CN104394414B - 用于可伸缩视频编解码器的空时块码‑差分混沌键控的视频传输方法 - Google Patents

Abstract

用于可伸缩视频编解码器的空时块码‑差分混沌检控的视频传输方法，涉及一种视频传输方法。本发明是为了提高视频传输的平均PSNR值，以及为了提高视频传输的视觉质量。本发明提出了可用于SVC视频传输的低接收端检测复杂度的STBC‑DCSK结构。在发送端采用四个发送天线，其中每两个发送天线作为一组。本发明主要是设计一种新的STBC‑DCSK码字结构，通过设计的传输结构可以有效地提高误码率性能，同时适用于SVC视频传输。

Description

用于可伸缩视频编解码器的空时块码-差分混沌键控的视频 传输方法

技术领域

本发明涉及一种视频传输方法。

背景技术

空时块码(STBC)作为一种很受欢迎的无线传输标准的备选方案，主要是因为STBC可以在接收端有效地提高信号的质量。众所周知，STBC的引入，在接收端显著的增加了最优检测算法的复杂度。因此，提出一种可以达到满分集、低检测复杂度的STBC设计非常重要，也有许多学者正在为此而奋斗。

差分混沌键控(DCSK)作为一种数字混沌通信技术已经被深入研究，是因为它不需要信道状态信息以及接收装置简单，并且可以很好的克服衰落信道造成的影响。最近，许多学者不仅研究DCSK在SISO系统的应用，还研究了在MIMO系统中的问题。

在文献Ma H,Kan H.于2009年公开的《Space-Time Coding and Processing withDifferential Chaos Shift Keying Scheme》和Kaddoum G,Vu M,Gagnon F.于2011年公开的《Performance analysis of differential chaotic shift keying communicationsin MIMO systems》中，2×2Alamouti空时码作为一种STBC码字结构而被应用。然而，它们要求接收端需要完美的知道信道状态信息。

Wang S,Wang X.于2010年公开的《M-DCSK-Based Chaotic Communications inMIMO Multipath Channels With No Channel State Information》中，作者提出了两种MIMO混沌通信技术，这两种技术都不需要知道信道状态信息。

Fang Y,Xu J,Wang L等于2013年公开的《et al.Performance of MIMO RelayDCSK-CD Systems Over Nakagami Fading Channels》，作者推到了多址接入MIMO中继DCSK协作分集系统的误码率问题。给出了在Nakagami衰落信道下闭环的误码率表达式的近似解。针对多数的SIMO系统中的FM-DCSK调制技术，正交Walsh函数被广泛的应用于发送端来提高速率，在接收端采用广义的最大似然检测算法进行接收检测。然而，对于DCSK在混沌量级的研究主要集中在速率为1的两天线和三天线的情况。

可伸缩视频编解码器(SVC)是H.264/AVC的扩展，由于SVC具有友好的视频编码策略，因此目前已经被广泛的应用。每一个视频序列通过SVC编码为一个基本层和若干个增强层，然后根据信道的好坏进行有效地资源分配来决定最终传输的视频信息比特。由于SVC的特殊结构，非均匀保护技术(UEP)可以有效地提高视频传输的视觉质量。

发明内容

本发明是为了提高视频传输的平均PSNR值，以及为了提高视频传输的视觉质量，从而提供一种用于可伸缩视频编解码器的空时块码-差分混沌键控的视频传输方法。

用于可伸缩视频编解码器的空时块码-差分混沌键控的视频传输方法，信号发射方法：

将待传输的视频数据流按每个8个比特进行分组，对于每一组数据均进行如下处理：

步骤一、将该8个比特分别进行空时块码(DUSK)调制，获得8个DUSK调制结果；

步骤二、将步骤一获得的8个DUSK调制结果分别进行差分混沌键控(STBC)编码，每一个DUSK调制结果经DUSK编码后分成前一半和后一半，即：R_i和D_i，i∈{1,2,…,8}；

在同一个信息比特的R_i和D_i分配到同一个天线中的原则下，通过如下码字结构：

采用四个天线将该DUSK编码结果发送至信道；

其中：yj,k表示在第j个天线上发送第k个信息比特，j∈{1,2,3,4},k∈{1,2,…,8}；

信号接收方法：

步骤三、采用单天线从信道接收步骤二发送的信号，获得接收信号r_k，令r_k＝[r_k,1,r_k,2]；其中：，r_k,1和r_k,2分别表示r_k的前一半和后一半；

则接收信号r_k表示为：

其中，ξ_k＝[ξ(1),ξ(2),…,ξ(β)]表示噪声矢量，ξ(i)是零均值功率谱密度为N₀/2的加性高斯白噪声；β为混沌参考信号部分的长度，取值为扩频因子长度的一半；N₀为单边功率谱密度。

步骤四、通过如下码字结构：

对接收信号r_k进行DUSK解码，获得8个信息比特的解码后结果c_i：

c₁＝r_2,1·r_3,1+r_4,1·r_5,1

c₂＝r_1,1·r_3,2+r_2,1·r_4,2

c₃＝r_1,2·r_4,1+r_2,2·r_3,1

c₄＝r_2,2·r_4,2+r_3,2·r_5,2

c₅＝r_4,1·r5_,2+r_6,2·r_7,1

c₆＝r_3,1·r_4,2+r_4,1·r_7,2

c₇＝r_4,2·r_6,1+r_3,2·r_5,1

c₈＝r_5,1·r_5,2+r6_,1·r_6,2

步骤五、根据公式：

对步骤四获得的8个信息比特的解码后结果c_i进行判定，并输出。

信号发射过程中，资源分配的方式是：将视频编码为若干个时间层和若干个质量增强层；

并按下列约束条件进行分配：

A、不同可伸缩视频编解码器(SVC)层的信息比特的数量各不相同；

B、每一层的重要程度各不相同；

C、每一个比特的误码率各不相同。

对于以下五类视频，其具体的分配方法为：

每个视频数据包含8帧，记为a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈；

对于Mobile.yuv视频序列，a5、a3、a2和a7用来传输基本层(T0)；a4传输所有的时间增强层(T1、T2和T3)；a1、a6和a8传输时间基本层的质量增强层(T4)。

对于Bus.yuv和Foreman.yuv视频序列，a5、a3、a2传输基本层(T0)；a7传输时间第一和第二增强层(T1和T2)；a4传输时间第三增强层(T3)；a1、a6、a8传输时间基本层的质量增强层(T4)。

对于Football.yuv视频序列，a5,a3传输基本层(T0)；a2,a7传输时间第一和第二增强层(T1和T2)；a4,a1输时间第三增强层(T3)；a6,a8传输时间基本层的质量增强层(T4)。

对于Soccer.yuv视频序列，a5、a3传输基本层(T0)；a2、a7传输时间第一和第二增强层(T1和T2)；a4输时间第三增强层(T3)；a1、a6、a8传输时间基本层的质量增强层(T4)。

本发明的STBC-DCSK能够的应用于SVC视频传输中，通过仿真结果表明，本发明的视频传输方法不仅具有较高的平均PSNR值，还具有较好的视频视觉质量。

附图说明

图1是本发明用于可伸缩视频编解码器的空时块码-差分混沌键控的视频传输方法的信号发射原理示意图；

图2是具体实施方式中，当2β＝256时，BER性能曲线仿真示意图；

图3是视频编码结构示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，用于可伸缩视频编解码器的空时块码-差分混沌键控的视频传输方法，

A.发送端

令b_i∈{1,-1}表示第i个二进制信息比特，R_i＝[x_i(1),x_i(2),…,x_i(β)]以及D_i＝b_iR_i，其中β是混沌参考信号部分的长度，也是扩频因子长度的一半。

首先，将要发送的数据流进行分组，每一组有8比特信息。然后，对每个信息比特进行DCSK调制，并分配到STBC编码器。最后，将信息映射到不同的天线进行发送。STBC-DCSK算法的系统框图如图1所示。

由于不同的发送天线具有不同的信道衰落情况，考虑到任何一比特信息经过DCSK调制之后又两部分(R_i和D_i)，因此在设计的时候，对于同一个信息比特的R_i和D_i要分配到同一个天线中，这样可以有效地降低天线之间的干扰。

表1中给出了一种有效地STBC-DCSK码字结构，其中，y_i,k表示在第i个天线上发送第k个信息比特k∈{1,2,…,8}。通过表1可以看出，8个信息比特在8个时隙中完成传输，因此速率为1。

本发明提出的STBC-DCSK设计方案将四个天线分为两组，第一和第二个发送天线负责发送每一组中的前四个信息比特，第三和第四个天线则发送后四个信息比特。

本发明的STBC-DCSK方案是一种特殊的两用户满分集STBC码字结构，其中每个用户配置两个发送天线。

表1

B.接收端

本发明主要考虑AWGN信道，以及接收端配置单天线的情况。对于任意k∈{1,2,…,8}令r_k＝[r_k,1,r_k,2]表示在第k个比特持续时间内接收到的信号矢量，其中，r_k,1和r_k,2分别表示r_k的前一半和后一半。接收信号r_k可以表示为：

其中，ξ_k＝[ξ(1),ξ(2),…,ξ(β)]表示噪声矢量，ξ(i)是零均值功率谱密度为N₀/2的加性高斯白噪声。

对于任意的i∈{1,2,…,8}令c_i表示第i个解码器的输出。根据表1的STBC-DCSK码字结构，所有解码器的输出可以表示为：

根据公式(1.2)，接收到的信息比特可以通过下面的规则来判定。

本发明具有如下特点：i)、具有四个发送天线，其中分为两组，每一组包含两个天线；ii)、不需要任何信道状态信息，也不需要射频延时单元；iii)、接收端检测算法复杂度低；iv)、速率为1；v)、对于同一分组中的不同信息比特的误码率不同，可以看作一种特有的非均匀保护策略；vi)、在混沌量级进行设计。

性能分析：

在发明中，推导提出的STBC-DCSK系统在AWGN信道下的误码率性能，采用的是高斯近似方法，当扩频因子比较大的时候，该方法是有效地推导误码率的方法。

根据表1，公式1.1和1.2，可以看作是对于每一个STBC帧结构中，不同信息比特具有不同的静态特性(误码率)。因此，需要逐比特进行性能分析。

首先分析c₁，其表达式为公式1.4，令ξ_R,i和ξ_D,i分别表示第i个比特持续时间内噪声矢量的前一半和后一半。为了表达简单，使用ξ_R和ξ_D表示两个不同的噪声矢量：

当扩频因子2β足够大的时候，任意两个混沌信号的互相关可以表示为

从公式(1.5)中可以看出，任意两个不同的混沌序列(比如U，V)的互相关值非常小。为了后续表达方便，令U和V表示两个不同的混沌序列。高斯噪声与混沌序列具有相互独立的特性。因此，有：

E(ξ_RU)＝0,

本发明采用CPF(second-order Chebyshev polynomial function)为混沌序列生成函

数，其表达式为：

x_j+1＝1-2x_j,(-1＜x_j＜1,x_j≠{0,±0.5})

并且所有的混沌序列都被归一化。

因此有，E(x_j)＝0，以及其中E(·)和var(·)分别表示均值和方差。

对于任意两个不同的混沌序列，有：

令表示发送一比特信息所需要的能量。则I_u，I_i，I_n，以及I_i,n均值可以表示为：

E(I_n)＝E(ξ_D,2ξ_R,3+ξ_R,4ξ_D,5)＝0 (1.10)

因此，c₁的均值为：

c₁的方差可以表示为：

对于不同的噪声ξ_R,3和ξ_R,4其互相关为零。

公式(1.17)中，2ξ_RD₁是ξ_R,3D₁+ξ_R,4D₁的缩写形式，因此var(2ξ_RD₁)应该等于2var(ξ_RD₁)而不是4var(ξ_RD₁)。

根据公式(1.5)和(1.6)的混沌相关特性，公式(1.13)中的所有互相关应该为零。

因此：

c₁的误码率可以表示为：

其中：示互补误差函数，表示接收信噪比。类似的，可以得到其余几个比特的误码性能如下。

基于上述的误码率表达式，图2给出了半扩频因子β＝256时，BER与Eb/N0性能曲线图。

资源分配：

本发明中，首先给出了SVC的简要介绍，然后根据不同视频测试序列的不同特性，提出了一种简单有效地资源分配策略。

SVC(A.Scalable Video Coding)是H.264/AVC视频编解码协议的一个扩展，它将视频编码为一个基本层和若干个增强层，不同层之间有严格的嵌套依赖结构。基本层可以提供一种可以接受的重构视频质量效果，当然，对于已经编码好的视频序列，根据实际的信道好坏来决定最终进行传输的视频层数，在接收端可以用来进行重构的视频的有效层数越多，恢复的视频效果越好。

本发明采用的视频编解码策略将视频编码为若干个时间层和若干个质量层。假设每一个GOP包含8帧，每一帧划分为18片，每一个宏块行为一片。

视频结构示意图如图3所示。

在图3中，T₀，T₁，T₂，T₃，T₄分别表示时间基本层，第一、二、三时间增强层，以及时间基本层的质量增强层。考虑到SVC视频编码结构的嵌套依赖特性，根据优先级从高到低可以排序为：T₀，T₁，T₂，T₃，T₄。换句话说，当T₀在传输的过程中如果发生错误，则无论其余层是否传输正确都对接收端的视频重构没有任何价值。这种嵌套依赖特性暗示了非均匀保护策略在SVC视频传输中的特殊地位。

从图2中可以看出，误码性能从好到差可以排序为c₅、c₃、c₂、c₇、c₄、c₁、c₆、c₈。因此，提出的具有UEP特性的STBC-DCSK方法是一种非常有效地SVC视频传输策略。

资源分配

依据图3的SVC视频编码结构进行编码，对于不同视频测试序列，每一层包含的数据量各不相同。在此，提出一种简单有效地资源分配方法，该方法主要有以下几个约束条件：

i)、不同SVC层的信息比特的数量各不相同；ii)每一层的重要程度各不相同；iii)设计的STBC-DCSK方案的每一个比特的误码率各不相同。对于任意的i∈{1,2,…,8}令a_i表示把信息比特分配给b_i所在的位置(经过接收端检测为c_i)。

基于上述的规则，针对下列五个视频测试序列，给出了一种简单有效地资源分配方法。

对于Mobile.yuv视频序列，a₅、a₃、a₂和a₇用来传输基本层(T₀)；a₄传输所有的时间增强层(T₁、T₂和T₃)；a₁、a₆和a₈传输时间基本层的质量增强层(T₄)。

对于Bus.yuv和Foreman.yuv视频序列，a₅、a₃、a₂传输基本层(T₀)；a₇传输时间第一和第二增强层(T₁和T₂)；a₄传输时间第三增强层(T₃)；a₁、a₆、a₈传输时间基本层的质量增强层(T₄)。

对于Football.yuv视频序列，a₅,a₃传输基本层(T0)；a₂,a₇传输时间第一和第二增强层(T1和T2)；a₄,a₁输时间第三增强层(T3)；a₆,a₈传输时间基本层的质量增强层(T4)。

对于Soccer.yuv视频序列，a₅、a₃传输基本层(T₀)；a₂、a₇传输时间第一和第二增强层(T₁和T₂)；a₄输时间第三增强层(T₃)；a₁、a₆、a₈传输时间基本层的质量增强层(T₄)。

Claims (2)

1.用于可伸缩视频编解码器的空时块码-差分混沌键控的视频传输方法，其特征是：信号发射方法：

将待传输的视频数据流按每个8个比特进行分组，对于每一组数据均进行如下处理：

步骤一、将该8个比特分别进行差分混沌键控(DCSK)调制，获得8个DCSK调制结果；

步骤二、将步骤一获得的8个DCSK调制结果分别进行空时块码(STBC)编码，每一个DCSK调制结果经STBC编码后分成前一半和后一半，即：R_i和D_i，i∈{1,2,…,8}；

在同一个信息比特的R_i和D_i分配到同一个天线中的原则下，通过如下码字结构：

采用四个天线将该STBC编码结果发送至信道；

其中：y_j,k表示在第j个天线上发送第k个信息比特，j∈{1,2,3,4},k∈{1,2,…,8}；

信号接收方法：

步骤三、采用单天线从信道接收步骤二发送的信号，获得接收信号r_k，令r_k＝[r_k,1,r_k,2]；其中，r_k,1和r_k,2分别表示r_k的前一半和后一半；

则接收信号r_k表示为：

$r_k=\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{y}_{j,k}+{\mathrm{\ξ}}_k$

其中，ξ_k＝[ξ(1),ξ(2),…,ξ(β)]表示噪声矢量，ξ(m)是零均值功率谱密度为N₀/2的加性高斯白噪声，m的取值范围为1至β；β为混沌参考信号部分的长度，取值为扩频因子长度的一半；N₀为单边功率谱密度；

步骤四、通过如下码字结构：

对接收信号r_k进行STBC解码，获得8个信息比特的解码后结果c_i：

c₁＝r_2,1·r_3,1+r_4,1·r_5,1

c₂＝r_1,1·r_3,2+r_2,1·r_4,2

c₃＝r_1,2·r_4,1+r_2,2·r_3,1

c₄＝r_2,2·r_4,2+r_3,2·r_5,2

c₅＝r_4,1·r_5,2+r_6,2·r_7,1

c₆＝r_3,1·r_4,2+r_4,1·r_7,2

c₇＝r_4,2·r_6,1+r_3,2·r_5,1

c₈＝r_5,1·r_5,2+r_6,1·r_6,2

步骤五、根据公式：

${\hat{b}}_i=\left\{\begin{array}{ccc}+1,& if& c_i\&GreaterEqual;0\\ -1,& if& c_i<0\end{array}\right.$

对步骤四获得的8个信息比特的解码后结果c_i进行判定，并输出；

信号发射和接收基于AWGN信道。

2.根据权利要求1所述的用于可伸缩视频编解码器的空时块码-差分混沌键控的视频传输方法，其特征在于信号发射过程中，资源分配的方式是：将视频编码为若干个时间层和若干个质量增强层；

并按下列约束条件进行分配：

A、不同可伸缩视频编解码器(SVC)层的信息比特的数量各不相同；

B、每一层的重要程度各不相同；

C、空时块码-差分混沌键控的视频传输方法的每一个比特的误码率各不相同。