Towards underwater video transmission

Abstract

Català: Aquest projecte consisteix en la implementació d'un sistema acústic OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing; Multiplexació per Divisió de Freqüències Ortogonals) per a transmissions de vídeo submarines. El sistema està dissenyat per a enllaços de curta distància, amb retards breus i un ample de banda relativament gran. La recerca realitzada en aquest projecte es divideix en quatre parts diferenciades: 1. Recerca en tècniques de compressió de vídeo. 2. Recerca en tècniques de modulació i detecció. 3. Disseny de tècniques de processament de senyal destinades a compensar l'efecte Doppler. 4. Recerca en tècniques per reduir la codificació de canal. Pel que fa al primer punt (1), cal destacar que és important trobar un mètode de compressió de vídeo adequat que redueixi substancialment la quantitat d'informació a transmetre, per tal d'aprofitar al màxim la capacitat de transmissió de dades del canal submarí. La tècnica seleccionada ha estat el codificador VLBV (Very Low Bitrate Video) de l'estàndard MPEG-4, dissenyat per treballar amb seqüències d'imatges de vídeo rectangulars amb una alta eficiència de codificació, robustesa enfront els errors de canal, baixa latència i baixa complexitat per a aplicacions a temps real. Pel que es refereix al segon punt (2), la tècnica de modulació OFDM ha estat seleccionada per les seves excel·lents propietats per sistemes de comunicació d'alta velocitat en canals acústics submarins, caracteritzats per ser selectius en freqüència. No obstant, els problemes de sincronització i desplaçaments de freqüència causats pel moviment entre transmissor i receptor ?l'anomenat efecte Doppler? ha creat la necessitat de dissenyar un algorisme eficient (3) que faci front a aquesta distorsió. Pel que fa a l'últim punt (4), l'estàndard MPEG-4 ofereix un conjunt d'eines de protecció enfront els errors que ha estat incorporat al codificador de vídeo del sistema. Aquestes eines faciliten una comunicació segura en canals wireless sorollosos, oferint una protecció addicional contra les ràfegues d'error i mantenint una bona qualitat visual per al vídeo descodificat. D'aquesta manera, es pot reduir la codificació de canal aplicada a la informació transmesa, incrementant així la velocitat de transferència de dades del sistema.

Castellano: Este proyecto consiste en la implementación de un sistema acústico OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing; Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales) para transmisiones de video submarinas. El sistema esta diseñado para enlaces de corta distancia, con retardos breves y anchos de banda relativamente grandes. La investigación realizada en este proyecto se divide en cuatro partes diferenciadas: 1. Investigación en técnicas de compresión de video. 2. Investigación en técnicas de modulación y detección. 3. Diseño de técnicas de procesado se señal destinadas a compensar el efecto Doppler. 4. Investigación en técnicas para reducir la codificación de canal. Por lo que al punto (1) se refiere, cabe destacar que es importante encontrar un método de compresión adecuado que reduzca sustancialmente la cantidad de información a transmitir, con el objetivo de aprovechar al máximo la capacidad de transmisión de datos del canal submarino. La técnica seleccionada es el codificador VLBV (Very Low Bitrate Video) del estándar MPEG-4, diseñado para trabajar con secuencia de imágenes de video rectangulares con un alta eficiencia de codificación, robustez enfrente de errores de canal, baja latencia y baja complejidad para aplicaciones en tiempo real. En cuanto al segundo punto (2), la técnica de modulación OFDM ha sido seleccionada por sus excelentes habilidades para sistemas de comunicación de alta velocidad en canales acústicos submarinos, caracterizados por ser selectivos en frecuencia. Sin embargo, los problemas de sincronización y desplazamientos de frecuencia causados por el movimiento entre transmisor y receptor ?el conocido efecto Doppler? ha creado la necesidad de diseñar un algoritmo eficiente (3) que aborde esta distorsión. En cuanto al último punto (4) se refiere, el estándar MPEG-4 ofrece un conjunto de herramientas de protección contra errores que ha sido incorporado al codificador de video del sistema. Estas herramientas facilitan una comunicación segura en canales wireless ruidosos, ofreciendo una protección adicional contra las ráfagas de errores y manteniendo una buena calidad visual para el video decodificado. De esta forma, se puede reducir la codificación de canal aplicada a la información transmitida, incrementando así la velocidad de transferencia de datos del sistema.

English: This project addresses the implementation of an acoustic OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) system for underwater video transmissions aimed to work over short distance links, with short delays and relatively high available bandwidth. This work includes research on four main approaches: 1. Research on video compression techniques. 2. Research on modulation and detection techniques. 3. Design of signal processing techniques aimed to compensate for the Doppler effect caused by motion. 4. Research on techniques to reduce the channel coding applied to the video data. Regarding (1), it is important to find a suitable video compression technique that substantially reduces the amount of video data to be transmitted in order to properly utilize the limited bit rate capacity of the underwater channel. The chosen compression technique has been the VLBV (Very Low Bitrate Video) coder offered by the MPEG-4 standard due to its efficient low bit rate compression capabilities, aimed to work with conventional rectangular image sequences with high coding efficiency, high error robustness, low latency and low complexity for real-time applications. Concerning (2), the OFDM modulation technique has been considered for its excellent capabilities applicable to high speed communication systems in wireless acoustic underwater channels, characterized by frequency selectivity. However, the motion-induced Doppler distortion makes it important to design an efficient algorithm (3) that deals with the synchronization problems and frequency shifts caused by the accentuated Doppler effect in underwater channels. With regard to (4), a set of error resilience tools offered by the MPEG-4 standard has been implemented at the video encoder. These tools enable robust video communication over noisy wireless channels by offering additional protection over error bursts and maintaining the visual quality of the decoded video. This allows the conventional channel coding applied to the video data to be reduced, thus increasing the available data rate of the system.