Analog Joint Source Channel Coding for Image and Video Encoding and Transmission

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.