Analog Joint Source Channel Coding for Image and Video Encoding and Transmission
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http://hdl.handle.net/2183/30824Collections
- Teses de doutoramento [2115]
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Analog Joint Source Channel Coding for Image and Video Encoding and TransmissionAlternative Title(s)
Codificación Analógica Conjunta de Fuente y Canal para Codificación y Transmisión de Imagen y VídeoCodificación Analóxica Conxunta de Fonte e Canle para Codificación e Transmisión de Imaxe e Vídeo
Author(s)
Directors
García-Naya, José A.Fresnedo, Óscar
Date
2022Abstract
[Resumo]
Nos últimos anos aumentou significativamente o uso de dispositivos conectados a Internet, en particular
os smartphones e os dispositivos de Internet of things (IoT). Estes últimos están experimentando un
enorme crecemento grazas ao abaratamento dos custos, mellora das comunicacións sen fíos e ás novas
aplicacións que van aparecendo. Aínda que hai innumerables aplicacións, son as aplicacións multimedia
que fan uso de imaxes e vídeo as que requiren máis potencia de cálculo e maiores recursos de ancho de
banda.
Na actualidade, os sistemas máis avanzados de transmisión de imaxe e vídeo céntranse en solucións
dixitais que requiren complexos sistemas de codificación con moitos procesos para conseguir altas
taxas de compresión sen perder calidade visual. Ademais, os sistemas de transmisión dixitais precisan
introducir redundancia para evitar erros causados pola canle de comunicación, requiren dun mecanismo
de retroalimentación entre o receptor e o transmisor para adaptar a taxa de transmisión ás condicións da
canle e, no caso de que estes mecanismos fallen, a información debe ser retransmitida para permitir a súa
correcta decodificación.
Neste traballo propóñense sistemas de codificación e transmisión de imaxe e vídeo analóxicos
centrados en dispositivos IoT con recursos de procesamento de datos limitados e considerando
especialmente as comunicacións sen fíos de radiodifusión. Os sistemas propostos adaptan a calidade
visual recibida ás condicións da canle sen coñecemento do mesmo. A información máis relevante para
a calidade visual protéxese contra as distorsións introducidas pola canle mediante redundancia, mentres
que a cantidade de información que se transmite pode ser axustada ao ancho de banda dispoñible e á
calidade visual desexada descartando certa información para comprimila.
Este traballo contén unha revisión detallada do estado da arte, incluíndo unha análise das principais
tarefas de procesamiento de sinais e transformacións matemáticas utilizadas nos sistemas existentes. A
partir desa análise e dos requisitos do escenario considerado, propóñense varios esquemas de codificación
e transmisión baseados no uso dunha codificación fonte-canal conxunta analóxica. En primeiro lugar,
analízanse todas as decisións de deseño con respecto aos sistemas de imaxe e vídeo propostos e, a
continuación, avalíanse experimentalmente as súas prestacións segundo métricas de calidade de imaxe
como a structural similarity index measure (SSIM) ou a peak signal-to-noise ratio (PSNR). Tamén
se realizan análises subxectivas da calidade da imaxe percibida. En todos os casos, os resultados
obtidos contrástanse cos producidos polos sistemas de referencia dispoñibles na literatura, incluíndo
enfoques analóxicos, híbridos e totalmente dixitais. No caso do sistema proposto para a codificación e
transmisión de imaxes analóxicas, a avaliación realízase non só considerando canles simuladas, senón
tamén transmisións por aire realizadas cun demostrador. [Resumen]
En los últimos años ha aumentado significativamente el uso de dispositivos conectados a Internet,
en particular los smartphones y los dispositivos de Internet of things (IoT). Estos últimos están
experimentando un enorme crecimiento gracias al abaratamiento de los costes, la mejora de las
comunicaciones inalámbricas y las nuevas aplicaciones que van apareciendo. Aunque hay innumerables
aplicaciones, son las aplicaciones multimedia que hacen uso de imágenes y vídeo las que requieren más
potencia de cálculo y recursos de ancho de banda.
En la actualidad, los sistemas más avanzados de transmisión de imagen y vídeo se centran en
soluciones digitales que requieren complejos sistemas de codificación con muchos procesos para
conseguir altas tasas de compresión sin perder calidad visual. Además, los sistemas de transmisión digital
necesitan introducir redundancia para evitar errores causados por el canal de comunicación, requieren un
mecanismo de retroalimentación entre el receptor y el transmisor para adaptar la tasa de transmisión a las
condiciones del canal y, en caso de que estos mecanismos fallen, la información debe ser retransmitida
para permitir su correcta decodificación.
En este trabajo se proponen sistemas de codificación y transmisión de imagen y vídeo analógicos
centrados en dispositivos IoT con recursos de procesamiento de datos limitados y considerando
especialmente las comunicaciones inalámbricas de radiodifusión. Los sistemas propuestos adaptan la
calidad visual recibida a las condiciones del canal sin conocimiento del mismo. La información más
relevante para la calidad visual se protege contra las distorsiones introducidas por el canal mediante
redundancia, mientras que la cantidad de información que se transmite puede ser ajustada al ancho de
banda disponible y a la calidad visual deseada descartando cierta información para comprimirla.
Este trabajo contiene una revisión detallada del estado del arte, incluyendo un análisis de las
principales tareas de procesamiento de señales y transformaciones matemáticas utilizadas. A partir deste
análisis y de los requisitos del escenario considerado, se proponen varios esquemas de codificación y
transmisión basados en el uso de una codificación fuente-canal conjunta analógica. En primer lugar,
se analizan todas las decisiones de diseño con respecto a los sistemas de imagen y vídeo propuestos
y, a continuación, se evalúan experimentalmente sus prestaciones según métricas de calidad de imagen
como la structural similarity index measure (SSIM) o la peak signal-to-noise ratio (PSNR). También
se realizan análisis subjetivos de la calidad de la imagen percibida. En todos los casos, los resultados
obtenidos se contrastan con los producidos por los sistemas de referencia disponibles en la literatura,
incluyendo enfoques analógicos, híbridos y totalmente digitales. En el caso del sistema propuesto para
la codificación y transmisión de imágenes analógicas, la evaluación se realiza no sólo considerando
canales simulados, sino también transmisiones por aire realizadas con un demostrador. [Abstract]
The use of Internet-connected devices, particularly smartphones and Internet of things (IoT) devices,
has significantly increased in recent years. The latter are experiencing a tremendous growth thanks to
lower costs, improved wireless communications and new applications. Although there are countless
applications, it is the multimedia applications that make use of images and video that require the most
computing power and bandwidth resources.
Today, the most advanced image and video transmission systems focus on digital solutions that
require complex encoding systems with many processes to achieve high compression rates without losing
visual quality. In addition, digital transmission systems need to introduce redundancy to avoid errors
caused by the channel, require a feedback channel between the receiver and the transmitter to adapt the
transmission rate to the channel conditions and, in case these mechanisms fail, the information must be
retransmitted to allow its correct decoding.
In this work, analog image and video encoding and transmission systems are proposed focusing
on IoT devices with limited data processing resources and especially considering broadcast wireless
communications. The proposed systems adapt the received visual quality to the channel conditions
without channel knowledge. The most relevant information for visual quality is protected against
channel distortions by means of redundancy, while the total amount of transmitted information can be
adjusted to the available bandwidth and the desired visual quality by discarding certain information to be
compressed.
This work contains a detailed review of the state of the art, including an analysis of the main signal
processing tasks and mathematical transformations used. Considering this analysis and the scenario
requirements, several encoding and transmission schemes have been proposed for multimedia content
which are based on the use of analog joint source-channel coding. First, all design decisions with respect
to the proposed image and video systems are analyzed, and then their performance is experimentally
evaluated according to image quality metrics such as the structural similarity index measure (SSIM)
or the peak signal-to-noise ratio (PSNR). Subjective analyzes of perceived image quality are also
performed. In all cases, the results obtained are contrasted with those produced by reference systems
available in the literature, including analog, hybrid, and fully digital approaches. In the case of the
proposed system for analog image coding and transmission, the evaluation is carried out not only
considering simulated channels, but also over-the-air transmissions performed with a testbed.
Keywords
Tratamiento de la señal-Técnicas numéricas
Internet de las cosas
Transmisión digital
Internet de las cosas
Transmisión digital
Description
Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01
Rights
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