要求1所述的一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，其特征在于：在步骤(1)中，将可分级视频流划分为不同优先级子码流是按其解码时的对重构视频序列的质量影响大小来进行，将可分级视频流划分为不同优先级子码流所依据的公式为：

${\mathrm{\ΔPSNR}}_{L_i}>{\mathrm{\ΔPSNR}}_{L_j},$ $\∀i>j$

式中，L_i表示优先级为i的子码流，

表示包含优先级为i的子码流时重构PSNR增益。

3.根据权利要求1所述的一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，其特征在于：在步骤(2)中，使用不同速率的LDPC码对子码流进行编码，不同码率LDPC码分配所依据的公式为：

$J\left(R_{i,\mathrm{LDPC}}\right)=\min \left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i\left(R_i\right)P_i\left(R_i\right)\right)$

式中，P_i，LDPC为子码流i分配的LDPC码码率；P_i为子码流i的错误概率；D_i为由于子码流i出错引起的失真；R_i为子码流i的总传输码率，包括信源传输码率和信道传输码率；M为子码流数。

4.根据权利要求1所述的一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，其特征在于：在步骤(3)中，所使用的随机网络编码算法包括：

编码节点计算接收到LDPC码字(符号)与最近有效编码码字间的汉明距离d并给定阈值η，如果一个收到的符号满足d≤η，则将这个符号标记为“好”符号；否则标记为“坏”符号；

假设a_i和b_i分别为两个用户的第i个符号，编码节点随机选择两个随机系数α和β，根据下式生成新的符号c_i：

如果a_i和b_i均为“坏”符号，将不生成新符号；接收节点使用常规方法解码。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于联合信源-网络编码的可分级视频流传输方法，其特征在于：所述的子码流包括多种优先级等级的字码流。

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