随着编码技术与通信技术的发展,基于IP的视频流应用正受到学术界和产业界越来越多的关注.本论文针对实时视频流的高效编码和鲁棒传输技术进行了多方面的研究,这些研究工作对于视频流的广泛应用具有重要意义.本文的主要工作及取得的研究成果可以概括如下: 首先,我们简单地回顾了视频流技术的现状.与基于电路交换的传统视频通信相比,基于IP的视频流通信有其自身的信源和信道特性.在第一章中,我们系统介绍了与视频流相关的各种技术及国际标准. 当视频流通过无反馈的有损信道时,帧内刷新机制能够缓解视频包丢失导致的错误扩散效应.除了通过"Lagrangian 率失真"或者"绝对误差和"模式判决产生的少量帧内模式宏块外,编码器或者转码器可能需要增加一些"强制性"的帧内模式宏块来提高视频流传输的可靠性.通过分析在一个图像组(GOP)中的错误扩散特性,在第二章中,我们提出了一种不均等的"强制帧内刷新"(FIr)策略.根据所推导的GOP级错误扩散模型,建议的不均等FIr方案能够优化地为GOP中不同视频帧分配不均等数量的强制帧内模式宏块.仿真实验表明建议的不均等FIr方案能够有效地增强视频流在异构信道条件下的鲁棒性.与目前 H.264/AVC工具选项中的平均FIr方案相比,不均等FIr方案在实验中取得了大约0.1～0.9 dB 的平均峰值信噪比(PSNR)增益. 在较低比特率视频流通过无线信道的情况下,连续的视频帧丢失可能是无法避免的.因此在第三章中,我们建议了两种具有容错性能的视频流方案来对付这种连续的帧丢失.首先,考虑到GOP中视频帧的不均等重要性和无线信道的时变错误特性,我们提出了一种信道感知的丢帧方案,用于将突发错误转移到相对不重要的视频帧中.基于自动重传请求(ARQ)机制,视频代理服务器就能够感知无线信道状况的变化,从而自适应地为小同视频帧分配不均等的传输机会.其次,我们还提出了一种基于无反馈"参考帧选择"(RPS)的容错包调度算法,称之为"基于无反馈RPS的包调度"(RS-PS).存满足不同延时限制的前提下,RPS-PS算法根据视频包在原始图像序列中的相应位置对其发送次序实施小同的调度.RPS-PS算法能够将连续的视频帧丢失尽可能地分散到单独的预测链路中,从而降低了不同预测链路同时出现严重损伤的概率.我们对上述两种建议的方案进行了容错性能分析,并进行了相应的仿真实验以证明我们方案的有效性. 当区分重传机制在无线局域网(WLAN)中可得时,分层视频编码技术能够用于改进无线局域网视频流的容错性能.在第四章中,我们提出了一种联合媒体访问控制(MAC)层重传和应用层数据分类的错误分散方案.由于不同的数据分区在实时和带宽限制下具有不均等的重要性,建议的方案采用不均等的MAC层重传机制来分散突发错误,使突发错误被分散到一幅图像中相对不重要的数据分区,这样即使在恶劣的信道条件下接收端也能够获得较为平缓的重建图像降质. 在蜂窝网络系统中,由于衰落、干扰或有损切换的影响,无线接入网比有线核心网更容易出现传输错误.为了避免视频流通过蜂窝网络时出现令人难以忍受的质量下降,结合各种通信协议层次的联合优化是有必要的.为此在第五章中,我们提出了一种跨层的条件反馈方案.建议的方案首先用不均等的链路层反馈来对付无线接入网中的信道残余错误,然后用"端到端"(end-to-end)的传输层反馈来增强蜂窝视频流的容错能力.建议的方案能够协调不同通信层次的服务质量(QoS)参数之间的映射关系.仿真结果表明,相比于传统的条件反馈方案,建议的方案能够更有效地改进蜂窝视频流的整体性能. 在第六章,我们研究了视频编码中运动估计算法的改进问题.众所周知,块匹配运动估计在实时编码中占了相当大的运算量.基于菱形搜索和六边形搜索,我们提出了一种搜索形状可变(VSS)的快速块匹配算法:初始步骤中的大菱形搜索用来适应视频运动矢量场的中心偏置分布特性;接着,不同方向性的六边形搜索用来确定最佳运动矢量所在的小范围区域;最后,小菱形搜索用于在小范围区域内选择最终的运动矢量.与MPEG-4基本档次中常用的菱形搜索(DS)算法相比,建议的vss算法能够在质量不明显降低的情况下取得一定的计算速度增益.VSS算法也具有易于硬件实现的简单规整性,适合于当前3G网络中的实时视频应用. 最后一章,我们研究了Reed-Solomon(RS)编码在视频流应用中的相关技术问题.绝大多数基于RS码的视频流方案都专注于分层视频技术,这些方案往往并不适合于众多的非分层视频编解码器.为了对付有损网络中的包丢失,我们提出了一种适合于非分层视频流的IP包封装方式,它有效地结合了按序宏块组织与跨包RS两种技术.另外,针对多个并发视频流的情形,基于视频内容复杂度的联合信源编码技术是维持不同流之间以及同一流内相对一致质量的有效方式.但是,这种联合信源编码机制并不能扩展到联合信道编码中去,特别是对于存在包丢失的Internet场合.因此我们针对多个并发视频流通过Internet的情形提出了一种新的联合RS保护方案.根据不同视频流的信道传输失真估计,RS码被有效地分配给不同的视频流,从而在不同流之间取得了相对一致的视频降质性能.