（通信与信息系统专业论文）无线ofdm信道h264视频传输抗误码方案研究.pdf

摘要 近几年来，人们对无线视频应用的需求日益增长。但目前，在无线信道上传 输视频压缩码流还面临以下问题：一方面，视频压缩码流对信道误码非常敏感； 另一方面，无线信道由于多径效应和衰落引入了大量的随机误码和突发误码，严 重影响重建图像的质量。为了提高视频传输质量，必须结合无线信道的传输特性 采取一定的容错措施。 本文在分析无线o f d m 信道衰落特性对视频传输影响的基础上，研究了一种 基于o f d m 信道状态反馈的空日j 域、频率域、时间域三重数据交织传输改进方法， 实现视频在无线o f d m 信道上的有效传输。视频数据空间域的交织目的在于在图 像空间域均匀化突发误码；相邻o f d m 子信道交织传送视频s l i c e ，即频域交织， 有利于时间域和空间域的错误掩盖技术的实现；同一o f d m 子信道在时间上交织 传送不同序号的s l i c e 信息，即时间域交织，能够提供可靠的参考帧进行帧问预测 编码，防止帧间误码扩散，同时也有利于时间域误码掩盖技术的实现。实验结果 证明，本文研究的基于信道状态反馈的方法能有效提高o f d m 无线视频传输质量。 关键词：视频传输正交频分复用无线传输抗误码交织 a b s t r a c t t h e r ei sa ni n c r e a s i n gd e m a n df o rv i d e oa p p l i c a t i o ni nw i r e l e s se n v i r o n m e n tr e c e n t y e a r s a si sk n o w n ，v i d e ot r a n s m i s s i o no v e rw i r e l e s sc h a n n e l ss t i l lf a c e sm a n y c h a l l e n g e sd u et ot h et i m e v a r y i n gm u l t i p a t hf a d i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb e i n g s e n s i t i v et ob i te r r o r so fc o m p r e s s e dv i d e os t r e a m i t sn e c e s s a r yt ow o r ko u ta ne r r o r r e s i l i e n tt r a n s m i s s i o nm e t h o da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sc h a n n e lt o e n s u r ea l le x c e l l e n tq u a l i t yo f t r a n s m i t t e dv i d e o a n i m p r o v e da d a p t i v e3 - di n t e r l e a v i n gs c h e m eb a s e do nt h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o n o f0 f d mc h a n n e l si ss t u d i e dt oi m p r o v et h er e s i l i e n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o n i nt 1 1 i s s c h e m ee a c hv i d e on a lu n i ti sa s s i g n e dt od i f f e r e n ts u b - e l m n n e l si na l li n t e r l e a v e dw a y a c e o r d m gt ot h es u b - c h a n n e lc o n d i t i o np r e d i c t e db yt h ef e e d b a c ki n f o r m m i o i l ，w h i c hi s c a l l e df r e q u e n c yd o m a i ni n t e r l e a v i n g t h i sa s s i g n m e n tc h a n g e sb yt i m er a n d o m l y , w h i c hi sc a l l e dt e m p o r a li n t e r l e a v i n g i n s i d co f e a c hs u b - c h a n n e l b i t - l e v e li n t e r l e a v i n g i sp e r f o r m e di oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fc h a n n e lc o d i n g , w h i c hi st h es p a t i a l i n t e r l e a v i n g t h et h r e ea b o v eb u i l du pt h ei m p r o v e da d a p t i v e3 - di n t e r l e a v i n g t h e e x p e d m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a r ld r a m a t i c a l l yi m p r o v et h e r e c e i v e dv i d e oq u a l i t yo v e rw i r e l e s so f d m k e y w o r d a ：v i d e o c o m m u n i c a t i o no f d m w i r e l e s st r a n s m i s s i o n i n t e r l e a v i n ge r r o rr e s i l i e n c 宅 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：易仉协 o ， 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线视频通信系统 近几年，随着移动通信与多媒体通信的加速融合，面向无线通信的视频压缩 编码与传输技术成为研究热点。但无线信道环境恶劣，在无线网络环境下实现高 质量的视频传输还具有很大的挑战性。 无线视频通信系统的结构如图1 1 所示。在发送端，即视频信源端，输入视频 经视频编码器压缩成特定码率的码流，经过传输层和网络层封装打包后，进行信 道编码。信道编码过程引入信道差错控制措施：前向纠错编码f e c 、自动请求重 发( a r q ) 和数据交织( i n t e r l e a v i n g ) ，以增强码流在无线信道传输中的抗误码性锹“。 信道编码输出的数据流经过调制后在无线信道上传输。在接收端，进行解调和信 道解码后，进行解包处理，得到压缩视频流，再经过视频解码得到重建的视频信 号，该信号可根据不同应用的要求进行视频图像后处理。 匿亟卜咂亟巫m 至口一厘堕固( 至口 f e c 、a r q 、交织龟 无线信道 ? 喜 、t 7 匦巫 岖巫固q ! 卜+ 匦匦固 至丑_ j 图i ，1 无线视频通信系统框图 从图1 1 可以看出，无线视频通信系统与有线视频通信系统的区别在于，它包 含一个无线链路。众所周知，无线信道的有效传输带宽是非常宝贵的，而且各种 噪声干扰也会影响无线信道的数据传输质量。因此，无线信道成为了无线视频传 输关注的焦点。 无线信道由于其固有的特性，如多径效应、瑞利衰落等导致误码率高、干扰 严重，并且无线网络带宽有限、波动较大，很难为应用提供可靠的服务质量保证 ( q o s ) 。因此，在无线信道进行视频传输必须兼顾高效的压缩编码效率和传输方案 的抗误码性能【2 】f 3 】【4 】两方面。 提高无线视频传输抗误码性能的措施可以分成两大类：信源的鲁棒性编码和 信道传输的差错控制技术【5 】【6 l i b s 1 。 信源的鲁棒性编码的主要思想是结合适合于误码恢复的方法来对原始的视频 流进行压缩编码，提高压缩视频流的抗误码能力。目前，适合于无线视频通信的 2无线o f d m 信道h 2 6 4 视频传输抗误码方案研究 压缩编码标准主要包括i t u t 的h 2 6 x 系列和m p e g 组织的m p e g - 4 标准1 9 】1 1 0 1 。 其中， l 2 6 x 系列标准包括h 2 6 1 、h 2 6 3 1 1 “、h 2 6 3 + 1 1 2 i 、h 2 6 3 + + 【1 3 l 和 h 2 6 4 a v c i 1 。在视频鲁棒性编码方面，h 2 6 4 a v c 标准中第一次提出了视频编 码层与网络适配层的概念，并为压缩编码和鲁棒传输制定了相应的接口，使得各 种抗误码策略和算法能方便地得以实施，如帧内宏块刷新策略、多参考帧选择、 误码掩盖、参数集、数据分割和打包方法等等i l ”。 信道传输的差错控制技术，主要是为了保证信源编码比特流能够在衰落和有 突发性错误无线信道无误传输。其中典型的差错控制技术有前向纠错编码、自动 请求重传、混合纠错编码和交织等。下面对无线信道上的差错控制技术作简要介 绍： f 1 ) 前向纠错编码( f e c ，f o r w a r de r r r o rc o r r e c t i o n ) 作为一种重要的纠错编码方式，前向纠错编码在视频传输容错技术中得到了 广泛的应用。在发送端，将数据信息按一定规则编码成具有纠错能力的码字，接 收端收到这些码后，按预先规定的规则进行译码，确定接收码组中是否有错，若 有错，确定其位置并纠正。前向纠错编码不需要反馈信道，适用于单向信道，时 延小，实时性好，但译码设备复杂，且复杂程度随纠错能力的增加而增加。此外， 在这种方式中，所选择的纠错码必须与传输所用信道的差错统计特性相一致，这 就要求事先对信道的差错统计特性有一定了解。 ( 2 ) 数据交织 许多信道中的差错是突发的，由于错误集中在一起，常常超出纠错码的纠错 能力。在这种情况下，可以利用交织技术来分散信道的突发误码，使之变成独立 的随机差错，再利用纠错码进行纠错。但采用数据交织技术会引入额外的延时， 最简单的交织器是块交织器，它是一个二维存储器阵列，先将数据按行存入，然 后按列读出。一般而言，交织深度越大，越易于将突发误码离散。但交织深度越 大，引入的延时也相应越大。因而必须根据信道特征、纠错码类型和服务对延时 的要求来选择交织深度。 ( 3 ) 自动请求重传( a r q ) 自动请求重传( a r q ) ，其运作过程是在发送端对数据进行一定的编码，加入一 些冗余码元，使之具有一定的检错能力：在接收端，接收到码组后，按一定规则 判断是否有传输错误，并把判断结果通过反馈信道传至发送端；发送端再根据此 应答信号重传有错的信息。如此往复，直至正确接收为止。与f e c 方式相比，a r q 具有附加的冗余码元( 检错码) 少，输出误码率低，检错码与信道的差错统计特性无 关的优点。但a r q 需要反馈信道，并且控制较为复杂。另外，由于时延较大，a r q 不适合于实时性要求较高的系统。 ( 4 ) 混合差错控制( h e c ) 第一章绪论 3 实际应用中经常采用混合差错控制，它是f e c 和a r q 两种差错控制方法的 结合。发送端发送的冗余码元中既有纠错码也有检错码，接收端根据差错情况， 能纠j 下则纠正，若超出纠错码的纠错能力，但还能检查出错误，则以a r q 的方式 进行检错重传。h e c 同时具有f e c 和a r q 的优点，因此特别适用于环路迟延大 的高速传输系统。对于实时视频传输系统，一般采用f e c 或h e c 。 本文对无线0 f d m 信道h 2 6 4 视频传输抗误码方案的研究，就是在综合考虑 上述鲁棒性信源压缩编码和信道传输差错控制两方面基础上展开的。结合无线 o f d m 信道的传输特性，本文设计的无线o f d m 信道h 2 6 4 视频传输抗误码方案 通过灵活运用视频编码标准h 2 6 4 a v c 提供的错误恢复工具以及信道差错控制技 术来提高无线o f d m 信道上视频传输的抗误码性能。 1 2o f d m 无线视频传输研究现状 第一代、第二代蜂窝移动通信系统是针对传统的话音和低速率数据业务的系 统，随着第三代、第四代移动通信系统的发展，无线多媒体应用尤其是图像视频 媒体的应用将是下一代无线通信网络面峪的重要课题，面向无线通信的视频编码 和传输技术成为新的研究热点。视频业务数据量大、对误比特率要求高，而无线 信道又有易错、时变和带限的特点，并且多径现象导致慢衰落和快衰落，信道的 误比特率要比有线环境大得多，可达到1o - 2 。因而，在无线信道上进行视频传输， 视频图像质量降低非常严重。 正交频分复用( o f d m ) 技术，能有效地克服频率选择性衰落、适合于高速率数 据传输、系统频谱利用率高，因而在无线高速数据通信中都倾向于采用o f d m 技术， 如欧洲的数字音频广播( d a b ) i 、数字视频广播( d v b ) 1 1 7 1 ，以及i e e e s 0 2 11 a 无线 局域网1 1 5 1 等。 目前，已有国内外学者对o f d m 无线视频传输做了深入研究。文献 1 9 1 研究 了a o f d m ( 自适应o f d m ) 传输视频数据的算法，对不同信噪比的子信道采取不同 的调制方式传送视频，但该技术没有结合视频数据的特点。参考文献 2 0 ，2 1 1 利用 o f d m 信道估计的周期性提出一种视频传输的不等保护( u e p ) 方案，将重要数据放 在距导频符号近的位置传输，不重要的数据放在距导频符号较远的位置传输。文 献 2 2 ，2 3 提出了在空时分组编码o f d m 上实现基于自适应子带分配的不等保护 的机制，其主要思想是将信道划分为不同质量的分集，用以传输不同优先级的视 频数据。与此技术较为相似，文献 2 4 】通过星座划分实现不同质量子信道的划分。 针对m i m ov - b l a s t ，文献 2 5 】提出一个可保障最小q o s 跨层机制的无线视频传 输技术，在物理层优化各个天线的发射功率和比特分配，应用层采用f g s ( f i n e g r a n u l a r i t ys c a l a b i l i t y ) 编码保证物理层能够根据信道情况，选择性丢失重要性相对 4无线o f d m 信道h 2 6 4 视频传输抗误码方案研究 较低的数据。文献 2 6 】提出了在o f d m 信道采用m d c ( m u l t i d e s c r i p t i o nc o d i n g ) 的编码和传输技术。在文献【2 7 】中介绍了使用预编码o f d m 信道的技术，通过自 适应矢量信道分配，将可分级( s c a l a b l e ) 的视频数据放到不同性能的子信道上实现 u e p 。文献【2 8 】在分析和对比了各种应用于o f d m 信道的自适应比特加载 r b i t l o a d i n g ) 技术后，提出了多层比特分配技术，对视频数据实施不等保护。文献【2 9 】 提出将o f d m 符号分割为“子符号”，并对子符号进行空时分组码( s t b c ) 编码的 思想，由此通过两倍或四倍分集增益对传输信息进行不等保护。还有 3 0 ，3 1 讨论 了多用户在o f d m 中传送视频的公平性和效率问题。文献【3 2 提出了在o f d m 系 统中传输f g s 视频流的自适应子载波分配及功率分配算法。 从以上研究工作不难看出，已有的o f d m 视频传输的研究工作都只是集中在 利用o f d m 子信道的平坦衰减特性和子信道间信噪比的差异对视频数据进行不等 保护传输。 为了提高视频传输的可靠性，最新的视频编码标准h 2 6 4 a v c l 3 3 1 提供了一系 列提高恢复视频质量的错误恢复( e r r o rr e s i l i e n t ，e r ) 工具【3 “。以上研究工作还少 有结合o f d m 信道衰落特性对视频传输的影响，充分利用h 2 6 4 a v c 的e r 工具 实现o f d m 视频有效传输技术的。 1 3 论文的研究工作 本文在分析无线o f d m 信道衰落对视频传输影响的基础上，研究了一种基于 o f d m 信道状态反馈的空间域、频率域、时间域三重数据交织传输改进方法，实 现视频在无线o f d m 信道上的有效传输。本文在三重交织技术口7 j 基础上，提出了 一种基于o f d m 信道状态反馈的三重交织改进方案。而后结合h 2 6 4 a v c 中f m o 工具，对基于o f d m 信道状态反馈的不等保护策略进行研究分析。 本文各章节内容的具体安排如下： 第一章为绪论，对无线视频通信系统的加以介绍，在此基础上介绍了目前 o f d m 无线视频通信的研究现状。 第二章对h 2 6 4 视频压缩编码标准的新特点加以总结，并着重介绍了h 2 6 4 视频压缩标准中的抗误码新技术，为论文后续章节对无线o f d m 信道视频传输抗 误码方案的研究奠定基础。 第三章对本论文研究的视频传输方案中所采用的o f d m 技术进行介绍。简单 分析了o f d m 技术在无线应用中的抗多径原理、o f d m 中的关键技术，最后指出 了在无线应用中进一步改善o f d m 系统性能的技术。 第四章在介绍衰落信道特性的基础上得出无线o f d m 信道衰落特性，并分析 无线o f d m 信道衰落特性对视频传输性能的影响。结合o f d m 信道衰落特性和 第一章绪论 5 h 2 6 4 视频特点，在三重交织方案基础上进一步提出了一种改进方案基于 o f d m 信道状态反馈信息的自适应的三重交织技术。 第五章给出实验结果与性能分析。 第一二章h 2 6 4 视频编码杯准简介 第二章h 2 6 4 视频编码标准简介 2 1h 2 6 4 标准简介 h 2 6 4 a v c 是最新的国际视频编码标准，它的制定过程最早是从1 9 9 8 年开始 的。当时，i t u t 第1 6 研究小组在对h 2 6 3 不断改进的同时，还启动了另一个研 究项目h 2 6 l ，目标是制定一个新的数字视频编码标准，使其编码效率能够比当时 已投入使用的标准提高一倍。这个项目是由视频编码专家! i ( v c e g - i t u n 负责， 2 0 0 1 年1 2 月，运动图像专家组( m p e g ) 也加入进来，成立了联合视频小组( j o i n t v i d e ot e a m ：j v n ，共同来完成了标准的制订工作。2 0 0 3 年3 月，标准的最终草案 公布并改名为h 2 6 4 ，由于h 2 6 4 是由两个组织共同创建完成，所以它分别被称为 i t u t 建议h 2 6 4 和i s o i e c 国际标准1 4 4 9 6 1 0 ( m p e g - 4 第十部分) a v c ( 先进视频 编码) 。最终标准于2 0 0 3 年5 月发布。 h 2 “编码的标准化范围如图2 1 所示： 图2 1 视频编码标准化范围 图2 1 给出一个典型的视频编码解码系统流程，和以前的i t u t 和m p e g 所 制定的编码标准一样，h 2 6 4 编码标准只有视频解码部分被标准化。通过限制比特 流和语法，定义视频解码过程的语法单元，所有符合标准的解码器对给定一段编 码后的码流进行解码后都会有相同的结果输出。标准的这种范围限制最大可能地 提高了使用各自最适合的方式进行性能优化的自由度。 与以前的视频编码标准不同，h 2 6 4 在结构上分为两层( 如图2 2 所示) ：一个 规定视频编码算法的视频编码层( v c l ) 和一个规定网络传输规范的网络抽象层 ( n a l ，n e t w o r ka d a p tl a y e r ) 。视频编码层的主要任务是用高效的方式表述视频数 据，也就是进行视频数据的压缩；网络适配层则根据网络的特性对数据进行封装 打包，使其适合于网络传输。 压缩效率方面，在相同的视频质量情况下，h 2 6 4 比h 2 6 3 节省5 0 左右的比 特率，即仅用一半的编码量就能得到同样清晰的画面。同时它采用“回归基本” 的简洁设计，不采用众多的选项就能获得比h 2 6 3 + + 好得多的压缩性能。在解码器 8 无线o f d m 信道h 2 6 4 视频传输抗误码方案研究 端可采用复杂度分级设计，在图像质量和解码处理之| 、日j 分级，以适应多种复杂性 应用。 h 2 6 4 概念层 视频编码层 视频编码层 ( v c l ) ( v c l ) jv c l - n a l 接口 网络抽象层 网络抽象层 ( n a l ) ( n a l ) n a l 编码接r an a l 解码接口 传输层 i 同离网网网 弋_ 四分之一像素精度的运动补偿：以前大多数的标准最多支持运动矢量精确 n - - 分之一象素。而h 2 6 4 标准中通过使用四分之一像素精度的运动矢量，使得 运动补偿更为精确。 可超越图像边界的运动矢量：m p e g 2 及其以前的标准，运动矢量只允许 指向已解码的参考图像内的点。图像边界外延技术，首先被h 2 6 3 作为一个可选 项而采用，在h 2 6 4 中也被包含进来，这使得h 2 6 4 的运动矢量可以指向超出图 像边界的点。 多参考帧运动补偿：在m p e g 2 及其以前的编码方案中，预测帧( 称为p 帧) 只允许用前一帧图像来预测下一帧的图像。而h 2 6 4 扩展了h 2 6 3 + + 中的参考帧选 择技术，允许编码器根据运动补偿原则在大量的已解码并存储在解码器的图像中 选择参考帧，来达到高效编码的目的。h 2 6 4 中同样也对双向预测参考帧的参考能 力根据双向运动补偿作了扩展。 去除显示图像顺序和参考图像顺序的耦合性：在以前的标准中，运动补偿 的参考帧使用顺序严格依赖于图像播放的顺序。h 2 6 4 标准彻底去除了这些限制， 第：章h2 6 4 视频编码标准简介 1 1 允许编码器灵活选择参考图像的顺序和播放图像的顺序，其灵活性只受到存储器 的总容量必须确保解码能力的限制。同时，这些限制的去除也消除了以前由双向 预测编码带来的附加延时。 去除图像参考能力和图像表示方法的相关性：在以前的标准中，使用某些 编码方法生成的图像( 如：双向预测编码帧) 不能用作预测视频序列中其它图像的参 考帧。去掉这一限制后，新标准的编码器更为灵活，而且在很多情况下，可以选 择与待编码图像更接近的某一幅图像作为参考帧。 权重预测：h 2 6 4 中的又一个创新是允许编码器对运动补偿预测信号加权。 这使得包含淡入淡出效果的图像和其它一些图像在编码效率上有很大提高。 改进的“s u p p e d ”和“d i r e c t ”模式推断：在以前的标准中，已编码图像中 模式为“s u p p e d ”的图像区域内的场景内容不能运动，这对包含整体运动的图像 是有害的。所以h 2 6 4 对“s k i p p e d ”区域进行运动推断。对双向预测编码区域( b s l i c e s ) ，h 2 6 4 还包含增强的运动推断方法：“d i r e c t ”模式的运动补偿，它进一步 改善了h 2 6 3 + 和m p e g - 4v i s u a l 中“d i r e c t ”预测的设计。 帧内编码中不同方向的空间预测：在帧内编码的图像中使用了新的空间预 测技术，将当前图像中已编码的部分预先解码，将解码区域边缘的象素用于帧内 编码区域的空间预测。这一技术增强了预测图像的质量，并允许由邻近区域中非 帧内编码的图像预测当前图像。 环路去方块滤波：基于块的视频编码所产生的效应就是块效应，这是源于 预测和重构是在解码过程中的不同阶段。自适应去方块滤波的应用是一种为人所 熟知的改进图像质量的方法，如果设计得当，它对图像的主观和客观质量都有改 进。与h t 2 6 3 + 的选项中的去方块滤波不同的是，h 2 6 4 的这一设计是在运动补偿 预测环路中提出的，所以它对图像质量的改善也可应用于帧间预测，进而增强预 测其它图像的能力。 2 提高变换和编码部分效率的设计： 小的块变换：以前所有主要的视频编码标准都使用大小为8 8 的块进行变 换，而新的h 2 6 4 的设计主要是采用4 x 4 的变换。这使编码器可以更好的根据当 时的场景来表现信号，有效减少了振铃( r i n g i n g ) 效应。 块大小灵活可变：在大多数情况下，使用大小为4 x 4 的较小的块进行变换 就可以了。但有些信号的相关性很强，这种情况下的变换就可以使用更长的基 函数。h 2 6 4 标准对这种情况的处理有两种方法：一是通过使用分级变换来扩充有 效的块大小，对频率较低的色度信号，将其组成8 x 8 的数组；二是通过允许编码 器在帧内编码时选择特殊的编码类型，使得对频率较低的亮度信号的变换长度扩 充到1 6 x 1 6 的块大小，这与色度信号的处理方法很类似。 短整型字长的变换：以前标准的编解码器对变换计算部分都较为复杂，所 1 2无线o f d m 信道h 2 6 4 视频传输抗误码方案研究 以以前的标准中都采用3 2 比特的处理，而在h 2 6 4 中仅要求1 6 比特的计算。 精确匹配的逆变换：在以前的视频编码标准中，用于表现视频的变换通常 被限定在误差允许的范围内，因为得到精确匹配的理想的逆变换是不现实的。所 以，不同的解码器设计解得的视频图像有微小的差异，产生编解码器所表现的 视频信号的“漂移”，使视频质量下降。h 2 6 4 是第一个达到解码的视频内容精确 等价于编码质量的标准。 算术熵编码：h 2 6 4 包含了一种先进的熵编码方法一算术编码。算术编 码作为h 2 6 3 的可选项出现过，h 2 6 4 中更为有效地利用了这一技术，提出了功能 非常强大的熵编码算法c a b a c ( 基于内容的自适应算术编码) 。 基于内容的自适应熵编码：h 2 6 4 中的两种熵编码方法分别是：c a v l c ( 基 于内容的自适应变长编码) 和c a b a c ，它们都是用基于内容的自适应手段来提高 编码效率的。 3 提高抗误码丢包以及增强在不同网络环境下操作灵活性的设计： 参数集结构：参数集的设计为头信息的鲁棒性和高效安全性提供了保障。 在以前的标准中如果关键信息丢失了几个比特( 比如序列的头或图像的头信息) 可 能严重影响解码过程，在h 2 6 4 中对这些关键信息用更为灵活的方法单独处理。 n a l 单元语法结构：h 2 6 4 的每个语法结构都按逻辑数据打包，称为n a l 单元。与以前的视频标准强制系统使用特定的比特流接口不同，h 2 6 4 的n a l 单 元语法结构允许根据特定的网络自定义合适的方法来传送视频内容。 灵活的s l i c e 大小：与m p e g 一2 中定义的固定的s l i c e 结构不同，h 2 “ 中的s l i c e 大小与早些的m p e g 1 一样是非常灵活的。 灵活的宏块顺序( f m o ) ：提出了一种将图像划分成被称为s l i c e 组的新方 法，s l i c e 组中的每一个s l i c e 都可以作为一个单独的解码单位。有效利用了这一点， 灵活的宏块顺序就可以显著增强抗数据丢失的鲁棒性。 任意的s l i c e 顺序( a s o ) ：因为编码图像的每一个s l i c e 基本都可以与图像 中的其他s l i c e 独立地进行解码，所以在h 2 6 4 的设计中，可以以任意顺序发送和 接收图像中的s l i c e 。这种能力可以改善实时应用中端到端的延时，尤其是乱序发 送的网络。 冗余图像：为了增强抗数据丢失的鲁棒性，h 2 6 4 的设计中允许编码器发 送图像某些区域的冗余表示，这样当基本表现部分在传输过程中丢失时，仍可以 表现图像的某些区域。 数据分割：在表现视频内容时，某些编码信息比别的信息更为重要或更有 价值( 如运动矢量或其它预测信息) ，因此，h 2 6 4 允许每个s l i c e 的语法可以按语法 元素的范畴被分为三个不同的部分进行传输。 s p s i 同步切换帧：s p s i 帧是h 2 6 4 设计的两种新的图像类型，通过使用 第。：章h2 6 4 视频编码标准简介 1 3 s p s i 帧就可以在解码端做到与其他解码器币在产生的视频流精确同步，而无需对 所有解码器都传送一个i 帧而造成效率下降。这就使得解码器可以在以不同的数据 传输速率播放的视频内容i 日】进行切换，以及抗数据丢失和数据错误，并且能够使 用t r i c k 模式( 如快进、快倒等) 。 2 4 视频编码新标准h 2 6 4 中抗误码技术 为了提高编码压缩率，h 2 6 4 a v c 标准在许多方面都作了创新或改进1 4 2 1 。这些 先进的编码压缩技术使得h 2 创a v c 能够有效地去除原始视频数据在时问域和空 间域的冗余信息，实现很高的压缩比。但高效压缩后的视频流在传输过程中对信 道误码也更敏感，即使单个突发性错误，也可能严重干扰接收端的正常解码，造 成恢复视频质量的急剧下降。为此，h 2 6 4 新标准采用了多种用于增强压缩视频流 抗误码能力的编码技术，以保证恢复视频流的质量，下面对h 2 6 4 新标准中主要的 抗误码技术加以介绍。 2 4 1 参数集 参数集是h 2 6 4 标准中一项全新的视频压缩抗误码技术，它通过改进视频码流 结构，增强错误恢复能力。我们都知道，一些关键信息比特( 如序列和图像的头信 息) 的丢失将直接导致与这些信息相关的数据不可用，给解码造成很大的负面效应， h 2 6 4 把这部分关键信息分离出来，放在参数集里，以确保在较差的网络环境中都 能正确地传输，这种码流结构的设计无疑增强了码流传输的错误恢复能力。 h ，2 6 4 的参数集分为序列参数集和图像参数集两部分。其中，序列参数集包括 一个图像序列的所有信息，即两个i d r 图像间的所有图像信息。图像参数集包括一 个图像的所有分片的所有相关信息，包括图像类型、序列号等，用于解码已编码 视频序列中的1 个或多个独立的图像。多个不同的序列和图像参数集存储在解码器 中，编码器依据每个编码分片的头部的存储位置来选择适当的图像参数集，图像 参数集中包含一个要使用和参考的序列参数集。 参数集的实现可以通过带外传输、带内传输，也可在编码器和解码器中采用 硬件来处理参数集。其中，带内传输要求参数集通过可靠的协议，在首个片编码 到达之前传输到解码器；而带内传输则需要为参数集提供更高级别的保护，如发 送复制包来保证至少有一个到达目标。 2 4 2 灵活的宏块排序( f m o ) 一幅图像由若干片组成，每片包含一系列的宏块，宏块的排列可以按光栅扫 描顺序，也可以不按光栅扫描顺序。每个片独立解码，不同片的宏块不能用于自 l无线o f d m 信道h2 6 4 视频传输抗误1 i 1 5 h 袈_ 【i j f 究 身片中作为颅测参考。因此，；的设爵4 ；会造成片削跌码扩敝。如矧2 5 【 i 片0 、片 1 、j _ 2 、片3 中宏块不能相互用作预测参考。 灵活宏块排序( f m o ，f l e x i b l em a r o b l o c ko r d e r i n g ) 是h 2 6 4 的+ 大特色，适用 于h 2 6 4 的基本档次和扩展档次。f m o 通过宏块映射，把每个宏块分配到f i 梭 i 描 顺序排列的各个片中，多个片再组成片组( s l i c eg r o u p ) 。图像内部预测机制，例如 帧内预测或运动矢量预测，仅允许用同一片组里的空问相邻的宏块。 f m o 可以有多种划分模式，图2 5 所示是几种常见的宏块划分方式。当然也可 以将一帧中的宏块顺序分割，使得分割后的片的尺寸小于无线网络最小传输单元 m t u 的尺寸，经过f m o 模式分割后的图像数据分开进行传输。 i 1f l l4 二 il l ! ll ! 】 il i 4f 一 0 _ _ _ 。一 。一 。= _ a ，| n t e r j e a v c d b ld l s s 卅 i c ff o r e 毋 o u n da n db a c k g r o u n d e lr a t e r 霹a n ( f j w 耻 图2 5f m o 的宏块划分方式 采用灵活宏块排序f m o 后，若传输过程中某个片组丢失，可以利用其他正确 接收、包含与丢失片中宏块相邻宏块的片组来进行有效的误码掩盖。这种错误隐 藏机制可以明显提高抗误码性能。实验证明，在c i f 图像的视频会议中，在丢包 率达1 0 时，视频失真低到需要训练有素的眼睛才能识别。 使用f m o 的代价是编码效率降低了，因为它破坏了图像内相邻宏块间的预测 机制，并且在高优化环境下，由于预测的难度较大，带来较大时延。 2 4 3 冗余片( r s ) 冗余片主要用于支持高误码的移动环境，其原理简言之即为：编码器在同一 个比特流中除了添加片中已编码的宏块外，还将该宏块的一个或多个冗余表示也 包括其中。当然，这些冗余片的编码参数与非冗余片的编码参数是不同的，在解 码器端重构图像时，若主片可用，则首选主片而丢弃其他的冗余片；若主片在传 第二章h 2 6 4 视频编码标准简介 1 5 输的过程中丢失或由于误码等原因而不可用时，冗余片也能被用于重构图像。 这种技术与基于冗余的传输，如包复制有着本质的区别。在包复制冗余传输 中，被复制的包和复制包一模一样，而在冗余片技术的使用中，冗余片使用不同 的编码参数来编码，从而形成对同一宏块的4 i 同表示。例如，主片可以使用较小 的q p 来量化编码，因此具有较好的重构图像质量。冗余片可以使用个较大的 p j d 来量化编码，因而使用较少的比特数，重构质量较粗糙。在解码器中重构图像 时，如果主片可用，则仅使用主片而丢弃其余的冗余片。只有当主片在传输的过 程中丢失或由于误码等原因而不可用时，其余的冗余片才用于重构图像这种对 主次冗余片不同编码参数的运用，使得冗余片技术在花销最少比特数的情况下， 最大限度地保证了重构图像的质量，尤其是在有误码倾向的移动信道或口信道环 境下，采用冗余片技术可显著提高重构图像的主客观质量。 2 4 4 数据分割 由于运动矢量和宏块类型等信息相对于其他信息具有更高的重要性，因而在 h 2 6 4 中引人了数据分割的概念，将片中语义彼此相关的语法元素放在同一个分割 中。在h 2 6 4 中有三类不同的数据分割，即a 型、b 型和c 型分割。 a 型分割是头信息划分，包含片中宏块的类型，量化参数和运动矢量，是片 中最重要的信息。如果a 型分割数据丢失，即使其他类型的数据分割被正确接收 也将不可能对码流解码。因此，在分割重组之后，对a 型数据分割给以最大程度 的保护。 b 型分割是帧内信息划分，包含帧内c b p ( c o d e db l o c kp a t t e r n ) 和帧内系数，该 类型数据结合a 型分割的数据可以解出帧内信息。相对于帧间信息，帧内信息能 更好地阻止错误扩散，但b 型数据分割要求给定分片的a 型分割有效。 c 型分割是帧间信息划分，包括帧间c b p 和帧间系数，通常比前两类分割要 大得多。该类数据分割重要性最低，对重同步没有贡献。它也必须与a 型数据分 割结合才可以解出帧间宏块信息。 当使用数据分割时，源编码器把不同类型的分割放置在三个不同的缓冲器中， 同时分片的尺寸必须调整，以保证小于m t u 的长度。因此，数据分割是由编码器 而不是n a l 来实现的。在解码端，所有的分割用于重建。这样，如果帧内或帧问 信息丢失，有效的帧头信息仍然能用来提高错误隐藏效率，即提供有效的宏块类 型和运动矢量等信息，保留了宏块的基本特征，从而仍可获得一个相当高的信息 重构质量，而仅仅丢失了部分细节信息。 无线o f d m 信道h2 6 4 视频传输抗误码方案研究 2 4 5 帧内编码 基于宏块、片或图像的帧内编码主要是为了有效防止误码扩散问题。帧删编 码由于采用了预测方法而具有很高的编码效率，但同时也对差错有很敏感。与之 相比，帧内编码帧不以任何重建帧为参考，可以有效防止错误扩散问题。 h 2 6 4 也采用帧内编码作为一种抗误码手段，并较之以前标准做了重要改进， 主要体现在两个方面： ( 1 ) h 2 6 4 标准中帧内预测宏块编码的参考宏块可以是帧问编码宏块。采用预 测的帧内编码比非预测的帧内编码有更好的编码效率，但降低了帧内编码的重同 步性能。可以通过设置限制帧内预测标记来恢复这一性能。 ( 2 ) h 2 6 4 标准中只包含帧内宏块的片有两种：帧内片( 1s l i c e ) 和立即刷新片 ( i d r ，i n s t a n t a n e o u sd e c o d i n gr e f r e s h ) 。其中，i d r 片仅用于构成一个完整的i d r 图像，i d r 图像中的所有片必须是i d r 片。 在解码器端，当解码完一幅i d r 图像后，解码器立即将所有的参考图像标识 为“未用作参考”。这样，后续图像解码时，不参考该i d r 图像前面的任何图像。 每个视频序列的第一幅图像一定是i d r 图像。与仅包含帧内编码片的图像相比， i d r 图像具有更强的重同步特性。 视频序列的编码过程中，在一定时间间隔内插入i d r 图像，可以改善解码端 的视频重建质量，并能有效地抑制误码扩散。但是帧内编码方式相对于帧问编码 方式，其编码效率大大降低，也就是说利用帧内编码方法来提高压缩码流抗误码 能力是以牺牲编码效率为代价的。 2 4 6 参考帧选择( r p s - r e f e r e n c ep i c t u r e f r a m es e l e c t i o n ) 参考帧选择r p s ，又名多参考帧编码( m u l t i f r a m ec o d i n g ) ，是一种抗误码和提 高编码效率的有效手段。使用r p s 模式时，参考帧必须在图像头信息中带有时间 参考( t r ) ，以使解码器在重建时知道应该使用哪一个参考帧。 h 2 6 3 + 标准的a n n e xn 即是参考帧选择的一个应用实例，它基于文献 4 3 】的提 案，即n e w p r e d 算法，n e w p r e d 算法也是m p e g - 4 标准的组成部分。 l 2 6 3 + + 标准又提出了一种参考帧选择改进算法，这一改进算法不仅能抑制误码扩散，同时 也能提高编码效率，称为增强的参考帧选择模式( a n n e xu ：e n h a n c e dr e f e r e n c e p i c t u r es e l e c t i o n ，e r p s ) t “1 。 由于参考帧选择模式对于增强抗误码能力和提高编码效率具有显著的效果， t 将其作为h 2 6 4 的重要组成部分。h 2 6 4 中的参考帧选择算法比其他文献中的 算法更加灵活。它将缓存分为短效( s h o r t t e r m ) 和长效( 1 0 n g t e r m ) 两类，并定义了存 储器管理控制操作( m m c o ，m e m o r ym a n a g e m e n tc o n t r o lo p e r a t i o n ) h ”，进行多达7 第一二章h 2 6 4 视频编码标准简介 1 7 种方式的灵活管理操作。 使用参考帧选择时，可以借助反馈信道1 4 6 , 4 7 1 ，也可以没有反馈信道。 没有反馈信道时，参考帧选择主要用于提高编码效率。h 2 6 4 编码器能够从前 面或后面已编码的图像中选出个或两个与当前最匹配的图像作为帧问编码的参 考图像。这样，复杂度大为增加，但多次比较的结果可以使匹配后的预测精度显 著提高。h 2 6 4 中最多可以从1 5 个参考图像中进行选择，选出最佳的匹配图像。 有反馈信道时，编码器可以根据解码端反馈的解码信息，选择解码端正确解 码的帧作为参考帧，而那些被报告出错的帧在以后的编码过程中将不