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

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.