【摘要】：近年來,隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展以及視頻應(yīng)用市場(chǎng)的急劇擴(kuò)張,使得視頻流已成為因特網(wǎng)中的主要傳輸對(duì)象。根據(jù)思科公司的預(yù)測(cè),到2021年年底,視頻流量將占據(jù)因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸總量的將近82%。其中,作為一類重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,監(jiān)控視頻也越來越廣泛的存在于社會(huì)生活之中,為人們的居住、出行、衛(wèi)生、生產(chǎn)等提供安全服務(wù)保障。同時(shí),由于無線通信具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、靈活易用等優(yōu)點(diǎn),各類無線通信技術(shù)以及相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展,使得無線頻段越來越擁擠,因此各國家的研究人員開始研究如何利用VHF和UHF頻段中數(shù)百M(fèi)Hz空閑的電視白頻譜(TVWS),且已有很多相關(guān)的研究成果。由于視頻的數(shù)據(jù)量相對(duì)較大的特性,視頻監(jiān)控系統(tǒng)從降低存儲(chǔ)和傳輸成本來考慮,需要利用監(jiān)控視頻的特點(diǎn)研究出高壓縮率的視頻編解碼算法,來減少數(shù)據(jù)視頻編碼數(shù)據(jù)量。而且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及云系統(tǒng)的流行,用戶希望能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看寬視角的高清監(jiān)控視頻,因此需要研究效率更高、可靠性更好的視頻傳輸方案,保證視頻質(zhì)量并滿足用戶需求。而對(duì)于使用TVWS進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)(IoT)環(huán)境下的視頻傳輸,由于免執(zhí)照用戶可以免費(fèi)使用開放頻段,但要面對(duì)激烈的競爭,無法保證視頻傳輸質(zhì)量,因此出現(xiàn)了可以短時(shí)間租用的高優(yōu)先級(jí)頻段(HPC)的概念,引出需要研究均衡視頻質(zhì)量、租金花費(fèi)以及視頻幀組(GoP)傳輸時(shí)延的傳輸策略問題。本文針對(duì)以上三個(gè)具體需求展開相關(guān)研究工作,分別做出了以下貢獻(xiàn):1)提出了基于結(jié)構(gòu)相似度(SSIM)的監(jiān)控視頻編解碼方案。解決了在監(jiān)控場(chǎng)景經(jīng)常變化情況下的視頻編碼優(yōu)化問題。由于SSIM參數(shù)主要是比較圖像間的結(jié)構(gòu)相似性,因此能夠用它在編碼時(shí)找到某幀圖像的合適參考幀以減少背景冗余。首先通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用SSIM值大的幀作為編碼幀的參考幀時(shí),可以獲得更高的壓縮效率。再基于此提出參考幀選擇算法,為編碼幀選擇合適的參考幀以提高編碼效率。并加入?yún)⒖紟彺?實(shí)現(xiàn)了基于SSIM的編解碼方案。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,提出的編解碼方案比現(xiàn)有編碼標(biāo)準(zhǔn)節(jié)省編碼數(shù)據(jù)量,有更高的編碼效率,且即使對(duì)于非監(jiān)控視頻,也能達(dá)到不差于現(xiàn)有編碼標(biāo)準(zhǔn)的編碼效果。2)本文提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)傳輸方案RSVTS,可實(shí)現(xiàn)寬視角高清視頻的無線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看,以滿足視頻監(jiān)控用戶的需求。RSVTS采用多個(gè)攝像頭視頻拼接的方式實(shí)現(xiàn)了寬視角、高分辨率的實(shí)時(shí)視頻傳輸,編解碼采用了前述提出的視頻編解碼方案減少視頻數(shù)據(jù)量,在編解碼器兩端都采用了參考幀緩存技術(shù)增加可選參考幀的數(shù)量,并相應(yīng)提出并實(shí)現(xiàn)了參考幀更新算法選擇合適的參考幀,傳輸?shù)耐瑫r(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了通過無線網(wǎng)絡(luò)的高清監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)傳輸方案。通過搭建的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試其性能,結(jié)果顯示比常規(guī)無線監(jiān)控視頻傳輸方案在編碼數(shù)據(jù)量和視頻質(zhì)量上都有明顯的改善。3)提出了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于電視白頻譜(TVWS)視頻傳輸方案TVDS,由于TVWS中有可付費(fèi)租用的高優(yōu)先級(jí)頻段HPC存在,因此在視頻質(zhì)量要求確定時(shí),花費(fèi)及發(fā)送延遲之間可以有一個(gè)權(quán)衡關(guān)系。因此提出多個(gè)視頻調(diào)度策略算法,為用戶提供各類均衡花費(fèi)、延遲、視頻質(zhì)量的視頻調(diào)度傳輸策略。首先基于已有研究提出的TVWS頻譜管理使用框架,建立了視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型和TVWS頻譜使用狀態(tài)模型,并對(duì)傳輸策略問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述。再根據(jù)不同的使用情況提出在線花費(fèi)最小化算法、在線延遲最小化算法、離線花費(fèi)最小化算法和離線延遲最小化算法等四個(gè)傳輸策略算法。最后實(shí)現(xiàn)了基于TVWS視頻傳輸方案TVDS。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示TVDS方案能夠提供靈活有效的視頻調(diào)度傳輸策略,并且能夠達(dá)到發(fā)送延遲、花費(fèi)、視頻質(zhì)量的指標(biāo)均衡。
【圖文】：

為了減少上述的這些冗余以節(jié)省視頻存儲(chǔ)空間及傳輸帶寬，需要采用預(yù)測(cè)、逡逑變換、掃描、量化、熵編碼等編碼技術(shù)消除各類冗余，這些壓縮編碼技術(shù)的使用逡逑如圖２－１所示。預(yù)測(cè)技術(shù)的原理是尋找當(dāng)前像素點(diǎn)的相關(guān)己編碼像素點(diǎn)，再計(jì)算逡逑預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之差，實(shí)際只需傳輸很小的差值。預(yù)測(cè)分為幀內(nèi)預(yù)測(cè)逡逑（Ｉｎｔｒａ－ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）和頓間預(yù)測(cè)（Ｉｎｔｅｒ－ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ），分別用來消除空間冗余和時(shí)逡逑間冗余。幀內(nèi)預(yù)測(cè)是根據(jù)當(dāng)前編碼像素點(diǎn)周圍像素點(diǎn)的值，來預(yù)測(cè)當(dāng)前像素點(diǎn)的逡逑值，而幀間預(yù)測(cè)是在相鄰幀間找像素點(diǎn)來預(yù)測(cè)；然后計(jì)算得到實(shí)際值和預(yù)測(cè)值之逡逑間的差值，并對(duì)差值進(jìn)行記錄編碼。幀間預(yù)測(cè)相對(duì)更復(fù)雜，幀間預(yù)測(cè)包括單向預(yù)逡逑測(cè)、雙向預(yù)測(cè)、重疊塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，其中雙向預(yù)測(cè)在實(shí)時(shí)視頻傳輸時(shí)一般不能采用，逡逑因?yàn)闀?huì)引入較大的編碼延時(shí)。只使用幀內(nèi)預(yù)測(cè)進(jìn)行編碼的幀圖像稱為Ｉ邋（幀內(nèi)預(yù)逡逑測(cè)）幀，用前向預(yù)測(cè)編碼的幀圖像稱為Ｐ幀，用雙向預(yù)測(cè)編碼的幀圖像稱為Ｂ幀。逡逑而對(duì)于預(yù)測(cè)時(shí)前景物體的運(yùn)動(dòng)變化

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逡逑圖２－２視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷史逡逑圖２－２顯示了迄今為止出現(xiàn)的主要的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史。１９８８年逡逑發(fā)布的Ｈ．２６１編碼標(biāo)準(zhǔn)是視頻壓縮編碼領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，從它開始后續(xù)的視頻逡逑編碼方法大都采用的是基于波形的混合編碼方法。Ｈ．２６１［１２］標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是用逡逑于視頻會(huì)議和可視電話等高實(shí)時(shí)性、低碼率的應(yīng)用場(chǎng)合。在Ｈ．２６１發(fā)布以后，逡逑ＭＰＥＧ組織開始負(fù)責(zé)制定用于視頻信息存儲(chǔ)、廣播電視、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葢?yīng)用場(chǎng)合的逡逑編碼標(biāo)準(zhǔn)，于１９９２年發(fā)布了ＭＰＥＧ－１標(biāo)準(zhǔn)［１３］，視頻碼率為１．２－１．５Ｍｂ／ｓ，，ＶＣＤ（Ｖｉｄｅｏ逡逑Ｃｏｍｐａｃｔ邋Ｄｉｓｋ）中保存的即是ＭＰＥＧ－１標(biāo)準(zhǔn)壓縮的視頻。１９９０－１９９４年間，聯(lián)合視逡逑頻專家組合作開始制定ＭＰＥＧ－２標(biāo)準(zhǔn)［⑷，其中的視頻部分也就是Ｈ．２６２標(biāo)準(zhǔn)，視逡逑頻碼率達(dá)到了邋１．５－６０Ｍｂ／ｓ，常見的ＤＶＤ光盤存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就是ＭＰＥＧ－２視頻編碼數(shù)逡逑１５逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN919.8

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2614586