（通信与信息系统专业论文）基于无线的h264码率控制与错误掩盖技术研究.pdf

摘要 摘要 随着电子通信技术的不断发展，传统的语音、短信通信业务已经无法满足人 们的日常生活需要。新兴的视频业务正逐步渗透到日常的工作、生活、娱乐甚至 安全领域当中。h 2 6 4 是新一代的视频压缩标准，它的压缩性能、编码质量和网络 有好性等均取得了阶段性的进展，被广泛应用于各个领域。本论文针对在无线环 境中的h 2 6 4 码率控制和错误掩盖技术进行深入研究，优化算法并进行实验仿真 验证。 由于带宽有限和网络突发特性，无线通信对编码后的码流速率要求很高。因 此，需要一个尽可能精确的码率控制系统，用于保证视频的流畅传输、高效信道 利用率和满足用户需求的恢复质量。h 2 6 4 标准采用多种编码方法提高编码效率， 也增加了码率控制的难度。h 2 6 4 的解码器提供了错误掩盖技术，不过性能有限， 还有待提高。 论文首先介绍视频压缩编码原理，简介视频压缩系列标准。接着对无线通信 系统进行概述，通过分析无线通信的特性，建立信道模型，建立无线视频通信系 统。随后研究码率控制的基本原理，通过分析几个经典码率控制算法，引出h 2 6 4 的码率控制提案j v t - g 0 1 2 。阐述现有技术的不足之处，提出一个改进的帧层码率 控制算法。该算法采用p s n r q p 指数模型修正i 帧和b 帧的q p ，同时优化分配 目标比特。实验结果表明该算法能平均提高p s n r 在0 4 9 d b 左右，比较合理的控 制缓冲区满度，减少跳帧数。接着分析h 2 6 4 的无线网络友好性，提出一个基于 无线的码率控制和错误掩盖方法。该方法提出一个更为精确的计算初始i 帧q p 的 方法，并引入空间相关性，联合时空，更准确地预测平均绝度误差m a d ，用于改 善码率控制的性能，仿真结果表明p s n r 提高0 7 d b 左右，效果明显，并减少跳帧。 将编码后的视频数据经r t p 打包，送到无线信道中进行丢包处理。解码处理过的 数据信息，若发现数据丢失出错，则根据优化后的错误掩盖算法对丢失宏块进行 错误掩盖，恢复图像。实验结果表明该方法能够有效提高视频质量，平稳输出视 频流。 关键词：视频压缩、码率控制、错误掩盖、无线通信 a b s t r a c t a b s t r a c t a se l e c t r o n i ca n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，t h et r a d i t i o n a lv o i c ea n d m e s s a g es e r v i c e sh a v eb e e nu n a b l et om e e tt h ep e o p l e sd a i l yn e e d s t h ee m e r g i n g v i d e oa n da u d i oc o m m u n i c a t i o nb u s i n e s si sg r a d u a l l yi n f i l t r a t e di n t ot h ed a i l yw o r k ，l i f e ， e n t e r t a i n m e n ta n de v e ns e c u r i t yf i e l d s t h e r e f o r e ，v i d e oc o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g i e sa r ec o n c e n t r a t e db ya c a d e m i aa n di n d u s t r yc l o s e l y c u r r e n t l y , h 2 6 4i st h e l a t e s tv i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d so nt h em a r k e t a n di t sc o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ， c o d eq u a l i t y , a n dn e t w o r ka d a p t a b i l i t yh a sb e e np h a s e dp r o g r e s s i n g ，i ti s p o s s i b l et o o c c u p yt h ed o m i n a n tp o s i t i o ni nt h ev a r i o u s a r e a so f a p p l i c a t i o n s t h i sp a p e r c o n c e n t r a t et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，v i d e oc o d i n ga n dt r a n s m i s s i o na n ds oo i l s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sd e p t h l y , e s p e c i a l l yt h er a t ec o n t r o li ne n c o d i n gp r o c e s sa n d t h ee r r o rc o n c e a l m e n ti nt h ed e c o d i n gp r o c e s s ，t h e ns i m u l a t et h et e s t t h el i m i t e db a n d w i d t ha n dn e t w o r ke m e r g e n c i e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，l e a d t oc o n t r o lt h ee n c o d e db i ts t r e a m t h e r e f o r e ，i tn e e d sar a t ec o n t r o ls y s t e ma sa c c u r a t e l y a sp o s s i b l ef o re n s u r i n gs m o o t hv i d e ot r a n s m i s s i o n ，e f f i c i e n tc h a n n e lu t i l i z a t i o na n dt o m e e tt h eq u a l i t yo ft h ev i d e ot h a tt h eu s e rn e e d s h 2 6 4s t a n d a r du s i n gav a r i e t yo f e n c o d i n gm e t h o d so rt o o l st oi m p r o v ec o d i n ge f f i c i e n c y , h o w e v e r , t h er a t ec o n t r o li sn o t g o o de n o u g h h 2 6 4d e c o d e rp r o v i d e sar a n g eo ff a u l t - t o l e r a n tt o o l s ，b u tt h e i ru t i l i z a t i o n a r ev e r yl o w , o n l yu s i n gas i n g l eo re v e nn o tt h e s et o o l s ，s oi ti m p o s s i b l et oo b t a i nt h e b e s tv i d e oq u a l i t y i nt h ep a p e r , t h ef i r s ti st oi n t r o d u c et h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h p u r p o s e s t h e ni n t r o d u c ev i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gt h e o r ya n dt h ee x i s t i n gv i d e oc o m p r e s s i o n s t a n d a r d sb r i e f l y , e s p e c i a l l yi nt h ec o d i n gt e c h n i q u e sa n da p p l i c a t i o no b je c t i v e s m a k e a no v e r v i e wo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c ha n a l y s i s i n gt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sf e a t u r e s ，e s t a b l i s h i n gc h a n n e lm o d e l sa n db u i l d i n gt h ee n t i r ew i r e l e s s v i d e oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e na n a l y z et h ep r i n c i p l e so fr a t ec o n t r o l ，i n t r o d u c e s e v e r a lc l a s s i c a lc o m p a r i s o no fr a t ec o n t r o la l g o r i t h m ，r e c o m e n dj v t - g 012p r o p o s a lf o r h 2 6 4r a t ec o n t r o l ，a n a l y z et h et e c h n o l o g i e s s t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s t h ep a p e r d r e s e n t sai m p r o v e df r a m el a y e rr a t ec o n t r o la l g o r i t h m t h ea l g o r i t h ml st op r o p o s ea r 删i n d e xm o d e lf o rr e v i s e dp f r a m eq u a n t i z a t i o np a r a m e t e r , a n do p t i m i z et h et a r g e t n 啪b e ro fb i t sa l l o c a t i o na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc o m p l e x i t yo fv i d e oi m a g e s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep s n r v a l u e s ， m a k ev i d e or e s u l t ss m o o t h l y , t h eb u f f e rl e v e lm a i n t a i nw i t h i nac e r t a i nr a n g e a n dr e d u c e 丘a m es k i p p i n g t h e na n a l y z e st h ew i r e l e s sn e t w o r k - f r i e n d l yb a s e d o nh 2 6 4 ，w h i c hc a n h e l pt op r o p o s eah 2 6 4r a t ec o n t r o la n d e r r o rc o n c e a l m e n tm e t h o d sb a s e do nw i r e l e s s t h em e t h o di st op r o p o s eam e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ei n i t i a lq p v a l u e sm o r ea c c u r a t e l y a n dt h ep r e d i c t i o nm e t h o du s i n gt h es p a c eo rt i m ec o r r e l a t i o nt op r e d i c tt h em e a n a b s o l u t ed e v i a t i o na n dt a r g e tb i ta l l o c a t i o np r o g r a mm o r ea c c u r a t e l y a f t e rt r a n s m l s eb y t h ep a c k a g e t h e nd e c o d ei nt h ed e c o d e r , w h e r eu s i n ga l la d a p t i v ee r r o rc o n c e a l m e n t a l g o r i t h m a d a p t i v e s e l e c t i o nm a s kt o o lb yt h ed a t al o s ta n dc o d i n gf e a t u r e s ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o du s i n gi nw i r e l e s sn e t w o r k ，c a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ev i d e oq u a l i t y , r e d u c ef r a m e - s k i p p i n g ，e v e ns m o o t h t h ev i d e oo u t p u t k e y w o r d s ：v e d i oc o m p r e s s i o n ；r a t e c o n t r o l ；e r r o rc o n c e a l ；w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n l i 图目录 图目录 图1 1 无线多媒体数据传送过程图2 图1 2h 2 6 4 的编码器框图2 图1 3h 2 6 4 的解码器框图3 图2 1 视频连续帧之间的相关性。5 图2 2 基于块的混合视频编码框架图6 图2 3 图a 和图b 的细节内容对比6 图2 4 视频标准发展历程7 图2 5m p e g 2 编码复用系统8 图2 6m p e g 4 标准的编码示意图9 图2 7h 2 6 1 的混合编码示意图1 0 图2 8h 2 6 4 的档次包含的技术1 1 图2 9 宏块及子宏块分割1 2 图2 1 0 视频帧的编码比特数差异1 3 图2 1 1 码率控制反馈系统1 3 图2 1 2 基于r d 的码率控制流程图1 4 图2 1 3f o r e m a n 出错示意图1 4 图2 1 4 二阶m a r k o v 无线信道模型1 6 图2 1 5 无线视频通信系统框图1 7 图3 1v m 8 码率控制框图1 9 图3 2 蛋鸡悖论示意图2 1 图3 3j v t - g 0 1 2 的码率控制过程图。2 2 图3 4 帧层码率控制的流程图2 4 图3 5 基本单元层码率控制流程图2 8 图3 6i 帧和b 帧的指数模型拟合图3 0 图3 7 每一帧的实际编码比特数3 3 图3 8c a r p h o m e 的p s n r 示意图，在q p = 2 6 和3 0 时3 4 图3 9a k y i o 的p s n r 示意图，在q p = 2 6 和2 8 时3 5 图目录 图4 1 无线通信视频应用示意图3 6 图4 2h 2 6 4 的两层编码传输结构3 7 图4 33 g p p 用户平面协议栈封装过程3 7 图4 4 宏块状态图3 9 图4 5 帧内扫描方式4 0 图4 6 三种掩盖方式4 0 图4 7 双线性差值计算4 0 图4 8 帧间扫描方式4 1 图4 9 序列f o r e m a n 每帧结果示意图4 3 图4 1 0 序列c o a s t g u r a d 每帧结果示意图。4 5 图4 1 l 相邻宏块错误掩盖算法4 6 图4 1 2 选择最佳宏块4 6 图4 1 3 像素掩盖算法4 7 图4 1 4h 2 6 4 宏块划分4 7 图4 1 5 确定丢失宏块块大小的方法4 8 图4 1 6 典型视频序列的j v t - g 0 1 2 和改进后的p s n r 示意图4 9 图4 17 解码端的p s n r 值示意图。5 0 图4 1 8 视频序列c l a i r e 第5 帧的原图、帧间错误掩盖的解码图和本文算法的解码 图5 ( ) v i i 表目录 表目录 表2 14 x 4 亮度块预测模式描述1 1 表3 1 编码比特率的差值和跳帧数一3 2 表3 2p s n r 增益和p s n r 标准差值表3 4 表4 - 16 种无线传输环境的具体信息3 8 表4 2 改进的初始i 帧q p 计算的实验结果4 3 表4 3 改进的m a d 预测方法实验结果4 4 表4 4 测试序列的p s n r 和跳帧数4 8 表4 5 测试序列解码端的平均p s n r 4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含 为获得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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：一i 鳖& 叁一日期：卿年石月3 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：- j 馘导师签名：盆勉堑丕： 日期：矽肋i f - 石月弓日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当前世界范围内，通信技术、计算机技术和网络技术都在飞速发展，获得巨 大商业成功的同时，极大地影响着人类的日常生活和生产。传统的通信应用是语 音或数据传输的单一媒体业务，诸如电话、电报传真等。然而纵观新一代蓬勃发 展的高新技术产业群【l 】，如移动通信、数字电视和消费电子等，都将集中在对多媒 体信息的处理。这些高新技术以视音频为主要数据内容，主要关注视频数据压缩 编码和传送技术。据统计通过视觉获取的信息占人类掌握全部信息的比例超过百 分七十【2 1 。 视频压缩编码技术发展几十年来，颁布了一系列的国际标准及草案【3 1 。1 9 8 4 年，c c i t t 第1 5 研究组公开发布数字基群电视会议编码标准，即通常所说的h 1 2 0 建议。从此之后，m p e g 2 、h 2 6 3 、m p e g 4 等近十个国际标准便陆陆续续地颁 布了。2 0 0 3 年颁发了新一代的视频压缩编码标准h 2 6 4 草案。相比之前的h 2 6 3 ， h 2 6 4 的编码效率提高近5 0 ，图像质量更加优异，更适合在无线网络中传输。这 些特性使该标准在数字电视广播、移动视频业务、视频会议和网络流媒体传输等 应用上发挥重要作用【4 j 。 无线通信实现了人类随时随地即时通信的愿望。第二代无线通信发展到现在， 技术已经成熟，它提供了语音和低速率数据交换等基础业务，满足一般的生活生 产应用 5 1 。而第三代无线通信将致力于通过无线终端，以无线的方式直接获取 i n t e r n e t 的大量数据信息，提供非话音应用和服务。受技术局限，目前的无线带宽 有限，况且无线信道具有多径衰弱等损耗信道带宽的因素存在，将制约第三代通 信业务的发展，特别是基于视频的需要较大带宽的业务。随着科学技术的发展， 无线通信的带宽将不断变宽，当前研究的热点是将无线视频通信应用到人们日常 的生活当t 6 1 。 1 2 课题研究的背景与目的 电子科技人学硕士学位论文 2 1 研究背景 研究h2 6 4 标准n 尤其是研究视频数据在无线通信系统中的编码和传输特 性，满足无线多媒体业务发展的需要，是目前的一个重点。众所周知，多媒体业 务的应用网绍包括有线网络和无线网络两种，无线网络的多媒体数据传送过程如 图l - 1 所示。日前网络上，传输视音频等多媒体数据信息的方法主要有下载，存储 融 “厦# 目 蕊“? 毒葫 己曼 圈l 一1 无线多媒体数据传送过程图 播放和流式传输播放两种。因为文件数据信息比较庞大，下载往往需要消耗大量 的存储容量。如果网络带宽小够，通常就得会花上数分钟甚至数小时才能完成数 据f 载，浪费时间和金钱，所吼，下载通常无线用于实时视频传输中m i 。若是采用 流式传输，视音频等多媒体数据就可以一边下载一边播放，实时性能大大提高。 图】_ 2 h2 6 4 的编码器框图 h 2 6 4 编码器的主要功能模块同以往标准的基本相同，主要区别在于它们的其 2 n潆勰n潆勰 s ，一 第一章绪论 体实现方式不同。以提高硬件实现的复杂度为代价，提高编码性能。h2 6 4 是基于 编码和预测的混合编码框架的【9 】，编码器框图如图1 2 所示。主要模块有运动估计、 运动补偿、帧内触间预测模式选择、变换、量化、滤波和熵编码等。熵编码之后， 编码器的网络提取层会输出一个压缩码流。该压缩码流经信道传送到解码端，接 着，通过熵解码得到一组变换系数，接着进行反量化、反变换获取残差。残差和 预测块相加再通过滤波就可以得到重建的视频数据，整个解码过程如图1 3 所示。 圈一圆 圈1 - 3 h2 6 4 的解码器框图 无线多媒体业务主要是用在c d m a 2 0 0 0 、g p r s 和u m t s i o 】等提供较高分组 带宽( 1 0 0 k b i t s 以上) 的网络中。随着科技的进步，无线网络上空中接口的带宽 也不断增加，这为多媒体应用提供良好的物理基础。关键技术包括高效的视音频 压缩技术、具有容错性能的应用层q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 机制、无线信道编解 码和传输协议等，为多媒体业务的研究发展提供技术支持i 。何况无线通信还具 有不受时间、地点限制的灵活性，应用业务将会更加丰富、更具发展前景。目前， 世界杯精彩进球的片段回放、移动商务中股指，期指回放、电影精彩片断欣赏和流 行音乐欣赏等都是具体的无线多媒体应用业务。 2 0 0 8 年1 月4 日，国务院办公厅构印发了关于鼓励数字电视产业发展的若 干政策，这是由六太部委联名签署的0 8 年i 号文件。这个文件明确了现阶段的 发展目标d 2 ：“以有线电视数字化为切八点，加快推广和普及数字电视广播，加强 宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进三网融合”， 以此来实现产业链内相关产业地协调发展。明确地批示了“鼓励广播电视机构开 展数字电视和增值电信业务；支持国有电信企业参与数字电视接入网建设和电视 接收端数字化改造”。这一切都说明国家在积极发展多媒体应用业务。研究无线多 媒体数据的编码与传送的关键技术，尤其是码率控制与错误掩盖等技术，将是应 用无线视频业务的重要保证。 122 研究目的 。彳一 一 啦i 电子科技大学硕士学位论文 研究复杂网络环境情况，尤其是无线情况时的多媒体数据编码与传送的关键 技术，如信道信源编码、信道模型建立、码率控制、解码端错误掩盖等。不但能 够提高多媒体编码质量，改善视觉观看性能，还可以帮助网络运营商搭建高质量 的无线多媒体业务承载平台。码率控制与错误掩盖技术可以为内容运营商提供可 靠的服务质量保障q o s ，改善用户体验质量，若能合理硬件实现，被多媒体传输 设备采纳，可以提升相关网络终端和无线传输设备在国际国内市场上的竞争力。 通过本课题的研究，希望取得以下几方面的突破：建立起无线多媒体业务数据传 送的信道模型；优化无线环境下视频流业务中数据编码的码流速率控制和错误掩 盖算法，形成专利或知识产权。 1 3 本文的主要研究内容与创新 论文的主要研究与创新如下： 1 介绍和分析视频压缩原理和标准，重点介绍h 2 6 4 标准的关键技术，如码 率控制、容错等，阐述无线通信特点、建立信道模型和系统架构。 2 通过对经典码率控制技术的分析对比，介绍h 2 6 4 的码率控制j v t - g 0 1 2 提案的算法过程，分析它的优点和不足，提出一种改进的帧层码率控制算法，优 化算法性能，改善视频质量。 3 分析h 2 6 4 的网络友好性，尤其是在无线通信的情况下，介绍现有技术的 发展状况。根据无线环境的特性，提出一种基于无线的码率控制和错误掩盖方法， 改善视频传送的图像质量。 4 总结研究和工作成果，阐述课题的发展方向和下一步的工作计划，展望未 来。 4 第二章视频编码标准与无线通信系统概述 第二章视频编码标准与无线通信系统概述 21 视频压缩原理 未经压缩的视频数据具有极其庞大的信息量。举例来说，一路未经压缩的高 清数字电视信号，它包含的信息量高达1 g b i t s s 。与之截然相反的是，目前的网络 设备和传输技术都无法承载这样大的信号带宽。因此，压缩视频图像，降低数据 量就非常有必要。所谓视频压缩，就是在保证质量满足用户需求情况下，使用尽 量少的数据信息传输视频信息。未经压缩的数据信息通常高度相关，这些相关性 将造成了信息冗余。如图2 - i 所示，信息存在时间相关性和空间相关性，这些相关 将造成信息冗余。根据各种相关性消除信息冗余即是视频压缩编码。 蟹2 i 视频连续帧之间的相关性 经压缩编码后的数据信息通常是相互独立的，这样的信息将有利于传输，能 够在给定的信道上传送更多质量更好的数据信息【1 4 i 。根据压缩后的数据信息能否 准确恢复，压缩编码可分为有损编码和无损编码【l ”。无损编码是依据信息的统计 特性，压缩率在2 ：1 到5 ：1 之间性能有限，不过实现简单且恢复质量好。有 损编码则是依据人眼视觉系统的特性，能尽最大能力消除冗余只需编解码后恢 复的图像质量能满足人眼的视觉要求即可。有损编码主要有预测编码、变换编码、 模型编码和混台编码等，压缩比差别较大q 。图2 - 2 是典型的基于块的预测，变换 混合编码器的框架图，已被广泛采用，它的关键技术包括运动估计，丰h 偿、d c t 编 5 也子科技大学硕士学位论文 码、量, p j 反量化和可变长熵编码等。 ，f 。 _ _ _ 雹卜0 篇 至 c i 至】 习 图2 - 2 基于块的混台视频编码框架图 视频压缩中主要的编码技术有以下几种： i 预测编码 预测编码的基本思想是：首先根据数据的统计特性得到预测值，然后取预测 值与原图像的像素值之问的差值，并对其进行传输，这就大大降低了传输的码率 达到压缩的目的。通常，预测编码用于消除视频数据中的空间冗余和t j t f s j 冗余。 该方法比较简单，又能够获得较高的编码效率，被大多数的视频编码标准采纳1 1 ”。 2 变换编码 如图2 - 3 所示，图a 的内容比图b 的更加丰富，具有更多的细节，包含的信息 量也就太的多。但是采用空域存储的话，它们的空间信息量将是一样的。换句话 说，空域的图像存储方法比较直观，只是无法消除其内部的相关信息，忽略了部 分图像的本质特性。基于此，学者提出变换编码的思想【t s 。 图a 黄色郁金图b 红色郁金香 圈2 3 图a 和图b 的细节内容对比 变换编码通过时域频域之间的某种变换来消除信息数据的冗余。典型的变换 编码有子带、j 下交变换和小波等编码。 3 统计编码 6 第二章视频编码标准与无线通信系统概述 根据香农信息论【l 引，信源信息存在冗余的原因是其自身的相关性和内部信息 概率分布不均匀。统计编码根据码字出现的概率分布特征进行数据编码，主要针对 无记忆信源编码。常见的统计编码有游程编码、算术编码和霍夫曼编码三种。 目前，视频编码标准一般是采用融合多种实用的方法来提高编码效率。典型 的有：采用帧内预测和帧间预测消除视频数据的空间冗余和时间冗余信息；采用 离散余弦变换( d c t ) 消除频域冗余和采用熵编码消除编码冗余。 2 2 视频编码标准概述 视频压缩编码技术发展至今已形成一种专门的研究体系，发展历程如图2 4 所示。这些标准主要由国际电信联盟( i t u t ) 的视频编码专家组( v c e g ) 矛d 国际标准 化组织( i s o i e c ) 的运动图像专家组( m p e g ) 两个国际性组织制定颁布【2 0 】。针对不同 的应用需求，i s o i e c 和i t u t 颁布两个标准系列：m p e g x 系列标准和h 2 6 x 系列标准。随着网络、计算机、通信技术的不断发展，视频标准体系不断壮大、 完善，被广泛用于不同需求的视频业务上。接下来介绍这两个标准系列的技术特 性，顺便介绍由我国提出的，具有自主知识产权的数字音视频编解码技术标准 2 1 1 a v s ( a u d i ov i d e oc o r d i n gs t a n d a r d ) 。 洒i t u - t圈臣圈圈s t a d 甜d s j l 11 _ j i o m t i i j _ 2 6 2 m p e g - 2 0i 厂i 丽研 s t a n d a r d 纠 黑。l 羔亲炒国f i 广_ t s t a 瞰囟- d l ：溢。臣耳旱马。军鬻s 蛐广t 斗_ t t l t _ r + j - t _ t 1 t _ j 1 9 8 4 j 1 9 8 跏 1 9 9 2 1 9 9 6 2 0 ( o2 0 ( 0 图2 4 视频标准发展历程 2 2 1m p e g x 系列标准 m p e g 1 ：m p e g 1 标准【2 2 】是i s o i e c 于1 9 9 1 年发布的，制定的标准码率是 1 5 m b s 。其主要包括系统、视频、音频、一致性和软件五个部分。m p e g 1 标准 7 电子科技大学硕士学位论文 的图像格式是c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) ，该标准被用于存储和播放只读c d r o m 光盘的视 频数据，它的帧速率在2 4 f p s - 3 0 f p s 之间。m p e g - 1 的编码方式采用一直沿用至今 的运动补偿和二维d c t 变换技术。处理过程是先将量化后的d c t 系数进行变长 编码u l v c ，接着将所有数据块的直流分量d c 进行预测差分编码，最后通过网络， 传送编码后的数据信息。m p e g 1 标准存在四种的图像预测类型，分别是：直接预 测、帧内预测、前向帧间预测和双向帧间预测i s 。m p e g 1 采用的新技术包括半像 素精度的运动估计和省去环路滤波器，降低硬件实现的成本；增加双向帧间预测 方法，引入b 帧的编码模式；增加了图像组的概念，用于实现快进、快退及随机 读取；引用片层结构，防止误码扩散【3 j 。 m p e g 2 ：1 9 9 4 年1 1 月，i s o i e c 公布了m p e g 2 标准【2 3 1 ，主要用于d v d 、 数字视频广播( d v b ) 和高清晰度电视( h d t v ) 。码率范围从4 m b i t s 、1 5 m b i t s 直到1 0 0m b i t s 不等，编码复用系统如图2 5 所示。m p e g 2 可用于各个同档次 不同级别的压缩编码当中，是迄今最成功的视频压缩标准之一。m p e g 2 完全兼容 了m p e g 1 的编码特性的同时，进行一系列的扩展和改进【3 】：首先，增加了场编码 模式，同时允许基于场的d c t 和运动估计补偿，如此可满足电视信号的隔行扫描 视频数据 琢丽 音频数据 ( 话衙) 视频数据 琢瓣 音频数据 ( 话筒) 节目i 打包器 打包器 打包器 工 打包器 节目流至准 无误差媒体 ( 硬盘，c d - r 传送流至有误差 媒体( 卫星，地面 及有线电视) 图2 - 5i v i p e g 一2 编码复用系统 特性，容易实现；其次，增加码流可分级性特性，给予关键信息，如头信息、运 动矢量等更高的优先级；定义了“档次”( p r o f i l e ) 和“级”( 1 e v e l ) 的概念，用于满 足不同的图像分辨率对其相应的存储成本和处理速度的需要。如m p e g 2 在 4 m b i t s 8 m b i t s 时达到的视频质量适合消费类视频应用。现在已经普及的数字有 线电视、数字卫星电视和飞速发展的高清电视都是这一类应用。 |圉i。 羔 第二章视频编码标准与无线通信系统概述 m p e g 4 ：m p e g 4 标准【2 4 】最初的设计目的是为了满足新一代高度交互性、高 灵活性的多媒体应用系统要求，如视频电话或视频电子邮件( v i d e oe m a i l ) ，该标 准的编码框架如图2 - 6 所示。该标准具有很强的纠错能力，图像内容具有可分级性， 以及各对象之间具有高度交互性等先进功能，且压缩编码方法新颖、灵活。标准 采用了对对象的编码、可分级性、4 ：4 ：4 的色度采样格式和对人工合成场景的编码 等多种先进技术，是近年来视频编码技术的一次里程碑式的发展。目前，受限于 专利保护，尚未有一个合理有效的收费方式，因此该标准仍无法普遍应用【8 1 。 图2 - 6m p e g 一4 标准的编码不意图 m p e g 7 ：m p e g 7 是“多媒体内容描述接口【2 5 】，。该标准定义了一个描述符 标准集，将多种类型的多媒体信息内容进行标准化描述。m p e g 1 2 4 等标准用于 交换音视频数据，而m p e g 7 则是用于搜索和浏览这些数据，提供对内容的描述 而非内容本身。用于提高现有标准的功能，但无法替代现有标准，仅是补充。 m p e g 2 1 ：m p e g 2 1 标准用于支持异构网络和设备，使传输或使用多媒体信 息资源透明便捷【2 6 1 。该标准甚至可以建立一个交互的多媒体对象，用于自动管理 版权交易和尊重内容使用者的隐私等多种业务i s 。 2 2 2h 2 6 x 系列标准 h 2 6 1 ：h 2 6 1 是i t u t ( 前身为c c i t t ) 最早制定的关于视频编码的国际标 准2 7 1 。该标准是为在综合业务数字网( i s d n ) 上开展双向视频业务如会议电视等制 定的，速率为p 6 4 k b i t s ( p = 1 ，2 ，3 ，3 0 ) 。这个视频编码标准对后来的视频编码 标准产生了深远的影响，它详细制定了视频编码中每个部分需要实现的主要功能， 包括基于运动补偿的帧间帧内预测、d c t 变换、量化、熵编码和适配信道带宽的 9 电子科技大学硕士学位论文 码率控制等。h 2 6 1 只对c i f 和q c i f 两种图像格式进行处理，采用了如图2 ，7 所 示基于块的变换和预测的混合编码框架。该混合编码方法被以后视频标准广泛采 纳。 图2 7h 2 6 1 的混合编码不意图 h 2 6 3 ：h 2 6 3 是i t u t 为速率低于6 4 k b p s 的窄带通信信道制定的编码标准【2 8 1 。 h 2 6 3 基于h 2 6 1 建议做了些重要改进，比如：采用半像素精度的运动矢量搜索， 增加了非限制运动矢量，提出了基于语法的算术编码、先进的预测模式和p s 帧编 码等多个高级选项，进一步降低码率，提高编码质量【8 1 。该标准可处理的图像格式 有s - q c i f 、q c i f 、c i f 、4 c i f 和1 6 c i f 。h 2 6 3 的修订版本有1 9 9 8 年的h 2 6 3 + 和2 0 0 0 年的h 2 6 3 + + 两个，增加或修正h 2 6 3 的部分高级编码方式，扩大适用范 围，增强抗误码的鲁棒性能。目前，h 2 6 3 标准已广泛用在基于模拟电话线或因特 网的视频会议各项业务中，获得业界的认可的性能。 h 2 6 4 h 2 6 4 是由i s o 的m p e g 和i t u t 的v c e g ( v i d e oc o d i n ge x p e r tg r o u p ) 组成的联合视频组t ( j o i n tv i d e og r o u p ) 开发的【2 9 1 。该标准可实现编码的高 效性、传输的高可靠性和网络的良好亲和性。由于是共同开发的，h 2 6 4 也被i s o 称为m p e g a v c ，归为m p e g 4 的一部分。 h 2 6 4 的新技术包括多参考帧预测、1 4 像素精度插值、可变块大小的运动预测和 4 x 4 整数变换等。目前，该标准支持三个不同档次的应用，各档次用到的技术如 图2 8 所示。各档次的具体应用业务有： 基本档次：主要用于视频会话，如电视会议，可视电话，远程教学等； 主要档次：主要用于消费电子应用，如数字电视广播，数字数据存储等； 扩展档次：主要用网络的数据流，如视频点播等。 1 0 第二章视频编码标准与无线通信系统概述 扩展模式基础模式主模式 2 2 3a v s 标准 交织! m b a f f ，。 图2 8h 2 6 4 的档次包含的技术 a v s 是我国自主研制的编码标准，主要用在高清晰度电视( h d t v ) 和高密度 光存储媒体等。该标准以目前最先进的h 2 6 4 标准为基础，研究适合本国应用的 压缩标准，强调自主知识产权，同时关注软硬件实现的难易度。a v s 的核心技术 包括：亮度块的5 种预测模式，色度块的4 种预测模式；而且不管是亮度还是色 度，帧内预测都采用8 8 的整数变换；运动补偿模式有1 6 x 1 6 、1 6 x 8 、8 x 1 6 和8 x 8 四种i 驯；运动估计采用了不同的四抽头滤波器进行半像素插值和1 4 像素插值；独 特的帧间预测运动补偿方式；二维嫡编码和环路滤波等。 2 3h 2 6 4 的关键技术 2 3 1 帧内预测 h 2 6 4 的帧内预测同以往的视频标准有点不同，它是基于空间域的。参考宏块 位于待预测宏块的上边或左边，由z 型扫描成的。选择模式的时候，首先需区