Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de traitement des signaux ITS

Low delay video coding

Varotto, Graziano ; Mlynek, Daniel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3453.

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    Summary
    Analogue wireless cameras have been employed for decades, however they have not become an universal solution due to their difficulties of set up and use. The main problem is the link robustness which mainly depends on the requirement of a line-of-sight view between transmitter and receiver, a working condition not always possible. Despite the use of tracking antenna system such as the Portable Intelligent Tracking Antenna (PITA [1]), if strong multipath fading occurs (e.g. obstacles between transmitter and receiver) the picture rapidly falls apart. Digital wireless cameras based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation schemes give a valid solution for the above problem. OFDM offers strong multipath protection due to the insertion of the guard interval; in particular, the OFDM-based DVB-T standard has proven to offer excellent performance for the broadcasting of multimedia streams with bit rates over 10 Mbps in difficult terrestrial propagation channels, for fixed and portable applications. However, in typical conditions, the latency needed to compress/decompress a digital video signal at Standard Definition (SD) resolution is of the order of 15 frames, which corresponds to ≃ 0.5 sec. This delay introduces a serious problem when wireless and wired cameras have to be interfaced. Cabled cameras do not use compression, because the cable which directly links transmitter and receiver does not impose restrictive bandwidth constraints. Therefore, the only latency that affects a cable cameras link system is the on cable propagation delay, almost not significant, when switching between wired and wireless cameras, the residual latency makes it impossible to achieve the audio-video synchronization, with consequents disagreeable effects. A way to solve this problem is to provide a low delay digital processing scheme based on a video coding algorithm which avoids massive intermediate data storage. The analysis of the last MPEG based coding standards puts in evidence a series of problems which limits the real performance of a low delay MPEG coding system. The first effort of this work is to study the MPEG standard to understand its limit from both the coding delay and implementation complexity points of views. This thesis also investigates an alternative solution based on HERMES codec, a proprietary algorithm which is described implemented and evaluated. HERMES achieves better results than MPEG in terms of latency and implementation complexity, at the price of higher compression ratios, which means high output bit rates. The use of HERMES codec together with an enhanced OFDM system [2] leads to a competitive solution for wireless digital professional video applications.
    Résumé
    Les caméras analogiques sans fils ont été utilisées pendant des années sans devenir une solution universelle car elles sont difficiles à metre en place et à utiliser. Le problème majeur se situe au niveau de la robustesse de la liaison RF, qui dépend principalement de la présence d'une vue directe entre le transmetteur et le récepteur, ce qui n'est pas toujours possible dans la pratique. Bien que des systèmes de poursuite d'antenne aient été développés coment le Portable Intelligent Tracking Antenna (PITA [1]), une perte significative d'images apparaît en présence de fortes atténuations et de chemins multiples, due par exemple à des obstacles entre le transmetteur et le récepteur. Les caméras numériques sans fils basées sur le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) représentent une solution appropriée au problème décrit auparavant. L'OFDM offre une protection efficace en cas de chemins multiples rencontrés en transmission hertzienne terrestre grâce, entre autres, à l'insertion d'un intervalle de garde. Plus particulièrement, la norme DVB-T, basée sur la technologie OFDM, s'est avérée excellente pour la distribution des flux multimédias avec des débits de plus de 10 Mbps, dans des canaux terrestres difficiles, pour des applications fixes ou portables. Néanmoins dans des conditions typiques de travail, la latence nécessaire pour compresser et décompresser un signal vidéo numérique de résolution SD (Standard Definition) est de l'ordre de 15 images, ce qui correspond à environ 0.5 secondes. Ce délai introduit un problème important dans le cas où ces caméras sans fil doivent être interfacées avec des caméras classiques (avec fils). Ce type de caméras n'utilisent pas de compression, vu que la connection via un câble entre le transmetteur et le récepteur ne donne pas de restrictions sur la bande passante. La seule latence sur une connexion câblée est due à la propagation des signaux dans le câble, qui peut être considérée comme négligeable. Lors de la commutation entre différentes sources composées de caméras avec et sans fil, la latence résiduelle ne permet pas de maintenir la synchronisation entre l'audio et la vidéo. Une solution à ce problème est l'utilisation d'un algorithme de compression vidéo à très bas délai, basé sur un schéma qui ne requiert pas le stockage d'une grande quantité de donnés intermédiaires. L'analyse de la dernière méthode de codage vidéo, basée sur le standard MPEG, met en évidence une série de problèmes qui limite l'efficacité d'un tel codage pour le bas délai. Nous aborderons tout d'abord l'étude du standard MPEG afin de mettre en évidente ses limites du point de vue du délai d'encodage et de la complexité à être implémenté. Ensuite, une solution alternative basée sur HERMES, un algorithme propriétaire, sera décrite, évaluée et implémentée. HERMES donne des meilleurs résultats que MPEG sur la latence d'encodage et la complexité d'implémentation, mais HERMES ne peut pas produire des taux élevés de compression, ce qui se traduit par un haut débit binaire en sortie. L'utilisation du codec HERMES, conjointement avec un système OFDM amélioré [2], offre une solution compétitive pour des applications professionnelles de transmission vidéo numérique sans fil.