（信号与信息处理专业论文）h264avc视频传输的不等差错保护.pdf

南京鼯魄学院0 l 缓硕士学位论文 摘要 黼潜无线移勘通信技术的不断发展，光线信道中的视频通信技术的研究开始 或为热点，共虽蹙一瑷狠大黪掇战。& 2 s 唾a v e 檬准匏稳鹞率戆压缝特性扩大了 视频的无线应霜范瀚。针对纛线信道对交、潞错的特性，趱年来提出了联合信源 信道编码的思想，它能够帮助获得最优的擞体传输性能。= 葭许多实际的无线视频 传辕痰髑中，联合蕊源若遘编码思想罄褥戮了穰好貔建嗣，露示了它凌无线疆 菝转输领域中酌巨大优越性。 本文提出一种通合于无线视频应用的联合信源信道编码技术。该技术结合一 些我稻掰熬悉懿登像壤舀巍甓道缡避方法形成一套逶谤系统，实现无线谊道上低 比特率褫频业努构传送。系统韵核心魑采用多码攀兼容豹测余卷积码 ( r c p c r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l ) 为信道编码技术，对 # ，2 6 4 信源编璐器蕊输密码滚实萼亍不等差错爨护( u e p - - u n e q u a l e r r o r p r o t e c t i o n ) ，要求信源编码器在输出编码比特流的同时输出反映这蝗比特流重 要性级别的信息( s s i - - s o u r c es i g n i f i c a n c ei n f o r m a t i o n ) ，用于控制信道编码 速率，双琵在复杂多变瞻无线僖道琢壤下保证了凝频豹可靠健输。 躐后，本文对该套通信系统进行了仿真嶷现，并在此蒸础上进彳亍懿验分析， 并提出了改进的u e p 方案( a u e p ) ，实验结聚证明，本文掇出的这种联合信源信 遒编娼技术增强了视频在无线镕遘转送过程审麓撬误璃毪。 关键词：h 2 6 4 a v c ，不等差错保护，删余糟积码，无线视频 毒象郎电学院0 1 缀磷士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e d d e v e l o p m e n to f w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h er e s e a r c ho f t h ev i d e ot r a n s m i s s i o nf o rw i r e l e s sc h a n n e l sh a sb e e n v e r yp o p u l a r a n di t sag r e a t c h a l l e n g ef o r u s t h eh 2 6 4 a v cv i d e o c o d i n g s t a n d a r de x p a n dt h e w i r e l e s s a p p l i c a t i o n s c o p ew i t hi t sh i g he f f i c e n tc o m p r e s s i o n c o m p a r e dw i t hw i r ec h a n n e l s ，w i r e l e s s c h a n n e l sa r em u c hm o r e c o m p l i c a t e d b e c a u s et h ew i r e l e s sc h a n n e l sa r ep r o n et oe r r o r s a n dc h a n n e l s c h a r a c t e r sa l w a y s c h a n g e i nt h e s ed a y s ，t h e j o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n g i sw i d e l yu s e di nw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o na n di ti sp r o v e dt ob eag o o dm e t h o df o r w i r e l e s sv i d e o a p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , w ew i l tp r e s e n tan e w j o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n gs c h e m es u i t a b l e f o rw i r e l e s sv i d e oa p p l i c a t i o n s s e v e r a lw e l l - k n o w nm e t h o d sf r o mt h ea r e a so f i m a g e a n dc h a n n e lc o d i n ga r ec o m b i n e dt op r o v i d eas y s t e mf o rt r a n s m i t t i n gl o wb i t r a t e v i d e oo v e rw i r e l e s sc h a n n e l s t h es y s t e mi sb a s e d0 nt h eu s eo fr a t ec o m p a t i b l e p u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e st h a t a p p l yu n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n t ot h eh 2 6 4 s o u r c ec o d e li td e m a n d st h a tt h es o u r c ec o d e ra l s on e e d st o o u t r ，u t t h es o u r c e s i g n i f i c a n c ei n f o m a a t i o no ft h ec o d e db i ts t r e a mf o rc o n t r o l l i n gt h ec h a n n e lc o d i n g e x c e p t i n gt h eu s eo fr a y l e i g ha n dr i c ec h a n n e lm o d e l s ，t h i sp a p e ra l s o s e t su pa g e n e r a lm o d e l f o rw i r e l e s sc h a n n e l s ， f i n a l l y , w es i m u l a t et h es y s t e m ，a n dd os o m ee x p e r i m e n t so nt h es i m u l a t i o n s y s t e m ，a n db r i n gf o r w a r dt h ei m p r o v e du e p ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wj o i n t s o u r c e c h a n n e lc o d i n gm e t h o dh a se n h a n c e dt h ev i d e oe r r o rr e s i l i e n c ef o rw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：h 2 6 4 a v c ，u e p ，r c p c ，e r r o r r e s i l e n c e ，w i r e l e s sv i d e o 南京螂电学院o l 级醺士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着信息技术的发展和被会的进步，人类对信息的需求越来越丰富，人们 希翘无论何时何地都能够方便、快捷、灵活地通过语脊、数据、图像与视频等 多耱方式进行邋绩。视觉售惑绘人翻壹戏、生动鲍形象，图像视频瓣传输更 受别人们广泛地关注( 1 。 近年来，光缆骨干网、v 9 0 调制解调器和电缆调制解调器的迅逋普及己大 大提毫了上瞬遗率，基本满足了天蜘舅藏在因特网上流楚信息的羲鼗，譬越令 人深感欠缺的照全球化、个人化的可视信息交流。而以i m t 一2 0 0 0 标准为核心 的第三代( 3 g ) 移动通信系统有效地改善了通信网的邋信质量和通信带宽，它 以及筹露霞帮纛露我移动邋傣遥求懿主螫瑟拣之一也楚实现多媒髂数务。另 外，超大规模集成电路( v l s i ) 技术和宽带数字网技术的发展，更加使入们对 数字视频业务如可视电话、会议电视、安全监视、电视购物、高清晰度电视 ( h o t v ) 、携缀点播( v o o ) 鞠o v d ( 数字化视频光盘) 簿产生了越来越浓厚懿 兴趣。 虽然第三代移动通信系统的出现和i p 网络的迅速黢展，使得视频通信正逐 步戏为遽信的麦簧、韭务之一。然瑟，实嚣懿无线霸i p 镶i 整会导致谈鼹产生， 例如：无线信邋中的多径衰落产生误码和i p 信道上的阻塞丢包等。由于信道 带宽的限制，视频通信的数据往往是压缩编码以后的数据，而压缩以后的数据 对谡码 誊敏感，造成误确环境下恢复图像餍量严重下隆。因建，必须采用多 种有效的抗误码方法来保铤恢复视频的质凝。 本章内容包括两部分，酋先，讨论了阑像压缩编码发展概况及其标准化进 稳；接下来，阐述了误码黪辘下视频绩竣掰露妪鳃润鼷，著综述载频抗误玛方 法的研究现状。 南糸邮电学院o l 缀鞭士学位论文 1 2 图像压缩编码发膜概况及其标准化进程 图像压缩编码从1 9 4 8 年电视信号数字化提出以来，已有五十多年的历史， 不仅在理论研究上取得了重大进步，而且在实际应用中也获得了很大成果。近 卡年寒，圈豫缡璃按本缮弱了逐速发爨耪广泛应曩l ，势曩嚣臻或熟，箕蠡恚裁 魑多个关于图像编码的国际标准的制定，即国际标准化组织i s o 和阑际电工委 员会i e c 关于静慷图像的编粥标准j p e g j p e g 2 0 0 0 ，关于活动图像的编码标准 m p e g l 、m p e g 一2 、m p e g 一4 镣，戳及雪酝惫售袋显i t u l 裁定弱援频缀羁耘难 h 2 6 x 系列。谶些标准采用的图像编码算法融合了各种性能优良的圈像编码方 法，代表了目前图像编码的发展水平。袭1 - 1 给出了近年制定的图像视频压缩 缡弱稼疆。 标准笈布日期标题应用场台 j b t g 2 1 9 9 1 。9 p r o g r e s s i v eb i l e v e li g e 嫱囊等 c o m p r e s s i o n 用于二值翱像的累进压缩 编硒 j p g 3 1 9 9 2 1 0 d i g i t a lc o m p r e s s i o nc e d i n go f 数字照相、蓬缘视频编辑 c o n t i n u o u st o n e s t i l ii m a g e 连续色调等 静卷图像的数字压缩编码 j p e g 2 0 0 0 4 2 0 0 0 。1 2 j p e g 2 0 0 0i m a g ec o d i n gs y s t e m 下一线 p 襄、罄韵避绪、镑真、 静惑劂像编码标准电子商务等 m p e g 一1 5 】 1 9 9 2 1 l c o d i n go fm o v i n gp i c t u r e sa n d光盘存储、家用桃频、视 a s s o c i a t e da u d i of o rd i g i t a ls t o r a g e频鼗挎等 m e d i au pt oi 5 m b it s s 面向数字存储 的避动雕像及其伴音的编璐 m p e g 一2 6 1 9 9 4 1 lg e n e r i cc o d i n go fm o v i n gp i c t u r e sa n d熬字电筏、d v d 、裹渍糍廑 a s s o e i a t e da u d i oi n f o r m , a t i o n电视，i j 星f “视等 运动图像及其伴音的通用编码 m p e g 一4 7 】1 9 9 9 ，5c o d i n go fa u d i o v i s u a lo b j e c t sl p 蹦、交互武税颤、移葫 2 南京郫电学院o l 缀璐士学证论文 m p e g - 4 7 1 9 9 9 5 c o d i n go fa u d i o - v i s u mo b j e c t si p 网、交互式视频、移动 音鬏戡簇对蒙熬遵螽l 缡玛避售、专盈筏颡等 h 2 6 l 8 1 9 9 0 1 2v i d e oc o d e cf o ra u d i ov i s u a ls e r v i c e s i s d n ( 综合业务数字网) a tpx 6 4k b i t s spx 6 4k b i t s s 的酱视频会议 撬鞭渡势夔辕解羁 h 2 6 3 9 1 9 9 63 v i d e o c o d i n g f o rl o wb i tr a t e h 2 6 3 + 1 0 】1 9 9 8 1 c o m m u n t e a t i o n察西可耗电诿、移动援簇 h 2 6 3 + + ( 1 1 2 0 0 01 l 低比特率通信的视频编码等 h 2 6 4e 1 2 2 0 0 3 5m p 鹋4 - 1 0 a v c ( a d v a n c e dv i d e oc o d e c ) 数字卫星广播、数字视频 存德鞋及 p 瓣 表i l ：视频压缩标准发展历程 标准的制定，并不意味蔚算法研究的终止，随着新的应用需求的不断提出， 爨窍兹栎疆会装疆凄菜些不逶痤。峦于耩，2 6 3 标准还只跫鞋像素块为蘩礁戆第 一代编码技术标准，没有在以显示器件为图像视频系统的最后环节中考虑人 眼视觉特性对编码图像的影口向，因此到了麓二代编码技术就提出了要充分利用 入裘季凳觉系统鞠心理褥往数及信源套耪瞧葳静要求，帮是要基于肉容豹，去簿 的是图像视频信号内容的冗余，其中基于对象的( o b j e c t b a s e d ) 方法称为中 层压缩编码方法( 基于语义的方法称为离层压缩编硝方法) ，例如新提出的 m p e g 一4 筏颓编褊标准。 由于近年泉，低速率视频传输的应用前景日益为人们所认识，如通过p s t n 网传输可视电话、互联网上的多媒体电予邮件、视频检索以及无线移动网上的 各炎援菝监务等。鑫j 龟一些黼际纯标准缝缓稳继开始辩发耨懿适应予辍低璃率 ( 即小于6 4 k b s ) 的音频视频编码的国际标准。在这种情况下m p e g - 4 标准顺应 潮流的诞生- i 。m p e g 一4 标准首次使用了对象( o b j e c t ) 的概念，如视频对象 v o ( v i d e oo b j e c t ) 、音额对象a o ( a u d i oo b j e c t ) 等，这是一个瑟瓣飞跃。掰 谓对象就是在一个场景中能够访问( 搜索绒浏览) 和操作的实体，进行对象分割 时可以将其纹瑷、形状、运幼等作为依据。这种以内密为中心的描述方法更符 会久豹心理特稳，跌嚣不俊熊获褥魄疆鸯像素为基璃懿标准更为筑麓翁压缩往 南京邮电学院0 l 级硕士学位论文 能，也为应用提供了各种新的基于内容交互的功能。 但是就目前的编码方案来说，m p e g 一4 依然是以予块为基础的混合编码，编 码处理是以视频对象平面v o p 为主，核心编码思想还是与h 2 6 3 的编码思想一 致，并且由于h 2 6 3 标准获得了极大的成功，被公认为是以像素和像素块为基 础的d c t m c 混合编码方案所能达到的最佳结果，因此又有一种新的想法将 h 2 6 3 和m p e g 一4 两者很好的结合起来，形成所谓的h 2 6 4 标准。 1 3 常用的抗误码技术 针对无线信道这一具体的应用环境，视频通信需要考虑两个至关重要的问 题。一是无线信道的带宽有限，如何满足高数据量的视频业务，这一问题采用 视频信源编码器来解决，如h 2 6 1 、h 2 6 3 、m e p g 一4 、h 2 6 4 等视频编码标准都 能很好的实现数据量的压缩，特别是h 2 6 4 这种低比特率编码算法，更是非常 适合带宽有限的无线信道中的视频应用。二是无线信道具有易错、时变的特点， 信道特性复杂多变，尤其是它的多径衰落特性更会引起幅度的畸变、信号的时 延扩展等一系列效应，成为无线信道中视频可靠传送的一个最大障碍，并且由 于常用的视频信源编码算法如h 2 6 3 、m p e g 一4 等生成的码字都是变长码字，这 些码字对信道误码又非常敏感，一个比特的误码都有可能造成误码扩散 1 3 3e 1 4 3 ，而无线信道中又以突发性误码为主，如果突发性误码持续的时间足够 长，足可以破坏整个g o b ( 块组g r o u po fb l o c k s ) ，甚至整个图像帧。显然提 高视频编码算法的抗误码能力是保证视频传输鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 的一个重 要方面 1 5 。 本文是针对无线信道这一具体的应用环境来考虑视频传送问题的。无线信 道具有时变易错的特点，因此采用信道编码技术提高信道中传送码流的抗误码 性是非常必要的。传统的信道编码技术对信道上的传送码流采用统一码率的信 道编码，从而实现了对所有传送信息的统一保护。但在无线信道中这样的做法 常常不能达到良好的系统传输性能，因为无线信道的信道特性时时刻刻在变， 有时条件比较恶劣，有时相对较好，并且信源编码器编码输出的码流中不同的 部分对于重建图像的作用也是不同，因此采用统一的信道编码技术不可能使系 统达到整体性能最优，为此我们可以通过信源信道编码器之间信息的传递来动 4 南京邮电学院0 l 级硕士学位论文 态的调整信源信道编码速率，从而使系统在任何情况下都能达到较为理想的整 体性能，这就是信源信道抗误码技术中一种联合信源信道编码的思想。通过 对h 2 6 4 码流的分割，对重要性不一的部分进行不等差错保护( u n e q u a le r r o r p r o t e c t i o n ) ，在输出编码比特流的同时输出反映这些比特流重要性级别的信 息( s s i s o u r c es i g n i f i c a n c ei n f o r m a t i o n ) ，用于控制信道编码速率，从而 在复杂多变的无线信道环境下保证视频序列的可靠传送。 论文共分为五章，第一章为绪论，简单地介绍了视频编解码的发展历史， 概述了视频抗误码的方法。第二章介绍了h 2 6 4 a v c 的算法特点，并与h 2 6 3 标准进行实验比较，我们在以下两种情况下进行性能比较： 1 、在输出码率大致相等的情况下，分析h 2 6 3 和h 2 6 4 编码的信噪比( s n r ) ； 2 、在具有相同编码信噪比( s n r ) 的情况下，分析h 2 6 3 和h 2 6 4 的输出速率： 第三章主要概述了视频抗误码研究的进展，第四章主要介绍了h 2 6 4 a v c 的抗 误码方法，f m o ( f l e x i b l em a c r o b l o c ko r d e r i n g ) ，冗余的片结构( r s s ) ，数据 分割( d p ) ，在数据分割的基础上，根据联合信源信道编码思想，提出了用r c p c ( 删余卷积码) 对输出视频进行不等差错保护，第五章介绍了利用m a t l a b 的 建立仿真系统模型，对模型进行了客观评价，主要是比较各种信道和不同码率 下误码率，主观评价，主要是评价经过u e p 和没有u e p 的序列的解码后的图像， 最后根据h 2 6 4 a v c 的s e i ( s u p p l e m e n t a le n h a n c e m e n ti n f o r m a t i o n ) 特性并 提出了自适应的u e p 方案( a u e p ) 。 南京酃电学院o l 级硕士学位论文 第二章h 。2 6 4 的算法特点 h 2 6 4 是i t u t 和i s o i e c 正在制定的视频编码标准，目的在予提高编码 效搴耱对网络的适配性，来满是多种视频应用的要求。与耳前使用墩广泛的 h + 2 6 3 + 标准相阮，h 2 6 4 视频编码算法宥许多薪颖之鲶，本章在讨谂褫频抗误 码方法以前，酋先较为详细搬甄介绍h 2 6 4 编码算法的新特点 1 6 。 2 。1 算法的分层结构 h 2 6 4 编码算法总体上分为两层：视频编码层( v c l ) 完成对视频内容的有 效籀述；瓣络懑配层( n a l ) 完成在不同潮络上褪菝数爨懿打毫簧瓣，如蚕2 2 所示。其中，v c l 与h 2 6 3 - i _ 算法一样，都怒采用基于块的编码算法，差别在于 v c l 的编码算法更加灵活，鼠加入了一系列新的编码方法来提高编码效率。因 戴，v c l 豹後诗强标是为了瓣嶷缡鹃效率，雨n a l 莛瓣决季觅频q o s ( 瓣务矮量) 与网络q o s 的邋配。 h 。2 6 4 的算法在概念上w 以分为两层：视频编码屡( v c l ：v i d e oc o d i n g l a y e r ) 受奏麓效酌粳颓肉骞表示，弼络撼敬屡( n a l ：n e t w o r ka b s t r a c t i o n l a y e r ) 负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。h 2 6 4 编码器 分屡结构如图2 2 所示。在v c l 和n a l 之间定义了一个纂于分组方式的接口， 打氛和楣瘟静倍令嚣于n a l 豹一部分。这样，离编羁散率和弼络发盎孑往戆饪务 分别由v c l 和n a l 来完成。 其中，v c l 与h 2 6 3 算法一样，都是采用基于块的编码算法( 如图2 - 1 ) ，差 剿在于v c l 蕊缡褐算法更麴灵活，虽抽入了一系歹l 薪豹编鹤方法来掇南编羁效 肇。 6 囊裒部龟学酝o l 缀蘸士学缎论文 图2 - ih 2 6 4 a v c 基拳编码栏图 n a l 受责使用下鼷黼络的分段格式来封装v c l 数据，包括组帻、逻辑倍道 的信令、定时信息的利用或序列缩束信号等。例如，n a l 支持视频在电路交换 信道土的传输格式，支持视频在i n t e r n e t 上零i 髑r t p u d p i p 传输的格式。n a l 包括自己的头部信惑、段结构信意和实际载荷信息，即上层的v c l 数据。( 如 果采用数据分割技术，数据可能由几个部分组成) 。 _ l视频编码腠( v c l ) 控 宏块 制 事 数 - l数据势軎| | 据 7 丁 惩络逶琵层( n a l ) h 3 2 3 h 3 2 0h 3 2 4h 3 2 4 其它 i p 2 2 帧问预测 驾2 - 2 # ，2 6 4 k v c 酌分蒜熊鹌 较溺疆溅1 7 】舔予降低图豫夔懿竣攘关毪，逶遂采耀多羧参考葶羹曼，l 、运动颈 7 南窳邮电学院o l 缓硬士学位论文 测区域等方法，对下一帧精确预测，从而减少传输的数据量。每个亮度宏块被 翻分或形菝不等豹嚣壤( 冤潮2 3 ) ，终为运羲接述送域。其翊努方法有1 8 1 6 ，1 6 8 ，8 1 6 ，8 8 共4 种。当选用8 x 8 方式时，可以进一步划分成8 8 ， 8 4 ，4 8 和4 x 4 共4 个子区域。每个区域包含自己的运动向量，每个运动向 羹籁区域选取僚悫登须逶；蕊缡弱蒋簸。鬻j 邈，当选弱较大区域眩，麓予表示运 动向量和区域选取的数据量减少，但运动补偿后的残熬会增大；当选用小区域 时，残差减少，预测更精确，但用于表示运动向量和区域选取的数据量增大。 大嚣蠛逶台蕞浚峻润嚣震部分，枣区域邋套表现枣变阂戆缀节部分。 l 。 l23 卜 567 1 6 x 8 0 1 4 8 0 l 23 4 5 6 7 4 x 4 0l2 3 | t 56 7 s 9l ol l 1 2 1 31 41 5 臣2 3 宏块凳j 静方式 在h 。2 6 4 中，运动镁溅鹣精度遣套瑟敬迸，对i f ( 1 4 4 ：4 1 7 6 像素) 捂 式的图像，使用1 4 像素精度；对c i f ( 2 8 8 x 3 5 2 像素) 格式的圈像，使用 1 8 像素精度。萁中，1 4 像素插值是先使用一个6 抽头滤波器进行水平和垂 巍滤波褥舅半像索捶蓬点，然嚣对荬逡孬绫犍插篷。疆1 8 像素摇镶是奁接餐 用一个8 抽头滤波器进行水平和垂直滤波。 在帧内编码模式下，h 2 6 4 对空间系数进行双向颓测，而不是对变换后的 系数送抒预溺( 觅h 。2 6 3 + 懿先进渡蠹瑗溺模式) 。舅辩，与鞋。2 6 3 + 靛辫录n 类 似，h 2 6 4 支持参考帧可选横式，即在编码后续图像时，可以从编硒缓存中选 择使用前面的参考帧( 多于一帧) 进行邋幼估值。 h 。2 6 4 豫了支持l 搂、p 峻窝b 垂爽终，还提窭7 一种薪戆强豫炎鍪s p 蔽， 嚣 南囊掷电学院o 缀碗士学位论文 s p 帧也是预测编码帧，根据瀚要可以改变用于该帧预测的图像。s p 峻可用于 售道速率篓改变、援菝篦黪流鹃甥换窝鹗溅随撬接天等攥佟，在霹变秃线绩遵 上的视频通信和流媒体传输中有广泛的应用前景。 2 。3 变换编码与量纯 。2 6 4 根搬滚块编码的特性采用亮度块惠流变换、骰度块直流变按与普通 蓑魏变换摇缝合豹方式畿营了戳缝簧逮袋瘸瓣离教余弦变换。这秽变换兵煮 d c t 变换的所有特性，同时迸肖以下特性1 1 8 ” ( 1 ) 使髑整数算术运算，保证了糟魔； ( 2 变换煞核心搡终没祷黍法运算，民舂熬法蓦【l 移位； ( 3 ) 变换的比例系数可以整合到量化器中，从筒减少乘法运算的次数。 对于色度分爨剥采用类似蛇2 x 2 整型变换。 送行4 4 像素点交操懿，挝2 6 4 整瑗熬数交换骧臻找替终统鼗o c t ，其基奉 编码特性与44 点的二维d c t 变换相同，先进行一编整数行变缎，再进行 一维整数列变抉，这里的一维变换是系数均为整数的筒罄方程。例如，对一行 ( 捌 像素毽岛b ，c ，磋，e ，f 黥一缕整数炎揍舞下式艨承： a = 1 3 口+ 1 3 6 + 1 3 c + 1 3 d b ；1 7 口+ 7 6 7 c 一1 7 d c = 1 3 9 1 3 舂一1 3 0 + 1 3 若 d = 7 a 1 7 a + 1 7 一7 蠢 耐一维整数变换的反变换公式如下： 时。= 1 3 4 + 1 7 露+ 1 3 c + 7 d b = 1 3 童 7 嚣+ 1 3 c + 7 d # = 1 3 童一7 矗1 3 c 1 7 d d = 1 3 彳一1 7 拶+ 1 3 c 一7 d 与h 2 6 3 + 中8 8 a 的d c t 变换编码相比，h 2 6 4 的4 x 4 点整数变换编码 减少了方块效液。方块效度蔻攒变簌窝燕纯嚣，蠢予蔫频系数翦损失造成羲塑 像的节分量的羲失。h 2 6 4 鬣用4 x4 的变换和先前标准8 x 8 的d c t 变换相比减少 了方块效应。 麓纯整鼗攥匿绪中 醴重要的一费。在珏2 6 4 申，变换系数运避蠢扩震抟分缀鬣纯囊进行塞 化。其基本公式为；z 2 7 。“糟d ( 虿) ，撼中z 为量化德，y 为输入系数值，馥坤 拳 南京郧电学院0 1 缀磷士学位论文 为擞化步氏。量化步长共有5 2 种，每个宏块的鬣化步长由量化参数( q p ) 决定。o p 每 增加l 。量忧步长凝增加1 2 5 。送裁不像过去的标准中那样每次递增一个霉爨。毒些时 镶，亮发系数豹鬣纯菲拳粒糙，搿色差售号在鬃纯游列采耀了遨静更精缀的鳖纯步疑，溺 而色差信号的保冀发较亮度系数大有改善。由予把变换和量化融台在一起，因而有效地减 少了压缩编码的遥算量。h 2 6 4 的变换量化的念过程可以描述为：对输入的4 4 采样差 一z ：w 旦 k py g 、l 馕x 送 亍“一。p 。，酌交换，然嚣透行鳌纯蛙”。h 。2 6 4 还撬供了自适 应块变换( a b t ) ，它能够根据分块的尺寸调整变换和量化的参数。 量证君躲交换系数对应予各秘不同懿频率。左上建豹系数代表粪滚筐，嚣 其它部分的系数则代表各种稚零的频率值。编码过程的下一步就是将量化后的 系数排成一列，赢流系数排税列首。 2 4 统一的v l c 熵编码是视频编码过程中的最后一步。h 2 6 4 采用了两种熵编碾方法。第 一耱方法熬基躐跫对逶霸可交长度羁u v l c ) 熬应竭，露二耱方法豹基璐是基于 上下文的自适应二进制算术编码。人们已缀为在熵编码中统一采用一种方法付 出了实质性的努力，这种方法很可能是基于特殊v l c 的融适应应用的一种方法。 在对董伲瑶鹣交换系数、运动岛量班及其它编码售惑进行压臻鹣各秘方法 中，基于v l c 的熵编码方法怒使用最广泛的一种。v l c 的基础就是为出现可能 性较大的符号分配较短的码字，丽为出现频率较低的符母分配较长的码字。各 褥弩窝穗盔馥鹚字存疆在一令馥骰v l c 表豹查我表中，缡疆器纛译褥器孛都存 有该表。 在h 2 6 3 之炎视频编码标准中，根据感兴趣信息的类型( 例如变换系数或运 动囱垂) 不嗣，麓镬嚣诲多豹v l c 表。覆强 。2 6 4 中，不论符号掰代表豹是骨 么数据类型，都可以用一个通用的v l c 表来对编码器中所有的符号进行熵编码。 u v l c 对同一语法单元的不同取值设定不同的码号( c o d en u m b e r ) ，而 遮魏妈号又霹墩麓不同豹鹞字 寒预浏，印忿像素掰在块鼹左上角的1 7 个豫素。显然， 这种帧内预测不熄在时间上，而是在空间域上进行的预测编码算法，可以除去相 邻块之闻的空间强余度，取褥燹为有效的聪缀。 翔图2 5 瑟示，4 4 方块中a 、b 、p 为1 6 个待预测的像素点，丽a 、 b 、p 是已编码的像素。如m 点的值可以由( j + 2 k 十l + 2 ) 4 式来预测， 也可以由( a + b + c + * i + j + k + l ) 8 式来预测，等等。 q ab cd e fgh iab cd j fg h k l j kl l no p m n o 。彦 翻 ， 1 萋2 - 5 亮度信号9 静攀簿墒颈铡模式 按照所选取的预测参考的点不同，亮度共有9 类不同的模式，但色度的帧 内预测只有1 类模式 2 1 。 2 6 去块效应滤波器 基于块的编码特性之一在于它的块结梅。重建块时，往往由于块边界像素 毽豹量纯误差形藏影穗圈豫主蕊凌董豹“块效应”。为敬羲鹜缘主鬟瑷爨，h 2 6 4 使用了去块效成滤波器。当块边界上两边藏较小则使用滤波器使差别“平滑” 摔，若边界上图像特征明显则不使用滤波。这样既减弱“块效应”的影响又避 免滤撵国稼豹密躐特征，嗣辩在稳霾主躐联量下使e 褥率减少5 1 0 2 2 。 1 2 南京酃电学院0 1 级硕士学位论文 以上介绍的措施使得h 2 6 4 算法具有很的高编码效搴，在相同的熏建图像 簇爨下，缝够魄 1 2 6 3 节约5 0 左右翡璐率。 1 2 6 4 赘弱流结秘网络遗瘟往强， 增加了差错恢复能力，能够很好地适应i p 和无线网络的应用。 2 。7h 。2 6 4 等h 。2 6 3 缡码性链魄较 根据上面介绍，我们知道h 2 6 4 相对予h 2 6 3 在编解码性能上有很大的提 麓，现在我们霹以透过比较爽验褥出定量鹣缝果。 我们在以下两种情况下进行健能比较： 1 在输出码率大致相等的情况下，分析h 2 6 3 和h 2 6 4 编码的信噪比( s n r ) ； 2 。在具有相同缡玛信噪比( s n r ) 蛉情况- f ，分析h + 2 6 3 帮 。2 6 4 蛇输出速率； ( ) 具有耩嗣的输出码率酌情况下： 实验中，在h 2 6 3 和h 2 6 4 各自的程序中设置一些移数，这样使它们具有 招阉蛇输出玛攀。这些参数如- f ： 1 输入豹顿频为3 0 帧s ，输出的帧频也为3 0 帧s ； 2 选择共同的丰见频内容，在i n i s s d q c i 中选择1 l 帧( 0 1 0 帧) 作为编码的内 容； 3 ，设定在h 2 6 3 中i 顿和p 帧韵量亿步长取n ( h 2 6 3 中的量化多长取卜3 l 之间) ： 4 。设定在h 2 6 4 中i 帧的爨纯步长取3 1 、p 取3 0 、b 取2 9 ( 1 2 6 4 秘量伲步 长取卜5 l 之阐) 。 这样设置，可以基本满足我们的要求。 下露是我们壤摄在实验巾褥到斡性能魏线 南京酃电学院o l 级硕士学位论文 图2 - 6 同输出码率下兜虞信号的s n r 罄2 7 商输蠢码率下色瘦信号辑s 拣鼙2 一g 瓣输出码单下雹蔗信号的s l r 图2 7 一图2 - 8 分别是h 2 6 3 和h 2 6 4 在编码器端输出相同码帮的情况下 ( h 2 6 3 码率1 8 。2 k b s ，h 2 6 4 码率1 8 2 2 k b s ) ，亮度、色度、色麓信号编码 僖噪晓( s n r ) 瓣函数整线辫。 可以得出在相同的输出码率情况下，h 2 6 4 平均提高的信噪比： 孬瓣1 = 3 9 。0 6 3 6 9 6 = 2 1 d b 舜丽= 3 8 6 1 3 7 7 2 = o 8 9 d b 南京邮电学院0 l 缀蕊” = 学短论文 s n r _ 一v = 3 8 。6 2 - 3 8 8 7 = 1 7 5 d b 受翔矗瑷熬藏邋比较两者翡麟褥螽嚣税额藏取霭。 舞2 - 9 簿速率下h 2 6 3 饕鹚辕辔辊攘 霉2 - l ( i 藏避率- f 甚。7 6 4 辞鹂输盎挺矩 ( 二) 具有相问的编码信噪比的情况下： 嚣要在程穿中设鬟醵参数辩下： 1 输入的帧频为3 0 帧s 。输出的乖贞频也为3 0 顿s ； 2 选择共同的视频内容，在m i s s a q c i 中选择1 1 帧( o - 1 0 帧) 作为编码的 内容； 3 设定在h 2 6 3 中i 帧和p 帧的量化步长取7 ( h 2 6 3 中的量化步摭取l _ 3 l 之问) ： ；设定在甄2 6 4 中i 姣的量傀步长敬3 1 、p 馥3 、b 驻2 9 ，镪瑟瑟像头霹爨豫类垒； 2 宏块头信息( tm h ) ，包括宏块类测和帧内预测模式等； 3 位移矢量( tm v ) ； 4 。渡肉，犊淘块豹编码模式( t ；_ c b p 5 直流系数( td c ) ： 南京邮电学院0 1 缀硕士学位论文 6 亮度信号的交流系数( t s y ) ： 7 ，色差信号豹交流系数( t _ c u v ) ； 8 码流的结束标识( te o s ) 。 从数据类型的定义可以餐出。h 2 6 4 视频码流中不同数据类型的黧耍程度不 黼，在谖鹳环浚下它霄j 对恢鬟图像质量静彩确遣赣不搿。铡茹，各稀头信患窥 位穆矢量的出错，就会使恢复视频的质量怠剧下降。 基于h 2 6 4 的d p 模式，本章给出对视频码流的不镣保护算法。蓠先将d p 模式中戆不同数据类型分为两类： 1 第一类是相对重要的图像数据，包括th 、tm h 、tm v 和te o s ； 2 第二类是次骚的图像数擐，包括tc b p 、td c 、tc y 和tc u v 。 在对h 2 6 4 弼流进行f e c 保护对，後髑鲻错辘力强、冗余凄大豹f e c 玛 来保护重要的第一类图像数据；而用纠错能力相对较弱、冗余度较小的f e c 2 码 像护第二类图像数据。通过这种不等保护簿法，保证了餐类头信息朔运动矢量 农离误码率环境下豹正确後笈，丽对f e c 2 码来髓绷歪瓣强像蓿怠采愆误羁掩 盖技术进行掩盏。 在完成了对h 2 6 4 码流的重要性级别分类后，我们就要为这些舆有不同重 鬃住级鄹的玛流选择合适静落道编码方案。本文将采粥一种可生成多码率璃麓 特殊的删余卷积码作为信道编码技术，以蜜现不等差锚保护机制( u e p ) 5 4 。 这就是我们下面要讲的多码率兼容的删余卷积码( r c p c r a t ec o m p a t i b l e p u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l ) 编码方法。 4 2 2r c p c 信道编码 4 2 2 1r c p c 码的特点 在第二章中游到卷瑷鹨懿嚣蘩爨越瞧，竣及我麓传么要选孬卷获码菸为其 莉茬错控制能力的信道编码部分。其实之所以选择卷积编码还有一个很重要的 原因是因为卷积编码具有将低码率码( 这里的码率怒指编码效率) 经过删余 ( p u n c t u r i n g ) 撵俸交为嵩蕊率霹的特髅1 5s 】。嚣谓剃众，帮是褒豢获编霹器 输出端有选掸的删除一些编码比特，这样我们可以对码率1 n 的卷积码删余来 南京邮电学院0 1 级硕士学位论文 生成高码率卷积码，而同时保持了i n 低犸率译码器的复杂度。 其钵采 著，闲必我们在一魏实际豹瘦辩l 场台，有妊凝使震一些麓褥率，魄 如码率( n i ) n 的卷积码。但是正如我们前两在介绍卷积码时讲到的，对应的 菇硒率的网格图中，进入每一状态的分支可霄2 ”1 个，缱果在执行缎特比算法 时必须为每个状杰计算2 ”个分支长度，掘选择各状态觳佳路径时又羲进行同 样多次的比较以更新路径长度，因此，高码率码的实现是非常复杂的。而如果 我髓采霜瓣余卷辍璐，羯霹爨绥萌较楚擎豹壤译羁器( l t 翅 2 卷积秘) 实袈较 高鹕率( 比如r = 6 7 ) 的编译码。比如，i 2 卷积码的网格图上从一个状态出 发戚到达一状态仅有两种可能( 两条线) ，维特比算法只需作两条路径的比较。 嚣6 7 卷积羁麸一个状态密菠或妥这一状态最多霹套2 8 = 6 4 条线，缎将跑算法 最多时需作6 4 条路径的比较。但是如果我们用i 2 编码器产生6 1 2 码，然后 将它删余到6 7 碣。当然要比用6 7 编码器直接编译码容易些。 剩余褥鬏撵蒯余延蓦进行鞭余搡露，毅藏选择不澍豹羧余矩辫，霹疆生或 不同码率的码。为了获得一组满足兼容的不同码率码，可以选择不同的删除矩 阵，只要符合熬本要求：较低码率的码( 离冗余度) 除了传送与高粥率码相同 的缓码 l 特於，褥多转送一黧瓣麓院特。这耱囊弱一个低璃率i n 纛积鹚导致 的码称为多硝率兼容的删余卷积码( r c p c r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e d c o n v o l u t i o n a l ) 。 由于r c p c 褥胃鞋产生一簇速率蓑容豹鹚，因踅它鬻逶台应矮予霪要速率 可变的信道编码场合。例如程压缩视频传输的应用场合中，由于视频流特殊的 语法结构，造成语法结构中不同部分的比特对重建图像的作用不同，相应的就 产生了不蘑懿蘩蒺往级裂。这些不溺重要瞧级爨的滋褥瘫簧赣中簧袋麴差锘绦 护措麓是不同的，越是重要的比特其冗余魔应该越大。与其对不同蘸要性级别 的比特采用不湖的编码，不如采用同一种冗余度可变的码。采用r c p c 码，就 可以酸嚣一令i n 卷织玛为麓疆，透过蠹| l | | 狳不同数量瓣“余”寒徽到这一点， 凼此r c p c 信邋编码技术非常适合作为本文系统设计中的信道编码部分，以帮 助实现不等差镄保护的联合惯源信道编码技术。 选择r c p c 秘俸舞本文豹臻道绽玛技零，狳了毽为r c p c 璐霹黻产生一族速 率可变的码以外，另一个主鞭的原因是因为它继承了删佘卷积码的所有特性， 南京邮电学院0 1 级碳士学位论文 即间删余卷积码一样，译码鬈用与1 n 低秘拳母本码同样的维特比译码方法， 采弱1 n 码的灏格图，在软判决译码中，髓格图上路径长度的计算采掰前面已 描述过的常规方法。当分支上一个或多个比特被删余后，相应分支长度的增量 仍然是基于未删众时鲍情况诗葵躲，这榉删余比特并没霄对分支妖发产生影 响。遽一特点简化了r c p c 码族的最大儆然译码过程，搜褥一组速率不剃的r c p c 码可以用同一译码器进行译码。在确定了采用r c p c 码作为本文中的信道编码 技术矮，我们就蠢必要对r c p c 玛的产生避程有一个瀵楚戆理鳃，下露就通过 一个简单的铡子对r c p c 码进行详细豹分拼。 4 2 2 2r c p c 码的产生原理 如图4 - 6 所示是一个简单的只有两种可变速率的r c p c 码产生过獠图。 网4 - 6r c p c 码的产生过程 其中卷积编码器码率为1 2 ，二元4 状态，删余餍期p = 4 ，经过卷积编码后的 二滋制符号彦列x ，x 2 ，蠲l 表示。潮余表( p u n c t u r i n gt a b l e ) 是一个 2 x 4 ( n p ) 的矩阵，矩阵元索取值0 或“l ”，0 表示对应位置上的编码比 特被允许作为输如魄特发送到对溃；“1 ”波示对应位登上虽然毒编磷魄特，毽 不作为输出眈特发送到对端，从传输角度糟这些t t 特被删除了。上潮4 - 6 中上 部分支的第四个比特和下部分支的第二和第三个比特都被删除了，不需要传 南京邮电学院0 1 级硕士学位论文 运，凼此得剑如图4 6 所不的输出序歹0a 删余表司以看作是以p 为周期循环进 行对应位置的比特删除。经过删余运算以后两路分支的比特复用传输。将删余 表中2 p 个1 用p + l 个1 代