申请/专利权人：南京邮电大学

申请日：2018-05-21

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN108632613B

主分类号：H04N19/13(20140101)

分类号：H04N19/13(20140101);H04N19/132(20140101);H04N19/30(20140101);H04N19/61(20140101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.16#授权;2018.11.02#实质审查的生效;2018.10.09#公开

摘要：本发明提供一种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法及系统，将分级视频编码引入DISCOVER分布式视频编码框架中，实现分布式视频编解码中的分级传输，包括基本层编码框架与增强层编码框架，两部分框架由熵计算器模块与控制模块连接，编码框架自行控制传输的视频分辨率；当熵计算器模块计算视频帧信息量较小即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值时，编码端只进行基本层编码，解码端只进行基本层；当熵计算器模块计算视频帧信息量较大即视频图像熵超过视频背景图像熵的设定比例值时，熵计算器激活增强层信息编码，解码端激活增强层信息解码。该种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，能够提高视频编码效率，最终实现降低传感器节点能耗的目的。

主权项：1.一种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，其特征在于：将分级视频编码引入DISCOVER分布式视频编码框架中，实现分布式视频编解码中的分级传输，包括基本层编码框架与增强层编码框架，两部分框架由熵计算器模块与控制模块连接，编码框架自行控制传输的视频分辨率；当熵计算器模块计算视频帧信息量较小即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值时，编码端只进行基本层编码，解码端只进行基本层；当熵计算器模块计算视频帧信息量较大即视频图像熵超过视频背景图像熵的设定比例值时，熵计算器激活增强层信息编码，解码端激活增强层信息解码；具体包括以下步骤，S1、进行视频采集；S2、对采集的视频进行编码，进入关键帧判断，奇数帧为关键帧，偶数帧为WZ帧，关键帧和WZ帧的原始视频码流经过下采样器，得到满足解码端需求的视频分辨率，称之为基本层，基本层的关键帧经过上采样后，与关键帧原始视频码流进行减操作，得到关键帧增强层，具体过程为：S21、对采集的视频划分出视频序列的关键帧K帧和WZ帧即Wyner-Ziv帧，对K帧和WZ帧分别采用的不同编码方式进行编码，WZ帧转向步骤S22，K帧转向步骤S23；S22、对WZ帧进行DCT变换，并经过量化、LDPCA编码后，将校验信息存储在缓冲器中，编码端一旦收到来自解码端的反馈请求，立即进行信息传送；S23、对进行下采样后的K帧进行基于H.264标准的帧内编码；S3、解码基本层；步骤S3具体为，S31、将K帧解码，进入熵计算器，与熵阈值进行比较，若大于熵阈值，进入S32；若小于熵阈值，进入S33；S32、控制器打开基本层解码器，进入分层编码；步骤S32中，打开分层编码具体为：S321、将K帧进行解码，并通过上采样器对其进行上采样；S322、将K帧的原始帧与上采样器后的帧进行相减，得到增强层信息；S323、将增强层信息进行增强层编码器编码，并通过传输，送入混合器；S33、将K帧解码，放入帧缓冲器中；若执行S32，则继续向下执行S34，若没有执行S32，则直接进入S36；S34、解码器端通过前后相关帧，利用运动补偿帧内插的方法为每一WZ帧生成估计值，即为边信息；S35、利用相关噪声模型，对WZ帧进行解码重构，通过IDCT还原WZ帧；S36、将解码后的WZ帧和K帧组合，恢复出视频；S4、解码增强层；步骤S4具体为，S41、将K帧上采样，与增强层编码器进行加和，生成增强层关键帧；S42、通过前后关键帧，生成增强层边信息；S43、将WZ帧进行上采样，根据增强层边信息恢复增强层WZ帧；S44、将增强层WZ帧和增强层K帧组合，恢复增强层视频。

全文数据：基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法及系统技术领域[0001]本发明涉及一种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法及系统，针对无线传感器网络中多媒体数据传输的改进方案，解决视频在满足解码端应用的前提下，快速传输的问题，属于视频传感器网络技术领域。背景技术[0002]无线多媒体网络通信技术近年来的快速发展，造成了众多新起的视频应用领域，如移动可视电话、无线PC摄像机、无线视频监控、无线多媒体传感器网络等。在无线多媒体传感器网络中由于受到存储容量、计算和通信能力以及视频终端需要简单编码的影响，传统的视频编码标准越来越难以应用。在此背景下，分布式视频编解码方法应时而生，并以其高效的编码方式，引起了相关研宄者的关注。[0003]Internet网是分组交换网，缺乏QoS保证，在进行视频传输时会因为网络信道的变化出现数据包的延迟或丢失，但在MPEG-2标准的扩展中的可分级编码很好的解决了这一问题。其可以根据接收端反馈的接受状况信息调整信息服务质量，并能自动适应网络信道调整服务质量，实现对网络带宽的最大利用。[0004]经典的分布式视频编码方式包括Slepian-Wolf无损信源编码和Wyner-Ziv有损信源编码，并以二者为理论基础形成了分布式视频编码方法，改变了编码复杂度是解码复杂度5-10倍的情况，且较传统编码具有较高的压缩效率，更好的鲁棒性。[0005]目前较为经典的分布式视频编解码框架主要包括BerndGirod等提出的空间域Wyner-ziv视频编码、频域Wyner-ziv视频编码、UniversityofCalifornia,Berkeley的RohitPuri等在2〇〇3年提出的PRISM、ZixiangXiong提出的分级Wyner-ziv视频编码LayeredWyner-Zivvideocoding。近年来基于小波变换的分布式视频编码与基于多视角的分布式视频编码也获得了相关研究人员的广泛关注。当前使用的大多数分布式视频编解码方法都是将帧分为关键帧K帧和Wyner-zivWZ帧），然后对K帧采用传统的帧内编解码方式，对WZ帧采用帧内编码和帧间解码相结合的方式。对于WZ帧先进行DCT离散余弦变换），减少图像中的高频分量，再将其量化到个区间内，送进编码器进行编码，最后在解码端利用K帧解码时的运动插值和估计生成的边信息与解码器重建WZ帧。[0006]以上方法对于信息量稳定的视频编码无疑是适合的，但是对于信息量变化的情况，不能够自适应地进行针对编码，造成了一定的效率浪费。发明内容[0007]针对以上问题，本发明的目的是提供一种基于discover框架的分级分布式视频编码方法及系统，将传统空间可分级编码和DISCOVER视频编码方案进行融合，并增加了图像熵计算器模块，用于判断是否激活增强层编码，提升编解码的灵活性，解决现有技术中存在的传统的编解码总是以固定的速率进行传输，不能根据复杂多变的网络状况作出相应的传输速率变化，实用性受到了很大的限制的问题。[0008]本发明的技术解决方案是：一种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，将分级视频编码引入DISCOVER分布式视频编码框架中，实现分布式视频编解码中的分级传输，包括基本层编码框架与增强层编码框架，两部分框架由熵计算器模块与控制模块连接，编码框架自行控制传输的视频分辨率;当熵计算器模块计算视频帧信息量较小即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值时，编码端只进行基本层编码，解码端只进行基本层；当熵计算器模块计算视频帧信息量较大即视频图像熵超过视频背景图像熵的设定比例值时，熵计算器激活增强层信息编码，解码端激活增强层信息解码。[0009]进一步地，具体包括以下步骤，51、进行视频采集；52、对采集的视频进行编码，进入关键帧判断，奇数帧为关键帧，偶数帧为WZ帧，关键帧和WZ帧的原始视频码流经过下采样器，得到满足解码端需求的视频分辨率，称之为基本层，基本层的关键帧经过上采样后，与关键帧原始视频码流进行减操作，得到关键帧增强层，具体过程为：521、对采集的视频划分出视频序列的关键帧K帧和WZ帧即Wyner-Ziv帧，对K帧和WZ帧分别采用的不同编码方式进行编码，WZ帧转向步骤S22，K帧转向步骤S23;522、对WZ帧进行DCT变换，并经过量化与LDPCA编码后，将校验信息存储在缓冲器中，编码端一旦收到来自解码端的反馈请求，立即进行信息传送；523、对进行下采样后的K帧进行基于H.264标准的帧内编码；53、解码基本层；54、解码增强层。[0010]进一步地，步骤S3具体为，531、将K帧解码，进入熵计算器，与熵阈值进行比较，若大于熵阈值，进入S32;若小于熵阈值，进入S33;532、控制器打开基本层解码器，进入分层编码；533、将K帧解码，放入帧缓冲器中;若执行S32，则继续向下执行S34，若没有执行S32，则直接进入S36;534、解码器端通过前后相关帧，利用运动补偿帧内插的方法为每一WZ帧生成估计值，即为边信息；535、利用相关噪声模型，对WZ帧进行解码重构，通过IDCT还原WZ帧；536、将解码后的WZ帧和K帧组合，恢复出基本层视频。[0011]进一步地，步骤S32中，打开分层编码具体为：5321、将K帧进行解码，并通过上采样器对其进行上采样；5322、将K帧的原始帧与上采样器后的帧进行相减，得到增强层信息；5323、将增强层信息进行增强层编码器编码，并通过传输，送入混合器。[0012]进一步地，步骤S4具体为，541、将K帧上采样，与增强层编码器进行加和，生成增强层关键帧；542、通过前后关键巾贞，生成增强层边信息；543、将WZ帧进行上采样，根据增强层边信息恢复增强层WZ帧；S44、将增强层WZ帧和增强层K帧组合，恢复增强层视频。[0013]进一步地，熵计算器模块计算视频帧信息量较小即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值10%，熵计算器模块计算视频帧信息量较大即视频图像熵超过视频背景图像熵的设定比例值10%。[0014]一种采用上述任一项所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法的系统，包括编码端和解码端，编码端:进行视频采集后，将采集视频的每一帧被分为基本层和增强层，采集的原始^频码流经过下采样器，得到满足解码端需求的视频分辨率，称之为基本层，基本层经过上采样后，与原始视频码流进行减操作，得到增强层;将基本层分为WZ帧与K帧，具体过程为:对采集的视频划分出视频序列的关键帧K帧和WZ帧即Wyner-Ziv巾贞，对K帧和WZ帧分别采用的不同编码方式进行编码;对WZ帧进行DCT变换，并经过量化与LDPCA编码后，将校验信息存储在缓冲器中，编码端一旦收到来自解码端的反馈请求，立即进行信息传送;对K帧进行基于H.264标准的帧内编码；解码端:解码基本层与增强层。[0015]本发明的有益效果是：一、该种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法及系统，能够提高视频编码效率，最终实现降低传感器节点能耗的目的。由于提高了信息的利用率，本发明提出的编码框架能更有效降低传输节点消耗。在视频信息熵较小时，该编码体系能以低于传统DISCOVER编码框架的分辨率进行编码;而当视频帧信息量较大时，通过激活增强层编码，使解码端恢复出分辨率较高的视频帧。由于设定增强层编码启用时间远小于休眠时间，因此其能有效节约能源消耗。[0016]二、本发明通过空间可分级编码方式，将视频分辨率进行分级，在熵较小时，采用DISCOVER编码，在熵较大时，增加增强层编码信息，使得解码端恢复出高分辨率的视频，解决传统的DISCOVER分布式编码具有基本的分布式编码框架，但其编码方式没有对视频空间进行分级，导致其传输的视频信息利用率低的问题。附图说明[0017]图1是本发明实施例基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法的流程示意图；图2是实施例基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码系统的说明框图。具体实施方式[0018]下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。实施例[0019]—种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，将分级视频编码引入DISCOVER分布式视频编码框架中，实现分布式视频编解码中的分级传输，包括基本层编码框架与增强层编码框架，两部分框架由熵计算器模块与控制模块连接，编码框架自行控制传输的视频分辨率;当熵计算器模块计算视频帧信息量较小即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值10时，编码端只进行基本层编码，解码端只进行基本层解码，解码段解码视频帧分辨率较低；当熵计算器模块计算视频帧信息量较大即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值10时，熵计算器激活增强层信息编码，解码端激活增强层信息解码。解码段解码视频帧分辨率高。[0020]该种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，能够提高视频编码效率，最终实现降低传感器节点能耗的目的。由于提高了信息的利用率，本发明提出的编码框架能更有效降低传输节点消耗。在视频信息熵较小时，该编码体系能以低于传统DISCOVER编码框架的分辨率进行编码;而当视频帧信息量较大时，通过激活增强层编码，使解码端恢复出分辨率较高的视频帧。由于设定增强层编码启用时间远小于休眠时间，因此其能有效节约能源消耗。[0021]该种基于DISC0VER框架的分级分布式视频编码方法，具体包括以下步骤，51、进行视频采集；52、对采集的视频进行编码，进入关键帧判断，奇数帧为关键帧，偶数帧为WZ帧，关键帧和WZ帧的原始视频码流经过下采样器，得到满足解码端需求的视频分辨率，称之为基本层，基本层的关键帧经过上采样后，与关键帧原始视频码流进行减操作，得到关键帧增强层，具体过程为：52、对采集的视频进行编码，将基本层分为WZ帧与K帧，具体过程为：521、对采集的视频划分出视频序列的关键帧K帧和WZ帧即Wyner-Ziv帧，K帧与WZ帧的比值与G0PGroupofPictures的大小有关，因为对这两种帧的要求不同，其采用的编码方式也不同；对K帧和WZ帧分别采用的不同编码方式进行编码，WZ帧转向步骤S22，K帧转向步骤S23;522、对WZ帧进行DCT变换①iscreteCosineTransform，离散余弦变换），并经过量化与LDPCALow-DensityParity-CheckAccumulateCodes，低密度奇偶校验累积码）编码后，将校验信息存储在缓冲器中，编码端一旦收到来自解码端的反馈请求，立即进行信息传送；523、对进行下采样后的K帧进行基于H.264标准的帧内编码；53、解码基本层。步骤S3具体为，531、将K帧解码，进入熵计算器，与熵阈值进行比较，若大于熵阈值，进入S32;若小于熵阈值，进入S33;532、控制器打开基本层解码器，进入分层编码;步骤S32中，打开分层编码具体为：5321、将K帧进行解码，并通过上采样器对其进行上采样；5322、将K帧的原始帧与上采样器后的帧进行相减，得到增强层信息；5323、将增强层信息进行增强层编码器编码，并通过传输，送入混合器。[0022]S33、将K帧解码，放入帧缓冲器中；若执行S32，则继续向下执行S34，若没有执行S32,则直接进入S36;534、解码器端通过前后相关帧，利用运动补偿帧内插的方法为每一WZ帧生成估计值，即为边信息；535、利用相关噪声模型，对WZ帧进行解码重构，通过IDCT还原WZ帧；536、将解码后的WZ帧和K帧组合，恢复出基本层视频。[0023]S4、解码增强层。步骤S4具体为，541、将K帧上采样，与增强层编码器进行加和，生成增强层关键帧；542、通过前后关键帧，生成增强层边信息；543、将WZ帧进行上采样，根据增强层边信息恢复增强层WZ帧；544、将增强层WZ帧和增强层K帧组合，恢复增强层视频。[0024]实施例将视频传输节点分为两种状态——弱工作状态与强工作状态。弱工作状态是指熵计算器模块计算视频帧信息量较小时人比较少或车比较少等），较低的视频分辨率即能满足应用需求，此时编码端只进行基本层编码;强工作状态指熵计算器模块得到的视频帧信息量较高时人比较多或车比较多等），激活增强层信息编码，使得解码端能解码高分辨率视频，满足视频采集需求。例如，在城市交通要线上，强工作状态即为车流量密集时段，多表现在7:00-9:00与16:00-19:00，其余时段则表现为弱工作状态。该编码方式做到降低编码端的编码复杂率，并且在弱工作状态能有效降低编码能源消耗，在强工作状态能满足传输节点的需求，实现了视频根据需求进行传输。[0025]实施例方法采用DISCOVER编码体系和传统空间可分级编码相融合，实现分级分布式编码分辨率的可控制方式。主要用于满足无线传感器节点对图像传输的要求:弱工作状态使用较低的传输码率，降低传感器节点能耗，根据需求调整分辨率。[0026]实施例的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，借鉴了传统空间可分级编码和DISCOVER视频编码，在将二者融合的基础之上增加了用于判断是否激活增强层编码图像的熵计算器模块，用这三个方面构成了分级分布式视频编解码的整个框架。在实际的编解码过程中，当基本层帧信息量达到熵阈值时，即激活增强层编码。增加图像熵计算器模块用于判断是否激活增强层编码，使得整个编码框架更加灵活。[0027]实施例方法将分级视频编码引入DISCOVER分布式视频编码框架中，实现分布式视频编解码中的分级传输，满足用户对视频分辨率的要求。其有两大部分组成:基本层编码框架与增强层编码框架，两部分框架由熵计算器模块与控制模块连接。[0028]实施例中，在解码端的熵计算器模块为一个计算单元，其能实现对传输每一帧信息量的计算，同时当信息量超过阈值时，其向编码端、解码端的控制器发送信号，启动增强层编码与解码，实现编码的分级控制。[0029]整个视频编解码框架增加了图像熵计算器的部分，该部分用于激活增强层的编码，根据解码端需求，设置熵阈值，当基本层的帧信息量达到该阈值时，激活增强层编码。生成的增强层信息通过传输网络进入解码端，基本层信息通过上采样达到增强层的分辨率，与增强层相加得到高分辨率图像。实施例中，增强层的解码方式为增强层关键帧生成边信息，辅助增强层WZ帧视频恢复，通过帧重排序恢复高分辨率视频。[0030]实施例还提供一种采用上述任一项所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法的系统，如图2，包括编码端和解码端，编码端:进行视频采集后，将采集视频的每一帧被分为基本层和增强层，采集的原始视频码流经过下采样器，得到满足解码端需求的视频分辨率，称之为基本层，基本层经过上采样后，与原始视频码流进行减操作，得到增强层;将基本层分为WZ帧与K帧，具体过程为:对采集的视频划分出视频序列的关键帧K帧和WZ帧即Wyner-Ziv巾贞，对K帧和WZ帧分别采用的不同编码方式进行编码;对WZ帧进行DCT变换，并经过量化与LDPCA编码后，将校验信息存储在缓冲器中，编码端一旦收到来自解码端的反馈请求，立即进行信息传送;对K帧进行基于H.264标准的帧内编码；解码端:解码基本层与增强层。[0031]实施例系统将视频的每一帧被分为基本层和增强层，原始视频码流经过下采样器，得到了能基本满足解码端基本需求的视频分辨率，在此，称之为基本层，基本层经过上采样后，与原始视频进行减操作，得到增强层信息。[0032]基本层又将分为两类:ffZ帧与1帧，1帧采用H.2M帧内编码方式，WZ帧进行DCT变换、量化等操作后通过传输网络传入解码端。K帧通过DCT变换生成WZ帧的边信息，最终完成基本层的视频解码。将基本层分为呢帧与K帧，在普通时间区间有效降低编码能源消耗，在关键监测时间段内满足传输节点的需求，实现了视频根据需求进行传输。

权利要求：1.一种基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，其特征在于:将分级视频编码引入DISC0VER分布式视频编码框架中，实现分布式视频编解码中的分级传输，包括基本层编码框架与增强层编码框架，两部分框架由熵计算器模块与控制模块连接，编码框架自行控制传输的视频分辨率;当熵计算器模块计算视频帧信息量较小即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值时，编码端只进行基本层编码，解码端只进行基本层；当熵计算器模块计算视频帧信息量较大即视频图像熵超过视频背景图像熵的设定比例值时，熵计算器激活增强层信息编码，解码端激活增强层信息解码。2.如权利要求1所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，其特征在于:具体包括以下步骤，51、进行视频采集；52、对采集的视频进行编码，进入关键帧判断，奇数帧为关键帧，偶数帧为WZ帧，关键帧和WZ帧的原始视频码流经过下采样器，得到满足解码端需求的视频分辨率，称之为基本层，基本层的关键帧经过上采样后，与关键帧原始视频码流进行减操作，得到关键帧增强层，具体过程为：521、对采集的视频划分出视频序列的关键帧K帧和WZ帧即Wyner-Ziv帧，对K帧和WZ帧分别采用的不同编码方式进行编码，WZ帧转向步骤S22，K帧转向步骤S23;522、对WZ帧进行DCT变换，并经过量化、LDPCA编码后，将校验信息存储在缓冲器中，编码端一旦收到来自解码端的反馈请求，立即进行信息传送；523、对进行下采样后的K帧进行基于H.264标准的帧内编码；53、解码基本层；54、解码增强层。3.如权利要求1所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，其特征在于:步骤S3具体为，531、将K帧解码，进入熵计算器，与熵阈值进行比较，若大于熵阈值，进入S32;若小于熵阈值，进入S33;532、控制器打开基本层解码器，进入分层编码；533、将K帧解码，放入帧缓冲器中；若执行S32，则继续向下执行S34，若没有执行S32，则直接进入S36;534、解码器端通过前后相关帧，利用运动补偿帧内插的方法为每一WZ帧生成估计值，即为边信息；535、利用相关噪声模型，对WZ帧进行解码重构，通过IDCT还原WZ帧；536、将解码后的WZ帧和K帧组合，恢复出视频。4.如权利要求3所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，其特征在于:步骤S32中，打开分层编码具体为：5321、将K帧进行解码，并通过上采样器对其进行上采样；5322、将K帧的原始帧与上采样器后的帧进行相减，得到增强层信息；5323、将增强层信息进行增强层编码器编码，并通过传输，送入混合器。5.如权利要求2所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，其特征在于:步骤S4具体为，541、将K帧上采样，与增强层编码器进行加和，生成增强层关键帧；542、通过前后关键帧，生成增强层边信息；543、将WZ帧进行上采样，根据增强层边信息恢复增强层WZ帧；544、将增强层WZ帧和增强层K帧组合，恢复增强层视频。6.如权利要求2所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法，其特征在于:熵计算器模块计算视频帧信息量较小即视频图像熵不超过视频背景图像熵的设定比例值10%，熵计算器模块计算视频帧信息量较大即视频图像熵超过视频背景图像熵的设定比例值10%。7.—种采用权利要求1-6任一项所述的基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法的系统，其特征在于:包括编码端和解码端，编码端:进行视频采集后，将采集视频的每一帧被分为基本层和增强层，采集的原始视频码流经过下采样器，得到满足解码端需求的视频分辨率，称之为基本层，基本层经过上采样后，与原始视频码流进行减操作，得到增强层;将基本层分为WZ帧与K帧，具体过程为:对采集的视频划分出视频序列的关键帧K帧和WZ帧即Wyner-Ziv帧，对K帧和WZ帧分别采用的不同编码方式进行编码;对WZ帧进行DCT变换，并经过量化与LDPCA编码后，将校验信^存储在缓冲器中，编码端一旦收到来自解码端的反馈请求，立即进行信息传送;对"K帧进行基于H.264标准的帧内编码；解码端:解码基本层与增强层。

百度查询： 南京邮电大学 基于DISCOVER框架的分级分布式视频编码方法及系统

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