无线视频传输策略与性能优化方法研究

发布时间：2020-04-05 05:06

【摘要】：近年来,随着多媒体技术的发展以及视频应用市场的急剧扩张,使得视频流已成为因特网中的主要传输对象。根据思科公司的预测,到2021年年底,视频流量将占据因特网数据传输总量的将近82%。其中,作为一类重要的网络应用,监控视频也越来越广泛的存在于社会生活之中,为人们的居住、出行、卫生、生产等提供安全服务保障。同时,由于无线通信具有经济实用、灵活易用等优点,各类无线通信技术以及相关的物联网技术快速发展,使得无线频段越来越拥挤,因此各国家的研究人员开始研究如何利用VHF和UHF频段中数百MHz空闲的电视白频谱(TVWS),且已有很多相关的研究成果。由于视频的数据量相对较大的特性,视频监控系统从降低存储和传输成本来考虑,需要利用监控视频的特点研究出高压缩率的视频编解码算法,来减少数据视频编码数据量。而且随着网络技术的发展及云系统的流行,用户希望能够通过无线网络实时远程查看宽视角的高清监控视频,因此需要研究效率更高、可靠性更好的视频传输方案,保证视频质量并满足用户需求。而对于使用TVWS进行物联网(IoT)环境下的视频传输,由于免执照用户可以免费使用开放频段,但要面对激烈的竞争,无法保证视频传输质量,因此出现了可以短时间租用的高优先级频段(HPC)的概念,引出需要研究均衡视频质量、租金花费以及视频帧组(GoP)传输时延的传输策略问题。本文针对以上三个具体需求展开相关研究工作,分别做出了以下贡献:1)提出了基于结构相似度(SSIM)的监控视频编解码方案。解决了在监控场景经常变化情况下的视频编码优化问题。由于SSIM参数主要是比较图像间的结构相似性,因此能够用它在编码时找到某帧图像的合适参考帧以减少背景冗余。首先通过统计实验验证了使用SSIM值大的帧作为编码帧的参考帧时,可以获得更高的压缩效率。再基于此提出参考帧选择算法,为编码帧选择合适的参考帧以提高编码效率。并加入参考帧缓存,实现了基于SSIM的编解码方案。仿真实验结果显示,提出的编解码方案比现有编码标准节省编码数据量,有更高的编码效率,且即使对于非监控视频,也能达到不差于现有编码标准的编码效果。2)本文提出了基于无线网络的监控视频实时传输方案RSVTS,可实现宽视角高清视频的无线实时远程查看,以满足视频监控用户的需求。RSVTS采用多个摄像头视频拼接的方式实现了宽视角、高分辨率的实时视频传输,编解码采用了前述提出的视频编解码方案减少视频数据量,在编解码器两端都采用了参考帧缓存技术增加可选参考帧的数量,并相应提出并实现了参考帧更新算法选择合适的参考帧,传输的同时考虑了网络状态,实现了通过无线网络的高清监控视频实时传输方案。通过搭建的仿真实验平台测试其性能,结果显示比常规无线监控视频传输方案在编码数据量和视频质量上都有明显的改善。3)提出了物联网环境下基于电视白频谱(TVWS)视频传输方案TVDS,由于TVWS中有可付费租用的高优先级频段HPC存在,因此在视频质量要求确定时,花费及发送延迟之间可以有一个权衡关系。因此提出多个视频调度策略算法,为用户提供各类均衡花费、延迟、视频质量的视频调度传输策略。首先基于已有研究提出的TVWS频谱管理使用框架,建立了视频数据结构模型和TVWS频谱使用状态模型,并对传输策略问题进行了数学描述。再根据不同的使用情况提出在线花费最小化算法、在线延迟最小化算法、离线花费最小化算法和离线延迟最小化算法等四个传输策略算法。最后实现了基于TVWS视频传输方案TVDS。仿真实验结果显示TVDS方案能够提供灵活有效的视频调度传输策略,并且能够达到发送延迟、花费、视频质量的指标均衡。
【图文】：

为了减少上述的这些冗余以节省视频存储空间及传输带宽，需要采用预测、逡逑变换、扫描、量化、熵编码等编码技术消除各类冗余，这些压缩编码技术的使用逡逑如图２－１所示。预测技术的原理是寻找当前像素点的相关己编码像素点，再计算逡逑预测值和实际值之差，实际只需传输很小的差值。预测分为帧内预测逡逑（Ｉｎｔｒａ－ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）和顿间预测（Ｉｎｔｅｒ－ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ），分别用来消除空间冗余和时逡逑间冗余。帧内预测是根据当前编码像素点周围像素点的值，来预测当前像素点的逡逑值，而帧间预测是在相邻帧间找像素点来预测；然后计算得到实际值和预测值之逡逑间的差值，并对差值进行记录编码。帧间预测相对更复杂，帧间预测包括单向预逡逑测、双向预测、重叠块运动补偿，其中双向预测在实时视频传输时一般不能采用，逡逑因为会引入较大的编码延时。只使用帧内预测进行编码的帧图像称为Ｉ邋（帧内预逡逑测）帧，用前向预测编码的帧图像称为Ｐ帧，用双向预测编码的帧图像称为Ｂ帧。逡逑而对于预测时前景物体的运动变化

１９８４邋１９８６邋１９８８邋１９９０邋１９９２邋１９９４邋１９９６邋１９９８邋２０００邋２００２邋２００４邋２００６邋２００８邋２０１０邋２０１２邋２０１４邋２０１６邋２０１８邋２０２０逡逑图２－２视频压缩编码标准发展历史逡逑图２－２显示了迄今为止出现的主要的视频压缩编码标准的发展历史。１９８８年逡逑发布的Ｈ．２６１编码标准是视频压缩编码领域的一个里程碑，从它开始后续的视频逡逑编码方法大都采用的是基于波形的混合编码方法。Ｈ．２６１［１２］标准的主要目标是用逡逑于视频会议和可视电话等高实时性、低码率的应用场合。在Ｈ．２６１发布以后，逡逑ＭＰＥＧ组织开始负责制定用于视频信息存储、广播电视、网络传输等应用场合的逡逑编码标准，于１９９２年发布了ＭＰＥＧ－１标准［１３］，视频码率为１．２－１．５Ｍｂ／ｓ，，ＶＣＤ（Ｖｉｄｅｏ逡逑Ｃｏｍｐａｃｔ邋Ｄｉｓｋ）中保存的即是ＭＰＥＧ－１标准压缩的视频。１９９０－１９９４年间，联合视逡逑频专家组合作开始制定ＭＰＥＧ－２标准［⑷，其中的视频部分也就是Ｈ．２６２标准，视逡逑频码率达到了邋１．５－６０Ｍｂ／ｓ，常见的ＤＶＤ光盘存储的数据就是ＭＰＥＧ－２视频编码数逡逑１５逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.8

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 陈褒丹;任佳;莫惠芳;;南海环境下基于白频谱的WLAN超远距离覆盖[J];电视技术;2014年11期

2 姚海鹏;张智江;刘韵洁;;异构架构下物联网频谱规划研究[J];电信技术;2012年05期

相关博士学位论文 前3条

1 张贤国;基于背景模型的监控视频编码研究[D];北京大学;2013年

2 赵丹丹;视频编码中码率控制算法研究[D];上海交通大学;2012年

3 刘雪冬;面向视觉监控的视频压缩研究[D];华中科技大学;2009年

本文编号：2614586