Sistemas de transmisión de vídeo digital

Este tema de investigación se refiere al estudio de sistemas originales de comunicación de vídeo digital que permitan optimizar la calidad del vídeo recibido.

Para garantizar un alto nivel de calidad de vídeo en la recepción del usuario, aplicamos un enfoque conjunto de técnicas de codificación de la fuente y del canal, con el fin de optimizar los parámetros del sistema de transmisión (Fig. 1).

El trabajo se basa principalmente en dos áreas de experiencia: la codificación de imágenes fijas y de vídeo (codificación y transcodificación MPEG-2, 4 - H.264 AVC/SVC) y las técnicas de procesamiento de señales dedicadas a los sistemas de telecomunicaciones (codificación de canales, modulaciones jerárquicas, carga de bits, estimación de canales).

Figura 1: Ilustración de un sistema robusto de transmisión de vídeo basado en la protección de carga desigual de bits y potencia.

Los ámbitos de aplicación a los que se dirige son la difusión de vídeo a través de redes alámbricas (ADSL, líneas eléctricas, fibra óptica) e inalámbricas, así como la videovigilancia para la seguridad del transporte (programa de investigación CPER CISIT).

En este segundo caso, el objetivo es extender el enfoque conjunto fuente/canal a sistemas robustos de transmisión de vídeo MIMO-OFDM en el contexto de una aplicación de videovigilancia entre un vehículo (autobús, metro) y una estación de control (seguridad en el transporte terrestre).

Los resultados obtenidos han dado lugar a varias publicaciones y se han puesto en valor recientemente en el proyecto ANR TOSCANE: Optimised Video Transmission Source/CAnal EchelonNablE (2007-2010), en particular a través de la implementación de un demostrador para la difusión de flujos de HDTV con compresión SVC a través de líneas ADSL2, con optimización de la calidad de extremo a extremo.

En los enlaces ADSL2 cuya capacidad de bitrate está limitada en su mayor parte por la distancia entre el abonado y la central telefónica, la calidad de la transmisión de vídeo de alta velocidad depende en gran medida de esta distancia. Hemos propuesto una solución completa para la transmisión de flujos de vídeo H264 AVC en alta definición que aumenta la distancia de elegibilidad para los servicios de IPTV de alta definición sobre ADSL en 1200 metros.

Para adaptarse a la velocidad de datos disponible en la línea telefónica del abonado, hemos desarrollado un transcodificador de flujos de alta definición H264/AVC de baja complejidad y en tiempo real, capaz de reducir la velocidad de vídeo inicial en un factor de 2. A continuación, la transmisión del flujo de vídeo adaptado a la tasa de bits mediante la transcodificación se optimiza mediante la asignación adaptativa de bits y potencia en los subcanales de la ADSL.

Figura 2

En el caso de las transmisiones PLC, las portadoras piloto se utilizan para la estimación del canal eléctrico y, por tanto, no llevan ninguna información. Buscamos optimizar la distribución de la potencia asignada a estas portadoras para maximizar la calidad de la estimación del canal y, por tanto, de la transmisión. Hemos demostrado que incluso para un canal en el que el ruido es muy coloreado (líneas eléctricas), una distribución de potencia uniforme, que es fácil de realizar, es casi óptima.

Uno de los puntos clave en la optimización de extremo a extremo de una cadena de transmisión multiportadora DMT (Discrete Multitone Modulation) u OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) es la optimización de la tasa de bits teniendo en cuenta la potencia asignada y las restricciones de compatibilidad electromagnética (Fig. 2).

Para este objetivo, hemos desarrollado un algoritmo de asignación rápida de bits y potencia para la transmisión multiportadora que tiene en cuenta la tasa de error de símbolo, la potencia espectral de transmisión (máscara de potencia) y las restricciones de orden de modulación tecnológica. El algoritmo propuesto, ofrece importantes ventajas: algoritmo O(N), donde N es el número de portadoras, no requiriendo la programación previa de las portadoras.

En comparación con los algoritmos de la misma familia que cargan toda la tasa objetivo en dos o tres pasos, la complejidad de la fase final del algoritmo propuesto (los bits restantes a cargar) está en casi todos los casos especificada de antemano.

Figura 3: Caracterización del enlace ADSL en función de los parámetros físicos de la línea y del entorno de transmisión.

En el caso concreto de las aplicaciones de videovigilancia, propusimos dos innovadores esquemas de transmisión de vídeo basados en la combinación de tecnologías MIMO con codificación de descripciones múltiples, por un lado, y una codificación de regiones de interés escalable basada en la herramienta Flexible Macroblock Ordering (FMO), por otro.

La filosofía de estas dos técnicas es diferente, pero cada una de ellas permite mejorar la robustez del enlace inalámbrico y, especialmente, mejorar la calidad de las señales de vídeo recibidas incluso en canales MIMO espacialmente correlacionados. La figura siguiente ilustra el rendimiento en el caso de los flujos de vídeo dentro de un tren (Fig. 4).

Figura 4: Ilustración de la calidad del vídeo recibido con un esquema de transmisión de vídeo MIMO tradicional (izquierda), y el esquema de transmisión de vídeo MIMO de área de interés propuesto (derecha): en el segundo caso, se puede observar que los errores de transmisión no afectan al área de agresión vigilada.

Se está validando la extensión de la metodología utilizada para la transcodificación H.264/AVC a otros esquemas de codificación de vídeo (SVC, y luego MVC para contenidos audiovisuales en 3D). También estamos iniciando en enero de 2011 un estudio sobre la implementación en FPGA de técnicas de prefiltrado de vídeo para optimizar la compresión H.264/AVC de flujos de televisión de alta definición.

En el marco de la transmisión por líneas eléctricas, disponemos a través de los cables de alimentación de varios canales y planeamos realizar una transmisión robusta de flujos de videovigilancia implementando tecnologías MIMO. Por último, en otro tema del grupo, se ha desarrollado una solución para realizar la transmisión MIMO sobre fibra óptica. La transmisión de flujos de alta definición sin pérdidas escalables debería adaptarse pronto a dicho medio de transmisión.

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