（管理科学与工程专业论文）易损信道中h26l视频传输差错控制模型及技术研究.pdf

国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 摘要 随着网络技术、通信技术及多媒体技术的发展，网络多媒体应用，尤其是网络视频应 用变得越来越广泛。 基于h . 3 2 3 或h . 3 2 4 的网 络视频电 话 1 2 、 视频会议以 及基于无线网 的 视频通信得到了 迅猛的发展。 但是由 子存在大量易损信道( l o s s y c h a n n e l ) ， 使当前网络 状况并不能很好地满足视频传输的需要。 h .2 6 l作为一种新的视频编码标准，它的高压缩 率、网络适应性以及对差错鲁棒性使它很适合于作为易损信道中的视频传输压缩标准。但 是它在差错控制方面还存在一些不足需要改进。 本文在研究h .2 6 l视频编码标准的基础上重点研究了h .2 6 l的差错控制技术， 包括差 错恢复和差错隐藏技术。h .2 6 l的编码端采用了重同步、数据分区、帧内宏块刷新等差错 恢复技术，限制了差错范围，减小了误码扩散的影响。解码端采用了差错隐藏技术，主要 包括帧内编码中的像素距离加权平均算法和帧间编码中的根据预测运动向量进行运动补 偿。本文根据仿真实验的结果，发现了h .2 6 l中差错隐藏算法的不足，并提出一种新的改 进方案，通过仿真实验，验证了改进后的差错隐藏方案具有更好的性能表现。 针对 h .2 6 l在差错控制方面的不足，本文研究了一种实用的信道编码-一一 r e e d - s o l o m o n ( r s ) 码。通过编程实现了r s 码的编译码，然后应用于视频传输系统的信 道差错控制，对于纠正视频在易损信道中传输出现的随机错和突发错起到了重要作用，并 编程实现了一种高效率的查表算法，为实际应用提供了保证。 本文借鉴h .2 6 3 的视频传输模型， 研究了基于h .2 6 l的视频传输系统中帧内刷新率和 信道编码效率的参数最优化问 题以获得最佳视频质量。 通过仿真实验验证了 基于h .2 6 l的 模型在较低误码率情况下的准确性， 并根据模型寻找了 特定网络环境下的这两个参数的最 优值。 关键字:h . 2 6 l ，差错隐藏，r e e d - s o l o m o n 码，视频传输模型 第v页 国防科 学技 术大 学研 究 生 院学位 论 文 ab s t r a c t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f n e t w o r k , c o m m u n i c a t i o n a n d m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , t h e n e t w o r k m u l t i m e d i a , e s p e c i a l l y t h e n e t w o r k v i d e o a p p l i c a t i o n s , s u c h as n e t w o r k v id e o p h o n e b a s e d o n h . 3 2 3 j h . 3 2 4 , v i d e o c o n f e r e n c e a n d v i d e o c o m m u n i c a t i o n b a s e d o n w i r e l e s s n e t w o r k , h a v e d e v e l o p e d r a p i d l y . b u t p r e s e n t n e t w o r k e n v i r o n m e n t c a n n o t m e e t th e n e e d o f v i d e o t r a n s m i s s i o n f o r t h e r e s t i l l e x is t s o m e lo s s y c h a n n e l s . a s a n e w v id e o c o d i n g s t a n d a r d , h .2 6 l b e c o m e s a s u i t a b l e c h o i c e f o r v i d e o t r a n s m i s s i o n o n l o s s y c h a n n e l b e c a u s e i t h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h c o m p r e s s i o n r a t i o , n e t w o r k a d a p t a b i l i t y a n d e r r o r r o b u s t n e s s . b u t i t s t i l l h a s s o m e d i s a d v a n t a g e s i n e r r o r c o n t r o l . t h i s p a p e r m a i n l y s t u d i e s o n t h e e r r o r c o n t r o l t e c h n i q u e s i n h .2 6 l v i d e o c o d i n g s t a n d a r d , w h i c h c o n t a i n s e r r o r r e s i l i e n c e a n d e r r o r c o n c e a lm e n t . t h e e r r o r r e s i l i e n c e t e c h n i q u e s i n c lu d e r e s y n c h r o n i z a t i o n , d a t a p a r t it i o n a n d i n t r a m a c r o b l o c k u p d a t e , w h i c h c a n r e s t r a i n e r r o r s c o p e a n d r e d u c e t h e i n fl u e n c e o f e r r o r p r o p a g a t i o n . a n d t h e e r r o r c o n c e a lm e n t t e c h n i q u e s i n c l u d e w e i g h t e d p i x e l a v e r a g i n g a l g o r i t h m b as e d o n i n t r a f r a m e c o d i n g a n d m o t i o n c o m p e n s a t i o n u s i n g p r e d ic t e d m o t i o n v e c t o r s b a s e d o n i n t e r f r a m e c o d i n g . t h e d e f e c t s o f e r r o r c o n c e a lm e n t a l g o r it h m s i n h .2 6 l a r e e x p o s e d b y t h e r e s u l t s o f s i m u l a t i o n . t h e n a n e w i m p r o v e d s c h e m e i s p r o p o s e d , a n d i t i s v e r i f i e d b y t h e s i m u l a t i o n r e s u lt s . t o o v e r c o m e t h e d i s a d v a n t a g e s o f e r r o r c o n t r o l i n h .2 6 l , t h i s p a p e r d i s c u s s e s a u s e f u l c h a n n e l c o d e , r e e d - s o l o m o n ( r s ) c o d e . t h e r s c o d e c i s i m p l e m e n t e d b y p r o g r a m m i n g a n d i s u s e d f o r c h a n n e l e r r o r c o n t r o l i n t h e v i d e o t r a n s m i s s i o n s y s t e m . i t p r o v i d e s q u a l i t y in s u r a n c e s f o r t h e v i d e o t r a n s m i s s i o n o v e r l o s s y c h a n n e l s b e c a u s e i t p l a y s a n i m p o r t a n t p a r t i n t h e r a n d o m a n d b u r s t e r r o r c o r r e c t i o n . t h i s p a p e r a l s o i m p l e m e n t s a t a b l e l o o k u p a l g o r i t h m t o i m p r o v e t h e c o d e c e f f i c i e n c y f i n a l ly , r e f e r r i n g t o t h e h .2 6 3 v i d e o t r a n s m i s s i o n s y s t e m , t h i s p a p e r d i s c u s s e s th e o p t i m i z a t i o n o f t h e i n t r a r a t e a n d t h e c h a n n e l c o d e r a t e i n t h e v i d e o t r a n s m i s s i o n s y s t e m b a s e d o n h .2 6 l t o a c h i e v e t h e b e s t o v e r a l l p e r f o r m a n c e o f d e c o d e d v i d e o . t h e m o d e l p r o v e s o u t t o b e f e a s i b l e a t l o w e r ro r r a t e b y t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s . a t l a s t , t h e o p t i m iz e d m o d e l p a r a m e t e r s a r e f o u n d f o r g iv e n n e t w o r k e n v i r o n m e n t . k e y w o r d s : h .2 6 l , e r r o r c o n c e a l m e n t , r e e d - s o l o m o n c o d e , v i d e o t r a n s m i s s i o n s y s t e m m o d e l 一一一一一一一一一一一一 x v i m 独 创 性 声明 本人声明 所呈交的 学 位 论文是我 本 人在导师 指导下 进行的 研究工作及取得 的 研究 成果。尽我 所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢的 地方外， 论文中 不包含 其他人已 经 发表和 撰写 过的 研究 成 果， 也 不 包含为 获 得国 防 科学 技术大学 或其它 教育 机构的学 位或证书 而 使用过的 材 料。 与 我一同 工作的同 志 对 本研究 所做的 任 何贡 献均已 在论文中 作了 明 确的 说明 并 表示 谢意 。 学 位论文 题目 :易 损 信 道中h . 2 6 l 视 频 传 输 差 错 控制 模 型 及 技 术 研究 学位论文作者签名朱 为 日 期 : z o 移年1 1 月 1 左 日 学位论文版权使用授权书 本人完 全了 解国防 科学技术大学有关保留、 使用学 位论文的规定。 本人授权 国防 科学 技术大学可以 保留 并向国 家 有关部门 或 机构送交论文的复印 件和电 子 文档， 允许 论文 被查阅 和 借阅 ; 可以 将学 位论文的 全 部或部 分内 容 编入有关 数 据 库进行检索， 可以 采用影印 、 缩印 或扫 描等复 制手 段 保 存、 汇 编学 位 论文. ( 保密学 位论文 在 解密 后适 用本授 权书。 ) 学 位 论文 题目 :易 损 信道中h . 2 6 l 视频 传 输 差 错 控制 模型 及技 术 研究 学 位论文作者签 名 作者指导教师 签名 日 期 : 之 叫 年i r 月 对日 日 期 : ; v v 3年 a月必日 国 防 科 学 技 术 大 学研 究 生 院 学 位 论 文 图目录 图 1 - 1误码扩散示意图. ， 卜 _. . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 图 1 - 2出错导致同步丢失 ， . ，. ， ， . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . ， . ，. . . . . . . . . . _ . . . . ， ， 二 ， 1 图 1 - 3 mp e g - 4中对运动数据与d c t数据分区. . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . ， . . ， ， . . . . . . 3 图 1 - 4 r v l c双向解码， ， “ . 二 ， . - . -. . . 一 ， ， 一 ， ， ， . ， 二 ， ， . : . ， 、 二， . . -3 图 1 - 5空域差错隐藏， 二 ， . . . . . . . . ， ， ， .， . . . . . . . ， ， . . . . . . . . 、 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 图 1 - 6时域差错隐藏. . . . . . . . . . . . . . . . . 卜 二 ， ， . . . . ， . ， . ， . . . . . . . . . ， 二 ， . . . . . . . . . . . . 4 图 2 - 1 i t u - t和mp e g标准发展过程. . . . . . . . . . . . . . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 图 2 - 2 h .2 6 l系统层结构. ， . . ，二 . . t . ，. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 、 二 ， . . 8 图 2 - 3 h .2 6 l编码流程图二 ， . ， ，. . . . . . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . 8 图 2 - 4 h .2 6 l解码流程图， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . ， . . . 9 图 2 - 5 4 x 4 亮度块帧内预测模式. . . . . . . ， . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . 二 ， . . . . . . . . . . . 9 图 2 - 6 1 6 x 1 6 亮度块帧内预测模式. . . ， . . . . . . _ ， . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 图 2 - 7树形运动补偿块分割模式. ， ， . . . . ， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 图 2 - 8实际图像运动补偿块分割示意图“ . . . . . . . . . 卜. _ . ， ， . . . . ， . . . . . ， . . . . . . . . . . . . 1 1 图2 - 9 整数 像素和1 / 4 像素 运动向 量预 测 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 1 1 图 2 - 1 0多 参考帧示意图. ，. ，. ， . . . . . . . . . . . ， ， . . . . . . ， . ，. . ， . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 图 2 - 1 1 4 x 4 整数变换公式 二 . . ， . ， . . - - - ，一 ， ， ， ， 一 ， . . . - - 二 ， ， . 卜， ， ， ， ， ， 价 . t 二 1 2 图 2 - 1 2变换系数扫描方式， 二 . . ， “ . .t t . . ， . ， . . . . 卜二 ，二， 二 ，. . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 图 2 - 1 3差错控制流程图 ， . . . . . . . . . . . . . 卜 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 图 2 - 1 4差错状态图. ，. . . . . ，. . ， . . . . . . . . . ，. . . . . . . . . . . . . . . ， . 二 ， . ，. ， . . . . . ， . . . . . . . . . . . 1 6 图2 - 1 5像素距离加权平均算法示例. . . . . ，. . . . . . ， . . ， 二， . . . . . . ， . . . 二 1 6 图 2 - 1 6运动向量预测及边界差值计算. . . . . . . . . . . . . . .， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 图 2 - 1 7仿真丢包文件的使用. . . . . . ， ， . . . . . ， . . . ， . . . ， . . . . . . . . . . . . . 1 8 图2 - 1 8 f o r e m a n 序列差错隐藏主观图像恢复效果比 较，丢包率5 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 图2 - 1 9 c o a s t g u a r d 序列差错隐藏主观图像恢复效果比 较， 丢包率5 ya . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 1 9 图 2 - 2 0 f o r e m a n 序列中i 帧丢失s l i c e 时差错隐藏效果二 ， . ， 二 ， . ， . ， . ， ， ， . 2 0 图2 - 2 1 c o a s t g u a r d 序列中i 帧丢失s l i c 。 时差错隐 藏效果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 图 2 - 2 2各种数据率下差错隐藏恢复图像平均p s n r比较 ， ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 图 3 - 1 信道编码在数字通信系统中的位置二 ， ， . . ，. . . . . . . ， ， . ， . . . . .， ， ， . . . . . . . . . . . . . 2 2 图 3 - 2 r s 编码流程工作图. ， 一， . . . . . . . . . . . . . . . ， ， ，二 ， - . ， ， ， .， ， ，.卜 卜 ， ， ， 下 ， ，一、 . . . . . . . . . 2 6 图 4 - 1视频传输系统构成图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 ， . 2 8 图4 - 2不同刀 值的r d曲 线，. . . ， 二 ， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 图4 - 3环实 验数 据和 模型 拟 合曲 线图. . . . . . . . . . . . . . . 3 4 图 4 - 4差错控制信道性能二卜 . . . . . . . . . . . ， . . . ，. ， - .- . ， . . . 3 5 图4 - 5 p s n r , 随刀 变 化曲 线 . . . . . . . ，. . . . . ，. . . . 3 6 图4 - 6 p s n r , 随: 变 化曲 线.， 卜.，.， .， . . . . . ， 二 ，. . . . . . . . . 3 7 图4 - 7刀 和， 联 合优化， . ， . . . . ，. . ， . . . ， . . . . . 二 ，. . . . . . . . . . . . . ， 二 ， . . . . . . . . . 3 8 图4 - 8不同差错率下刀和r 的最优组合. . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 国 防科 学 技 术 大 学研 究 生 院 学 位 论 文 表目录 泪朋21朋29 表 2 - 1 h .2 6 l和mp e g - 4 对比 表 2 - 2差错隐藏仿真结果p s n r 表 2 - 3改进差错隐藏性能对比. 表 3 - 1查表法性能测试对比. 表 4 - 1视频传输系统参数列表 平均值对比，帧率为3 0帧 / 秒. . . . . . . . -一一一一一一一一一一，m i v -!i 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 背景及问题的提出 近年来，由于网络技术、通信技术及多媒体技术的长足发展，网络视频应用变得越来 越广泛，通过网络进行传输的视频电话、视频会议系统、可视化远程教育和远程医疗系统 具有广泛的市场应用前景。而且无线网络的视频通信也随着无线通信技术的提高而逐渐实 用化。但是这些网络视频应用要完全满足用户的使用要求还有很多困难需要克服： 1 网络的带宽限制 尽管网络传输速度不断地高速向前发展，光纤链路也可达到很高的传输速率，但人们 仍然面临着大量的低速网络，如当前广泛使用的因特网和移动网正是这样的网络。为了在 带宽受限的网络上传输视频，必须使用高效的视频压缩编码。 2 易损信道影响 由于信道的物理原因和外界环境的影响，很多低速不可靠网络很容易出现差错，包括 各种随机错、突发错以及网络丢包。这种易出现差错的信道称之为易损信道，例如目前的 c d m a 、g p r s 、无线局域网等都属于易损信道。目前一般的视频编码标准都是基于运动 补偿预测和熵编码的，由于运动预测补偿，出错会导致一帧图像中的差错影响后续图像的 质量( 如图1 1 所示) ，这称为误码扩散( e r r o r p r o p a g a t i o n ) ；而且由于压缩都需要熵编码， 当出现差错时会导致同步丢失，出错位置至下一个同步标志之间的数据都会被丢弃( 如图 1 2 所示) ，使视频编码对差错的鲁棒性较差。 图1 。1 误码扩散示意图 图1 - 2 出错导致同步丢失 针对上述困难，为了满足用户对网络视频应用的需求，除了研究高效的视频编码，对 于易损信道上视频传输的差错控制技术研究也显得十分重要。差错控制技术包含的内容比 较多，应用范围涵盖了信源的差错恢复技术、信道的信道编码和信宿的差错隐藏。h 2 6 l 作为一种新的视频编码标准，它的高压缩率、网络适应性以及对差错鲁棒性使它很适合于 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 作为易损信道中的视频传输压缩标准。因此，本文对基于h 2 6 l 的端对端视频传输系统做 了整体的研究，通过视频传输系统模型全面考虑信源、信道和信宿各个部分的差错控制技 术，使最终解码后的视频质量达到最优。 1 2 1 差错控制技术概述 1 2 国内外研究现状 对付视频传输差错的差错控制技术主要有以下两种：一种是传统的前向纠错f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ，自动反馈重传a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 等差错控制 和恢复技术，以保证通信时尽可能做到无损为目的，主要应用于通信系统的底层；另一种 则是系统层的差错恢复( e r r o rr e s i l i e n c e ) 和差错隐藏( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 技术。差错恢 复技术使差错可以被检测出并限制在某一范围内，为差错隐藏奠定基础，差错隐藏则根据 通过差错恢复得到的数据用填补掩盖等办法恢复不能f 常解码的数据，使图像的视觉效果 接近于原来的效果，两部分结合才能更好地实现差错控制，保证视频传输的质量。 前向纠错f e c 是发端将数据按一定的规律附加多余的码元，组成具有纠错能力的码。 接收端收到码元后按预定的规则译码，以确定接收码组中有无错误，若有错误则确定其位 置并进行纠正。它不需要反馈信道，能用于单向通信，译码延迟固定，较适于实时传输系 统，但是f e c 要纠正较多的错误就要附加更多的码元。因此，前向纠错f e c 适合于随机 错和突发错的纠错，对于信道误码率较高和大量丢失数据包的情况并不是很适用。 自动反馈重发a r q 是在接收端收到码组后，按一定规则对发送信号进行有无错误的 判别并把判别结果通过反馈信道送回到发端，发端根据应答信号把接收端认为有错的那组 数据再次传输，直到接收端认可为止。因此，该方式需要反向信道，同时也存在传输时延， 对于某些实时应用( 如视频会议) 这是无法容忍的。另外，为了有效地利用网络的带：藏， 现阶段在多点通信的应用中广泛采用了广播( b r o a d c a s t ) 和多播( m u l t i c a s t ) 技术，这种 情况下也无法通过重传来获得可靠性。但是，对于某些低延迟的网络环境，适当应用缓冲 的情况下a r o 还是具有很好的差错控制效果的。 差错恢复技术的种类比较多，其中广泛应用于h 2 6 3 、m p e g 一4 中的主要有以下几种 3 4 】： 1 重同步( r e s y n c h r o n i z a t i o n ) ：它是一种简单而实用的差错恢复技术。在传统编码 方法中，由于压缩编码的固有性质，当解码器遇到比特错误时，后续数据不能继续解码， 也就是失去与编码器的同步，造成视频质量大幅度下降。重同步方法是在编码之后的比特 流的不同位置插入重同步标识，当解码器检测到错误时，它将查找这些标识，从而重新获 得同步开始继续解码。虽然使用重同步会增加些重同步标识比特，但是该技术可以限制 差错范围，提高了压缩数据的使用效率，其增强视频码流差错鲁棒性的作用还是很显著的。 2 数据分区( d a t ap a r t i t i o n ) ：在m p e g 一4 中通过在运动矢量等运动数据部分和d c t 数据部分之间加一个m b m 标识将两部分分开，如图1 3 所示。此图也表示了采用数据分 组的视频包的比特流与组织形式，为了减少与传统方法的差异，在数据部分将保持同样的 元素以及结构和识别方法，所有与运动相关的元素信息放入运动数据部分( 即运动矢量等 数据) ，与d c t 数据相关放入d c t 数据部分。这样当视频包中的数据出现错误时解码器 就可以分辨出是运动数据错误还是d c t 数据有误，从而可以分别进行处理。 第2 页 国 防 科 学 技 术 大 学研 究 生 院学 位 论 文 竺竺 竺竺竺 竺 竺 竺 竺竺竺竺 竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺 竺竺竺竺竺竺竺巴巴巴巴竺竺 竺竺竺竺竺竺竺竺二二二二 二 作为易损信道中的 视频传输压缩标准。因 此， 本文对基于h .2 6 l 的 端对端视频传输系统做 了 整体的 研究， 通过视频传输系统模型 全面考虑信源、 信道和信宿各个部分的差错控制技 术，使最终解码后的视频质量达到最优。 1 .2国内外研究现状 1 .2 . 1 差错控制技术概述 对付视频传输差错的差错控制技术主要有以下两种:一种是传统的前向纠错 f e c ( f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ) ，自 动反 馈重 传a r q ( a u t o m a t i c r e p e a t r e q u e s t ) 等 差错控制 和恢复技术，以保证通信时尽可能做到无损为目 的，主要应用于通信系统的底层;另一 种 则是系统层的差错恢复 ( e r r o r r e s i l i e n c e ) 和差错隐藏 ( e r r o r c o n c e a l m e n t ) 技术。差错恢 复技术使差错可以被检测出并限制在某一范围内，为差错隐藏奠定基础，差错隐藏则根据 通过差错恢复得到的数据用填补掩盖等办法恢复不能正常解码的数据，使图像的视觉效果 接近于原来的效果，两部分结合才能更好地实现差错控制，保证视频传输的质量。 前向纠错f e c是发端将数据按一定的规律附加多余的码元，组成具有纠错能力的码。 接收端收到码元后按预定的规则译码，以确定接收码组中有无错误，若有错误则确定其位 置并进行纠正。它不需要反馈信道，能用于单向通信，译码延迟固定，较适于实时传输系 统，但是f e c要纠正较多的错误就要附加更多的码元。因此，前向纠错f e c适合于随机 错和突发错的纠错，对于信道误码率较高和大量丢失数据包的情况并不是很适用。 自 动反馈重发a r q是在接收端收到码组后， 按一定规则对发送信号进行有无错误的 判别并把判别结果通过反馈信道送回到发端， 发端根据应答信号把接收端认为有错的那组 数据再次传输， 直到接收端认可为止。 因此， 该方式需要反向信道，同时也存在传输时延， 对于某些实时应用 如视频会议) 这是无法容忍的。另外，为了有效地利用网络的带宽， 现阶段在多点通信的应用中广泛采用了广播 ( b r o a d c a s t )和多播 ( m u l t i c a s t )技术，这种 情况下也无法通过重传来获得可靠性。但是，对于某些低延迟的网络环境，适当应用缓冲 的 情况下a r q还是具有很好的差错控制效果的。 差错恢复技术的种类比较多，其中广泛应用于 h .2 6 3 , mp e g - 4中的主要有以下儿种 3 4 : 1 . 重同 步 ( r e s y n c h r o n i z a t io n ) : 它 是一 种 简单 而 实 用的 差错 恢复 技 术。 在传 统 编码 方法中，由于压缩编码的固有性质，当解码器遇到比特错误时，后续数据不能继续解码， 也就是失去与编码器的同步，造成视频质量大幅度下降。重同步方法是在编码之后的比特 流的不同 位置插入重同步标识，当解码器检测到错误时，它将查找这些标识，从而重新获 得同步开始继续解码。虽然使用重同步会增加一些重同步标识比特，但是该技术可以限制 差错范围， 提高了压缩数据的使用效率， 其增强视频码流差错鲁棒性的作用还是很显著的。 2 .数据分区 ( d a t a p a rt i t i o n ) :在 mp e g - 4 中通过在运动矢量等运动数据部分和 d c t 数据部分之间加一个m b m标识将两部分分开，如图1 - 3 所示。此图也表示了 采用数据分 组的视频包的比特流与组织形式，为了减少与传统方法的差异， 在数据部分将保持同样的 元素以及结构和识别方法，所有与运动相关的元素信息放入运动数据部分 ( 即运动矢量等 数据) ，与d c t数据相关放入 d c t数据部分。这样当视频包中的数据出现错误时解码器 就可以分辨出是运动数据错误还是d c t数据有误，从而可以分别进行处理。 第z 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 作为易损信道中的视频传输压缩标准。因此，本文对基于h 2 6 l 的端对端视频传输系统做 了整体的研究，通过视频传输系统模型全面考虑信源、信道和信宿各个部分的差错控制技 术，使最终解码后的视频质量达到最优。 1 2 1 差错控制技术概述 1 2 国内外研究现状 对付视频传输差错的差错控制技术主要有以下两种：一种是传统的前向纠错f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ，自动反馈重传a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 等差错控制 和恢复技术，以保证通信时尽可能做到无损为目的，主要应用于通信系统的底层；另一种 则是系统层的差错恢复( e r r o rr e s i l i e n c e ) 和差错隐藏( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 技术。差错恢 复技术使差错可以被检测出并限制在某一范围内，为差错隐藏奠定基础，差错隐藏则根据 通过差错恢复得到的数据用填补掩盖等办法恢复不能f 常解码的数据，使图像的视觉效果 接近于原来的效果，两部分结合才能更好地实现差错控制，保证视频传输的质量。 前向纠错f e c 是发端将数据按一定的规律附加多余的码元，组成具有纠错能力的码。 接收端收到码元后按预定的规则译码，以确定接收码组中有无错误，若有错误则确定其位 置并进行纠正。它不需要反馈信道，能用于单向通信，译码延迟固定，较适于实时传输系 统，但是f e c 要纠正较多的错误就要附加更多的码元。因此，前向纠错f e c 适合于随机 错和突发错的纠错，对于信道误码率较高和大量丢失数据包的情况并不是很适用。 自动反馈重发a r q 是在接收端收到码组后，按一定规则对发送信号进行有无错误的 判别并把判别结果通过反馈信道送回到发端，发端根据应答信号把接收端认为有错的那组 数据再次传输，直到接收端认可为止。因此，该方式需要反向信道，同时也存在传输时延， 对于某些实时应用( 如视频会议) 这是无法容忍的。另外，为了有效地利用网络的带：藏， 现阶段在多点通信的应用中广泛采用了广播( b r o a d c a s t ) 和多播( m u l t i c a s t ) 技术，这种 情况下也无法通过重传来获得可靠性。但是，对于某些低延迟的网络环境，适当应用缓冲 的情况下a r o 还是具有很好的差错控制效果的。 差错恢复技术的种类比较多，其中广泛应用于h 2 6 3 、m p e g 一4 中的主要有以下几种 3 4 】： 1 重同步( r e s y n c h r o n i z a t i o n ) ：它是一种简单而实用的差错恢复技术。在传统编码 方法中，由于压缩编码的固有性质，当解码器遇到比特错误时，后续数据不能继续解码， 也就是失去与编码器的同步，造成视频质量大幅度下降。重同步方法是在编码之后的比特 流的不同位置插入重同步标识，当解码器检测到错误时，它将查找这些标识，从而重新获 得同步开始继续解码。虽然使用重同步会增加些重同步标识比特，但是该技术可以限制 差错范围，提高了压缩数据的使用效率，其增强视频码流差错鲁棒性的作用还是很显著的。 2 数据分区( d a t ap a r t i t i o n ) ：在m p e g 一4 中通过在运动矢量等运动数据部分和d c t 数据部分之间加一个m b m 标识将两部分分开，如图1 3 所示。此图也表示了采用数据分 组的视频包的比特流与组织形式，为了减少与传统方法的差异，在数据部分将保持同样的 元素以及结构和识别方法，所有与运动相关的元素信息放入运动数据部分( 即运动矢量等 数据) ，与d c t 数据相关放入d c t 数据部分。这样当视频包中的数据出现错误时解码器 就可以分辨出是运动数据错误还是d c t 数据有误，从而可以分别进行处理。 第2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 【重同步标识 a 忸。n o q p运动矢量数据 h 嘣 d c t 数据 图1 - 3m p e g 4 中对运动数据与d c t 数据分区 3 帧内宏块刷新( i n t r am a c r o b l o c ku p d a t e ) ：帧内宏块刷新是指在编码过程中，对 于预测编码帧( p 帧和b 帧) 按照定的规律或是在一定范围内随机采用帧内编码方式编 码某一个宏块，使p 帧和b 帧中每过一段时间也会出现个帧内编码的宏块。这样在出现 误码扩散时，帧内编码宏块可以在一定程度上减少误码扩散，降低误码扩散带来的视频质 量下降。 4 可逆变长编码( r v l c ) ：在易损信道中传输压缩视频通常是变字长编码( v i ，c ) 或算术编码。在解码端，如果解码器检钡4 到编码数据中的误码，它将失去同步信号，因此， 不得不将直到下一个重同步点的所有数据全部舍弃，而r v l c 避免了这个问题，使得解码 器通过在误码处的数据反转，以更好地确定误码位置，如图1 - 4 所示。r v l c 是有前缀特 性的特别的v l c ，可以从前向或反向进行解码。这种码字的优点在于，当解码器在前向解 码时遇到误码，它可以跳到下一个重同步点进行反向解码，直到遇到误码，基于两个误码 的位置解码器可以比普通重同步方法多恢复一些数据，提高了数据使用率。 图1 - 4 r v l c 双向解码 5 差错跟踪：差错跟踪技术是在不改变标准的情况下，编码器借助解码器通过反馈 信道传来的图像受损信息，根据事先保存下来的运动向量，依照差错扩散规律，在编码器 方评估解码器受损情况，并跟踪到当前待编码帧，确定出哪些宏块需要采用帧内编码模式 以此来消除错误。该方法不需要重传损失的数据，因而只要求较少信道带宽。在允许反馈 信道的情况下，该方法是一种效率比较高、效果