[发明专利]一种基于增强层重传的车载监控视频混合数模传输方法

摘要

本发明公开了一种基于增强层重传的车载监控视频混合数模传输方法，其特征在于，包括如下步骤：1）视频的分层编码；2）分层编码数据的实时传输和增强层重传过程；3）视频接收端实时显示的视频重建；4）高清回放的视频重建。这种方法能降低系统运算复杂度、提供更好的传输性能，能保证实时监控视频的质量且满足高清回放的需求。

主权项

1.一种基于增强层重传的车载监控视频混合数模传输方法，其特征在于，包括如下步骤：1)视频的分层编码：包括基本层数字编码过程和增强层模拟编码过程，将监控设备的原始视频信号即Group of Pictures信号，简称GOP信号采用数字信源编码器编码得到数字比特流，数字比特码流经数字信道编码器编码得到数字信道编码信号的过程为基本层数字编码过程；首先采用对应数字信源解码器将数字比特码流解码重建得到编码视频，然后计算原始视频与重建视频编码的残差信号，将其作为增强层，采用模拟技术对其进行编码得到模拟编码信号过程为增强层模拟编码过程；2)分层编码数据的实时传输和增强层重传过程：分层编码的实时传输和增强层重传过程中，假定可用带宽B中的可用子信道为N个，每个子信道的带宽为B_n，则：定义基于带宽约束下增强层信号弃传和重传步骤如下：(1)基于带宽约束模型的层间带宽分配和增强层模拟数据的分块：(1.1)基于模拟传输的可用信道估计：数字编码器编码的基本层视频只需要保证视频的基本质量，因此受基本质量的峰值信噪比PSNR_{base_layer}约束的数字编码的量化步长q_di为：可以求得基本层信源X_di的熵估计为：H(X_di)＝log₂(2πeλ_di)‑2log₂(q_di)    (2)，其中，e为自然对数底数，λ_di为数字编码符号的方差，则保证基本层数字编码传输需求N_d(N≥N_d)下的模拟传输可用的子信道数目N_s为：其中，R_c为数字传输速率由调制速率和信道编码速率的乘积决定；(1.2)基于子信道传输能力的DCT系数块划分：先将经过三维时域离散余弦变换即Discrete Cosine Transform，简称DCT系数均匀划分为N_s个大小相等的视频块，组合成DCT系数矩阵X(X的第i(i＝1,…,N_s)行向量被看作一个无记忆零均值高斯信源产生的符号集，记为然后对DCT系数矩阵X做正交编码，得到能量均匀分布的系数矩阵X_h，系数矩阵X_h中每一个系数块传输所需带宽和子信道的带宽B_n满足下式：B_n≥max{B_ai,i＝1,…,N_a}    (4)；(2)基于总能量不受限的层间能量计算和增强层内部的能量分配：(2.1)数字部分传输能量P_d估计如下：数字部分发射功率P_d满足公式(5)：其中P_max为最大允许的总能量约束，为最差信道条件下信道复数噪声方差，γ为满足数字误码率数字符号传输所需要的最低信噪比，数字传输中存在纠错编码，所以数字部分发射功率P_d并不需要最大化，只要满足最差信道的约束即可，则(2.2)模拟部分最优传输能量P_a估计如下：模拟部分最优传输能量P_a满足公式(6)：P_max≥P_opt＝P_a      (6)，模拟传输的平均失真如公式(7)：为了使模拟传输失真最小，P_a应该尽可能的大，即P_a＝P_max，P_max因为是网络中防止小区间干扰设定的上限值，则模拟信号内部的各个系数块的最佳能量分配因子满足公式(8)：(3)基于重建失真最小化的增强层弃传和重传决策过程及信道划分过程：在车载场景下，带宽资源受车辆运动影响呈时变特点时，模拟部分DCT系数块弃传和重传过程以SoftCast方式的模拟信号传输为基础，采用一个开关实现对数字部分和模拟部分传输前差异化处理，让模拟部分传输的待传系数块集合{X_t|X_r∪X_h，t＝1,2,…,N_t}中的前N_s个系数块跳过信道编码和调制后进行OFDM传输，其中N_t＝N_r+N_a，X_r为上一个GOP弃传的系数块集合，需要根据N_t和N的大小关系，选择传输策略，步骤如下：(3.1)模拟信号传输的决策过程：(3.1.1)若N_s＞N_t，采用前N_t个信道传输待传系数块集合X_t，然后清空X_t和X_r，最后给剩余的N_s‑N_t个信道中添加方差为零的虚拟信源，重传部分的元数据中包括X_r的大小和虚拟信源的个数；(3.1.2)若N_s＝N_t，传输待传系数块集合X_t，然后清空X_t和X_r，重传部分的元数据中只有X_r的大小；(3.1.3)若N_s＜N_t，传输待重传系数集合X_t的前N_s个系数块，然后删除X_t和X_r的前N_s个系数块，判断上一个GOP弃传的系数块集合X_r中是否清空，若X_r未清空，则重传部分的元数据需要包括已传的上一个GOP弃传系数块的数目和未传的数目，然后清空X_r；若X_r清空，则重传部分的元数据中只有X_r的大小；(3.2)基于重建失真最小化的信道分配：由无重传机制的模拟部分重建失真得到实时重建失真模型如公式(9)：其中，为复数信道噪声的功率，P_a为模拟部分的传输能量，N_r为当前需要重传的系数块数目，公式(9)的第一部分公式(9a)是发送系数块引起的失真，第二部分公式(9b)是弃传的系数块引起的失真，弃传系数块的方差越小重建失真越小，同时也说明方差越大，系数块越重要，对当前GOP的系数矩阵X_h中系数块排列满足公式(10)的约束：因此混合数模传输可用信道的根据信道质量进行排列后，各信道f_i传输的数据如公式(11)所示：3)视频接收端实时显示的视频重建：首先，根据接收到的信道分配信息，将对应子信道上接受到的信号分别送到相应的数字信道解码器和模拟解码器进行解码，然后，将当前GOP的数字比特流存储，同时送往数字信源解码器解码得到重建编码视频，最后，将重建编码视频和当前GOP的残差信号叠加，获得实时的视频信号，所述模拟信号解码为：首先解码该模拟信号，然后判断模拟信号中是否存在重传系数块，存在重传系数块时，将重传系数块补存到上一个GOP的残差信号，剩余部分则为当前GOP的残差信号，然后将其存储；若不存在重传系数块时，直接解码得到当前GOP的残差信号和存储；4)高清回放的视频重建：从存储器中调取回放GOP的数字比特流送到数字信源解码器解码得到编码视频，将得到的编码视频和对应的完整残差信号叠加，获得高清的视频信号。