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硕士论文 无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 摘要 随着移动通信网络的发展，数据传输速率的提高以及带宽的增加使得无线环境下视 频的传输成为可能。但视频数据量非常庞大，而为移动服务所付费用又与无线链路上传 送的数据量成正比，因此，无线视频传输就迫切需要一种高压缩效率的编解码标准， h 2 6 4 应运而生。但也正因为h 2 6 4 的高压缩率，去除了尽量多的冗余，加上无线信道 传输环境的恶劣，使得压缩的码流对误码非常敏感。所以对h 2 6 4 编解码标准在无线环 境下的抗误码技术进行研究，有着现实的意义和紧迫感。 本文首先对视频传输中的各种差错控制、错误检测和错误隐藏技术及应用进行了详 细的分析，并针对h 2 6 4 标准中特有的数据分割、灵活宏块排序( f m o ) 等差错控制技术 及应用进行了深入研究。同时，本文还对基于内容的错误隐藏技术进行了介绍。 在对各种抗误码技术进行研究的基础上，本文针对基于图像分割的f m o 联合模式 差错控制方案中存在的前景分割及码率过高的问题进行了改进和实现。同时利用无线信 道仿真工具( m o b i l e l p ) 搭建实验环境，并按照工具说明对多个标准序列进行了测试。本 文从编码比特率、编码时间、解码时间及解码后亮度峰值信噪比( p s n g ) 等方面对原方 案和改进方案进行比较和分析。实验结果表明，本文提出的改进方案能有效地降低编码 比特率和解码时间，而且对于大多数序列p s n r 值也有所提高，取得较好的视觉效果。 抗误码技术多种多样，一个发展的趋势是根据具体的使用环境来自适应地选择合适 的方法，或联合使用多种方法。基于内容的错误隐藏方式以良好的性能及更贴近人的视 觉特性而受到了越来越多的关注。 关键词：h 2 6 4 ，无线信道，差错控制，错误隐藏，f m o ，m o b i l e l p a b s t r a c t w i 也也ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k , t h eb a n d w i d t ha n dd a t a t r a n s f e rr a t eg r e a t l yi n c r e a s e ，w h i c hm a k et h ev 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 r m e l p o s s i b l e h o w e v e r , v i d e od a t ai sv e r yl a r g e m e a n w h i l et h ep a y m e n tf o rt h ew i r e l e s sb e a r e r s e r v i c e si sp r o p o r t i o n a lt ot h et r a n s m i t t e dd a t av o l u m eo i li t t h e nac o d e c 诚m1 1 i 啦 c o m p r e s s i o ne f f i c i e n c yi sd e s i r e da n dh 2 6 4c a n l ei n t ob e i n g b u tj u s tb e c a u s eo ft h eh i g h c o m p r e s s i o nr a t i ow h i c hr e m o v e sa sm u c hr e d u i l d a n c ya sp o s s i b l e ，c o u p l e d 嘶t l lt h e e r r o r p r o n ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，w h i c hm a k et h ee n c o d e db i ts t r e a me x t r e m e l y f r a g i l et ov a r i o u se r r o r s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h ee r r o rc o n t r o la n dc o n c e a l m e n to f h 2 6 4 一b a s e dw i r e l e s sa p p l i c a t i o n sh a sar e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n d u r g e n c y 1 1 1 ed i s s e r t a t i o nf i r s tp r e s e n t ss o m ek e y t e c h n o l o g i e sd u r i n gt h ee n c o d i n gp r o c e s s t h e n v a r i o u st e c h n i q u e so ne r r o r c o n t r o l ，e r r o r - d e t e c t i o na n de r r o r - c o n c e a l m e n ta r er e v i e w e da n d a ni n - d e p t ha n a l y s i so ft h e i ra p p l i c a t i o n si sa l s o e x p l o r e d m o r e o v e r ，t h ed i s s e r t a t i o n e x p a t i a t e st h ee r r o rc o n t r o lm e t h o d o l o g i e s ，s u c ha sd a t ap a r t i t i o n 、f l e x i b l em a c r o b l o c k o r d e r i n g ( f m o ) ，w h i c ha r en e w l yi n t r o d u c e di nh 2 6 4s t a n d a r d s b e s i d e s ，s o m er e l a t i v e i n f o r m a t i o no nc o n t e n t b a s e dc o n c e a l m e n ti sa l s oi n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h ew o r ka b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o nr l l a k e sa ni m p r o v e m e n tt ot h ee r r o r c o n t r o lp r o g r a mb a s e do np i c t u r e - p a r t i t i o na n df m ot os o l v et h ed e f e c to fh i g hb i t - r a t ea n d t h ei m p r o p e rf o r e g r o u n ds e g l n e n t a t i o n a f t e r w a r d s ，m o b i l e 口，t h ec o m m o nt e s tc o n d i t i o n p r o v i d e db y t ，i su s e dt oe m u l a t et h er t p i p - b a s e dt r a n s m i s s i o no n3 g p p 3 g p p 2n e t w o r k a n de x p e r i m e n t sa r em a d eo u tu s i n gv a r i o u sv i d e os e q u e n c e sc o m p l y i n gw i t ht h ep r o p o s a lo f t h e t 0 0 1 t h e nac o m p a r i s o ni sp e r f o r m e db e t w e e nt h eo r i g i n a ls c h e m ea n dt h ei m p r o v e do n e w i t ht h ea s p e c t so fc o m p r e s s i o nr a t i o ，d e c o d i n gt i m e ，p s n ra n ds u b j e c t i v eq u a l i t ya s s e r t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e di m p r o v e m e n tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eb i t - r a t e sa n d d e c o d i n gt i m e a l s os o m er i s i n go fp s n ra n db e t t e rv i s u a lp e r c e p t i o na r ea c h i e v e dt om o s t o ft h ev i d e os e q u e n c e s a sf o rt h ev 撕e t yo fd i f f e r e n te l r o rr e s i l i e n c e t o o l s ，ad e v e l o p i n gt r e n di st o s e l f - a d a p t i v e l ys e l e c tt h ea p p r o p r i a t eo l l ea c c o r d i n gt ot h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nc o n t e x t ，o r c o m b i n es o m eo ft h e m t h ec o n t e n t b a s e de r r o rc o n c e a l m e n t , w h i c ho u t p e r f o r m st h e t r a d i t i o n a lo n e sw i t ht h ea b i l i t yt oo b t a i nc l o s e rs u b j e c tp e r c e p t i o n , i sg a i n i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i i k e y w o r d s ：h 。2 6 4 ，w i r e l e s sc h a n n e l ，e l l o rc o n t r o l ，e i t o i rc o n c e a l m e n t ，f m o ，m o b i l e l p i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 2 0 0 8 年b 月2 0 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 2 d 。8 年6 月勾日 硕士论文无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 1 绪论 人类通信的发展目标是能够实现任何人，在任何时间，任何地点与任何人进行任何 种类的信息交换。移动通信的发展使得这种理想的实现成为可能。在过去的十多年间， 移动数字通信技术取得的了长足的发展。从最开始只能进行语音通信的第一代数字手 机，到能够接受电子邮件和浏览网页的第二代数字通信，一直到现在蓬勃发展的3 g 技 术，移动通信在数据传输速率、媒体处理形式、可用带宽等方面都得到了很大的提高。 多媒体通信和移动通信的融合是一个必然的趋势。尽管无线通信系统在传输速率和 传输带宽上得到很大的改善，但与多媒体庞大的信息量相比，还是远远不够，因此如何 对这些数据进行有效地压缩是视频通信中至关重要的一步。 数据压缩的本质是利用其内在的相关性来去除各种冗余。而无线信道是以电磁波为 基础的开放的变参环境，存在着信号衰落、噪声干扰等多种因素，对传输的质量产生了 严重的影响。因此，在移动网路中采用的视频编解码标准不仅需要有很高的压缩效率， 还必须具有很高的抗误码能力。 1 1h 2 6 4 简介 在视频编解码协议领域，有两大最具权威的标准化组织：国际标准化组织( i s o ) 和 国际电信联盟( 1 1 0 3 。其中，i s o 成立的活动图像专家组( m p e g , m o v i n gp i c t u r ee x p e r t g r o u p ) s 0 定了m p e g x 系列标准，主要应用于视频压缩和存储、数字视频广播和高清电 视方面。i t u t 成立的视频编码专家组( v c e o ，v i d e oc o d e de x p e r tg r o u p ) n 定了h 2 6 x 系列标准，主要应用于实时视频通信等方面。 在视频编解码标准发展的过程中，一个始终不变的指导思想就是：以尽可能低的码 率，获取尽可能高的图像质量。随着对视频传输的需求的日益增长，原有的视频编码标 准已渐渐不能满足要求，因此，h 2 6 4 a v c l l 】便在m p e g 和v c e g 两家的携手下应运 而生。作为最新的视频压缩编码标准，h 2 6 4 标准开发的初衷是t ( 1 ) 、在比以往的视频编码标准低很多码率的情况下( 一半或更少) ，提供很好的视频 质量； ( 2 ) 、不增加复杂的编码工具，使硬件易于实现； ( 3 ) 、适应性强，即应用范围广，可应用于不同的码率、不同的视频分辨率、不同 的网络接入技术等。 事实上，h 2 6 4 也做到了这一点，下面对其框架做一个介绍。 与以往的视频编码标准相比，h 2 6 4 标准在整体框架上做了很大的改动。它从系统 层面上定义了视频编码层c l ，v i d e oc o d i n gl a y e r ) 和网络抽象层( n a l ，n e t w o r k l 绪论硕士论文 a b s t r a c t i o nl a y e r ) ，如图1 1 所示2 1 。 h 2 6 4 视频编码层 视频编码层 视频编码层 编码器 解码器 l ，几、t t 七k n 1 “” 网络抽象层 网络抽象层 编码器 h 1 6 4 网络抽象层 解码器 l 、l a l 编码接口 j。 n a l 解码接口 + j h 3 z 。i 旧m p e 咖g - 2li h 3 洲ji iih 獬mi - ” f 么乡? 无线网络有线网络 图1 1h 2 6 4 整体框架及传输结构 v c l 独立于网络，主要功能是采用运动补偿、变换编码、熵编码以及去方块滤波 等多种技术对视频数据进行高效的压缩，并定义了块、宏块、片和片组等语法及句法元 素对压缩的码流进行高效的组织和表示。通过对原有成熟技术的改进以及引入一系列新 的特性，h 2 6 4 的编码压缩效率提升了近一倍，而且多种差错控制和错误隐藏工具的使 用也增强了码流的鲁棒性。 n a l 的主要功能是定义数据的封装格式，将v c l 产生的比特流适配到各种各样的 多元网络环境中去，为v c l 提供了与网络无关的统一接口。n a l 的基本处理单元是 n a l u ，所有的数据量都被封装在其中。n a l u 采用统一的格式，包含单个字节的包头 信息和多个字节的数据信息。其中，单字节包头包含了三类信息，前5 位指示载荷类型， 接下来的2 位为重要性指示位，最后1 位为禁止位。n a l 对面向分组和流的应用都采 用增加起始前缀码的方法定义了通用格式。n a l 支持众多的基于包的有线，无线通信网 络，包括h 3 2 0 、h 3 2 3 和r t p i p 等。 h 2 6 4 从框架结构上将v c l 与n a l 分离，主要有两个目的： ( 1 ) 、可以定义v c l 的视频压缩处理与n a l 的网络传输机制间的接口，这样允许 v c l 的设计可以在不同的处理器平台进行移植，而与n a l 的数据封装格式无关； ( 2 ) 、可以设计v c l 和n a l 工作于不同的传输环境，异构的网络环境并不需要对 v c l 比特流进行重构和重编码。 1 2 无线信道 无线信道是无线通信系统与有线通信系统的最大区别，因而也是被关注的一个焦 点。无线通信是以传输环境中的电磁波传播为基础的，发送的电磁波会产生散射、折射 和衰落等现象，因此，无线信道是异常复杂和恶劣的，而移动通信的无线信道的情况更 2 硕士论文无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 是如此。 1 2 1 无线信道特点 无线信道环境是恶劣的，在这样的情况下要传输高质量的视频是一个很大的挑战。 总体概括而言，无线信道环境具有以下的几个问题： ( 1 ) 、高误码率：无线数据的传输是基于电磁波的传播。由于无线信道是开放的变 参信道，所以发送的电磁波存在散射、折射和衰落等情况，各种散射成分的干扰，形成 分布不规则的场强，加上噪声影响，不可避免地对传输信号造成了很大的衰落和失真。 因此无线环境下数据传输的一个很重要的方面就是传输的质量问题。 ( 2 ) 、带宽资源有限：以g s m 为代表的第二代移动通信技术，提供的典型的数据传 输速率为9 6 k b s ；2 5 g 作为第二代与第三代移动通信技术中的过渡类型，其代表g p r s 在带宽上比g s m 有了较大提高，理论的最大带宽也只能达到1 7 1 2 k b s ；尽管现在蓬勃 发展的3 g 技术号称能使无线视频传输的带宽瓶颈得到缓解，但也只能提供达到几 m b p s 的数据传输速率，与有线信道相比，还有很大的差距。因此，在无线环境中的多 媒体数据传输必须经过有效的压缩以适应信道的带宽条件1 3 1 。 无线信道关于带宽的问题，除了其有限之外，还有其波动性。无线信道中存在的多 径衰落、同频干扰等噪声会导致其吞吐量降低，移动通信中终端的位移带来的距离的变 化以及不同网络的切换也会使得信道的带宽发生变化。 ( 3 ) 、时变性：在无线通信中，由于终端设备的移动性，接收信号的频率将会发生 偏移，即产生多普勒效应。由多普勒效应所形成的频率变化称为多普勒频移，其与载波 频率以及移动台的移动速度都成正比，多普勒频移是无线信道时变性的一种具体体现。 时变性导致时间选择性衰落，体现在频域就是信号的频谱被展宽而发生弥散，引起信号 发生畸变。多普勒扩展和相干时间是描述时变性的两个重要参数1 4 1 。 1 2 2 无线信道模型 对无线信道的研究有必要建立起无线信道模型，但基于无线信道的复杂性，不可能 用单一的数学模型来描述所有的真实环境，所以现有模型的建立也都是基于某种环境的 实测数据统计得来的。目前在理论研究和系统仿真中经常使用这样的几种无线信道模型 【2 1 ( 1 ) 、高斯白噪声衰减模型：高斯白噪声是最常见的一种噪声，它表现为信号围绕 平均值的一种随机波动过程，这是通信系统设计中最常使用的干扰模型，因此研究通信 系统的误码率与信道质量的关系，高斯白噪声信道的研究是基础。假设在整个信道带宽 下功率谱密度为常数，且振幅符合高斯概率分布，则高斯信道的概率函数如式( 1 1 ) 所示。 即) = 去吨x p ( 一笋) ( 1 - 1 ) 1 绪论 硕士论文 ( 2 ) 、马尔可夫( m a r k o v ) 模型：由于无线通信中终端的移动以及环境的变化，无线信 道易产生瑞利衰减和多用户干扰，传输的码流往往会产生突发性错误，表现为几个到几 十个毫秒时间内连续出现误码，误码持续时间与环境特性以及接收端的运动速度有关， 根据这样的事实可建立马尔可夫模型。最简单的两状态马尔可夫无线信道模型如图1 2 所示。 昂 局l 图1 2 二阶马尔可夫无线信道模型 当信道处于状态s o 时，报文正确传送和接收，当信道处于状态s l 时，报文将会出 错。突发性错误造成的连续出错报文的数量由信道处于s l 的时间长短和每个报文大小 所决定。异。表示信道传输状态由s o 到s l 的概率，互。表示信道传输状态由s i 到s o 的概 率。 ( 3 ) 、随机出错模型：无线信道的环境决定了码流在传输过程中存在突发性的错误 和随机性的错误，在基于p 的网络中，这些位出错可能导致整个报文数据的丢失，因 此报文丢失率可描述为： = 1 一( 1 - p ) ( 1 - 2 ) 其中，p 表示位出错率，表示报文的长度。 1 2 3 无线传输中的错误控制 由于无线信道存在着的种种问题，有必要在无线通信中采取一定的抗误码措施。这 里所说的抗误码技术都是基于信道编码层的，常用的方法有数据交织( d a t ai n t e r l a c i n g ) 、 前向纠错编码( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 、自动请求重传( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ) 。 数据交织的本质是一个置换器，目的就是最大程度地打乱数据的原有排列顺序，这 在传输中的表现就是将连续的码流错误转变为随机错误，以便在接收端根据相邻数据的 信息进行恢复。 f e c 是根据某种计算规则在传输码流中加入冗余信息，在解码端根据这些冗余信息 对传输码流进行出错检查和错误纠正。该方法的缺点是冗余的增加降低了编码效率，而 且f e c 有其使用范围的限制，对较高的误码率或突发性错误的效果较差。常用的f e c 技术有b c h 码和r s 码。 4 硕士论文 无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 a r q 是依据反馈信息对出错的报文进行重传的一种差错控制方式，根据实现方式 的不同，可分为三类：停等型、选择重复型和返回n 型。停等型指发送端发送完一个 报文后等待接收端的反馈以决定是发送下一个报文还是原报文；选择重复型指发送端连 续发送报文，如果在限定的时间内没有收到某报文的正确应答，便重发该报文，然后继 续发送后续的报文；返回n 型有点类似于选择重发型，不同点在于其一旦确定某报文 出错，便重新从该出错点开始重新发送报文。a r q 的缺点在于需要有反馈信道的存在， 而且重传的使用引入了延时，对于实时应用环境并不适合。 上述的方法各有优缺点，在实际应用中可根据情况进行改进或联合使用，以达到编 码效率和延时的折中。 1 3 论文结构 本章给出了无线视频通信和抗误码技术相关的一些背景，主要介绍了最新的视频编 解码标准h 2 6 4 的产生及框架、无线信道环境的特点及几种常用的无线信道模型，最后 介绍了无线信道编码中常用的几种差错控制方法。 第二章介绍了h 2 6 4 标准编码流程中的一些关键技术：帧内编码、帧间编码、整数 变换、熵编码、码率控制，重点介绍了其与以往标准的不同。 第三章首先分别介绍了差错控制、错误检测和错误隐藏方面的各种技术，并对其一 些应用进行了分析，这些研究工作不仅能够加深对各技术的理解，而且对开拓思路有着 非常重要的意义。接下来介绍了基于内容的抗误码技术的相关知识。最后，本章对h 2 6 4 标准中引入的几种新差错控制技术及其应用进行了详细的分析。 第四章首先介绍了一种基于图像分割并联合灵活宏块排序的差错控制原方案，接下 来针对该方案中存在的前景分割阈值选取及码率过高等几个问题进行了详细分析并分 别给出了本文的改进方案。 第五章分别实现原方案和改进方案，搭建无线仿真环境，并按照仿真工具使用建议 对多个标准序列进行实验。根据得到的结果数据和主观图像，从编码比特率、编码时间、 解码时间、解码亮度峰值信噪比等方面对改进方案及原方案进行比较和分析。 第六章总结了本文的研究工作，并列举了该领域有待继续深入研究的几点问题。 硕士论文无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 2h 2 6 4 编码中的关键技术 h 2 6 4 与先前的标准编码过程类似，都是采用基于块的混合编码模式，基本的编码 过程为：基于分块利用帧内预n 帧间预测去除空间时间冗余，对得到的残差信息进行 变换编码和量化以去除频域冗余，最后对量化结果进行熵编码去除统计冗余。但是在这 个编码过程的各个环节，h 2 6 4 都进行了某些创新或多处细节上的改进，从而使得编码 效率有了较大的提高。 2 1 帧内编码 帧内编码是通过消除空间冗余来实现信息的压缩。在以往的h 2 6 3 + 、m p e g - 4 等 视频压缩编码标准中，帧内编码都是在变换域中进行的，而在h 2 6 4 之中，帧内编码则 被真正引入了空间域，并通过帧内预测的新技术，利用预测块左方或上方的已编码块的 像素值来计算得到最佳的编码模式。这些已编码的块可以是帧问编码块，但这样的预测 会因参考块的运动补偿引起误码扩散，因此帧内编码时可以设置只选取帧内编码的邻近 块作为参考块。 亮度块和色度块的帧内编码是分别进行的。帧内预测以绝对误差和( s a e ) 为标准， 选取对应s a e 值最小的为最佳预测模式。其中，亮度块可进行四种1 6 1 6 预测模式和 九种4 * 4 预测模式；色度块可进行四种8 * 8 预测模式，两色度成分通常使用同一种预测 模式。各种帧内预测模式的详细介绍见参考文献 5 】。 在h 2 6 4 中有一种特殊的帧内编码模式i p c m 编码模式，在该模式下，编码器直接 传输该块的像素值，而不经过预测和变换。该模式主要用于某些特殊的情况，从而解码 端可得到精确表示的像素值。 值得一提的是帧内预测模式的信号化问题。如果每个块的预测模式都必须加入码流 传送给解码端，这将需要消耗火量的比特，利用i 临近块的帧内模式通常是相关的这个特 点，对预测块的预测模式进行预测，基本的思路是，在编码端计算最可能的预测模式和 两参考块的预测模式的较小值，用一标志来进行指示，若相等则标志置0 ；若不等则标 志置1 ，并传送两者的差值。 2 2 帧间编码 帧间编码是通过消除时间冗余来实现信息的压缩。与以往标准的帧间编码相比，区 别在于预测块尺寸的范围更大、亚像素运动矢量精度更高、多帧参考的数目更多等。 每个宏块( 1 6 + 1 6 像素) 可以有四种分割方式：一个1 6 1 6 ，两个1 6 8 ，两个8 1 6 ， 四个8 * 8 。而8 * 8 子宏块又可以有四种分割方式：一个8 * 8 ，两个8 * 4 ，两个4 * 8 ，四个 7 2h 2 6 4 编码中的关键技术硕士论文 4 * 4 。每一种分割方式对应于一种运动补偿方式，即所谓的树形结构运动补偿【6 】。色度 块采用和亮度块同样的分割模式，只是水平和垂直方向尺寸都减半。分割尺寸的选择影 响压缩性能，总体而言，大的分割尺寸适合平坦区域，而小的分割尺寸适合多细节区域。 帧间编码中每个宏块分割和子宏块分割都是从参考图像中某一相同尺寸区域预测 而来，两者之间的差值就是运动矢量( m v ，m o t i o nv e c t o o 。m v 表示的精度很大程度上 决定了预测的精度。在h 2 6 4 中，对亮度成分采用1 4 像素精度，色度成分采用1 8 像 素精度。然而在图像中亚像素位置的亮度和色度值是不存在的，需要通过对临近的像素 点进行内插得到。半像素点的值通过对6 个水平或垂直方向的整像素点或已知半像素点 进行6 抽头滤波得到，这里6 抽头滤波权重的选取对插值的精度至关重要，常用的权重 为( 1 3 2 ，5 3 2 ，5 8 ，5 8 ，5 3 2 ，1 3 2 ) ，因此，可得一个半像素的插值计算公式如下： d = 厂d “玎d ( ( 彳一5 曰+ 2 0 c + 2 0 e - 5 f + g ) 3 2 )( 2 1 ) 其中，a 、b 、c 、e 、f 、g 为已知的垂直方向或水平方向的6 个整像素值。得到 半像素点值之后，1 4 像素点的值可通过两临近像素值均值内插得到。亮度的1 8 像素 值可直接由4 个临近的整像素值通过以反向距离为权值内插得到。 在h 2 6 4 中，参考帧的最大数目可以达到1 5 帧，多参考帧技术使得运动搜索的范 围增大，有利于找到更精确的匹配，从而获得更高的编码效率，但同时也导致了计算复 杂度和存储空间的快速增加，因此实际使用时参考帧数目最好不要超过5 。 与帧内编码相同，并不是每个分割块的m v 值都需要编码传送的，而是将运动矢量 预测模式，实际计算得到的m v 和在该运动矢量预测方式下得到的m v 的差值进行编 码。 2 3 基于4 * 4 的整数变换 为了迸一步降低码率，通常采用变换编码将图像信息的时域信号变换成频域信号并 去除频域冗余。在以往的标准中，通常采用基于8 * 8 的离散余弦变换( d c t , d i s c r e t e c o s m et r a n s f o r m ) ，这种变换是二维的浮点运算，一方面浮点乘法运算增加了计算复杂 度，另一方面，浮点运算的舍入引入了误差，导致正变换和反变换的不一致问题。因此， 在h 2 6 4 中，引入了基于4 * 4 的整数离散余弦变换技术。其变换的基本流程如下：先对 变换的矩阵做因式分解，提取缩放因子，再对变换矩阵进行必要的近似，使得变换矩阵 中只有1 和2 ，从而达到了化乘法为移位的操作。在h 2 6 4 的参考实现软件j m ( j o i n t m o d e l ) q b ，变换和量化是一起完成的，因此前面提取出的缩放因子可合并到量化器中， 有效地降低了计算复杂度。详细的4 * 4 变换过程见参考文献 7 】。 2 4c a v l c 和c a b a c 熵编码 熵编码是建立在随机过程的统计特性基础上的无损压缩编码方法，它生成的码流可 硕士论文 无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 以经解码无失真地恢复出原数据。由信息论的概念可知：信息源发出的每个符号所携带 的信息量与其出现的概率成反比【8 l 。因此对含有m 个符号的信源的各符号的自信息量 取统计平均，可得该信源的平均信息量如式( 2 2 ) 所示。 苎l，、 、 h = 一p ( 口i ) l 0 9 2p ( o ) ( 2 - 2 ) ，i l 式中所得日即为该信源的熵，它可以理解为信源所发出的任一符号的平均信息量。 根据香农无噪声编码定理g 熵为h 的信号源，对其进行无失真编码所能达到的最低比 特数为日+ 占，这里占为一任意小的正数。由上式可知，熵的大小与信源的概率模型有 着密切的关系。实际信源熵的值与可能达到的最大值之间的差值反映了该信源所包含的 冗余度，因此熵编码压缩的原理就是尽可能去除信源符号之间的相关性，使其序列成为 无记忆的。 在h 2 6 4 中，亮度和色度的残差数据经过变换和量化后表现出如下的特点：非零系 数主要集中在低频部分，且值较大：高频部分大部分数据为零，非零的也主要是+ 1 和 ，1 。采用c a v l c ( 基于上下文自适应的可变长编码) 方法，先应用z i g z a g 扫描将数据重 新排序，然后把非零系数值( l e v e l ) 和零行程( r u n ) 分开编码，并通过已编码句法元素的 情况动态调整编码中使用的码表，从而大大降低符号间的冗余度1 9 1 。 算术编码的思想是用0 到1 区间上的一个数来表示一个字符输入流，即为整个输入 流分配一个码字。算术编码将输入流逐字符地读入，根据读入新字符后各字符的概率来 重新划分当前区间，取出当前字符对应的子区间以作为下一步的递归处理，处理完最后 字符得到的最终区间里的任意一个数便是该算术编码的结果【1 0 j 。算术编码的编码效率 较高且具有自适应性，但缺点是计算复杂度高，体现在概率的更新和子区间的划分。一 个折中的办法就是建立一个基于查表的概率模型。在新标准中，为了将算术编码的差错 控制在一定范围内，h 2 6 4 以片作为c a b a c ( 基于上下文自适应的算术编码) 的生命期， 将一个片内可能出现的数据划分为3 9 9 个上下文模型，每个模型用一个序号标识，在每 个模型内部进行概率的查找和更新。这些模型的划分精确到比特，几乎大多数的比特和 它们邻近的比特处于不同的上下文模型中。在解码过程中，解码器对于输入的每一个比 特先查找它所属的上下文模型，然后再查找该上下文模型对应的概率表以递进区间，直 到处理完所有的码流。 2 5 码率控制 码率控制的目标是在实际传输比特率的限制下，在视频序列的各编码单元间进行适 当的码率分配，以最小的计算复杂度，获得尽可能好的图像质量。 在h 2 6 4 标准中，采用了基于拉格朗日( l a g r a n g i a n ) 优化算法的编码控制模型。 9 2h 2 6 4 编码中的关键技术硕士论文 l a g r a n g i a n 优化算法的原理如下1 2 l ：假设存在k 个信源样本值的集合 s l ，s k ) ，对应 于样本值集合存在相应的编码模式集合i - - - i i ，i k ) ，对于每个样本值s k 可以通过选取 编码模式集i 中的某个编码模式来进行压缩编码。在限定码率r ，的情况下，对于给定信 源样本序列所选的编码模式，应使编码后的失真度最小，即满足下式： m i n d ( s ，o g ( s ，d r( 2 3 ) 其中，d ( s ，i ) 与r ( s ，i ) 分别表示输出比特流的失真度和码率。为了使式( 2 3 ) 成立，通常 用下式来选取编码模式： j = a r g m i n j ( s ，i 旯)( 2 4 ) 其中，旯是l a g r a n g e 参数，j ( s ，il 元) = d ( s ，) + 名r ( s ，) 。对于样本s 及其选定的编 码模式i ，当其编码后得到的比特率和失真度的线性组合j ( s ，1 名) ，即l a g r a n g i a n 代价 函数最小时，编码模式是最优的。考虑到对于某一样本s k ，其编码后的比特率和失真 度仅与相应的编码模式i k 有关，因此有下式成立1 x警 m ，i n y j ( s , ，i i x ) = e n 扣，( & ，厶1 名) ( 2 5 ) k - ik - i 。 因此只要分别对每一个样本s k es 选择最优的编码模式，便可以得到j ( s ，il 的的最小值， 从而实现相应的编码控制。 在编码标准中，最常见的码率控制是通过调整量化参数来实现的。h 2 6 4 中的编码 控制模型流程如图2 1 所示。 1 0 图2 1 拉格朗日码率控制流程 硕士论文 无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 在图2 1中，l a g r a n g i a n 参数k - 0 8 5 x2 口- 1 2 ， 删= 瓜或 刀d = k ，分别对应代价函数s a d ( 绝对误差和) 和s s d ( 误差平方和) 。 2 6 本章小结 本章对h 2 6 4 编码流程中各环节的几个主要技术进行了介绍，着重分析了这些技术 和以往标准中的相比所作的改进。h 2 6 4 能够取得比以往标准更好的压缩性能，但这是 以增加复杂度为代价的。在实际的应用中，需要根据实现的难度和实际的要求来决定是 否使用那些计算量大的改进算法及如何使用。 硕士论文无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 3 差错控制与错误隐藏技术及应用研究 一个完整的抗误码系统包括发送方采取的错误预防措施、错误检测、接收方进行的 错误恢复工作。发送方的编码可分为信源编码和信道编码两部分，在发送方采取的错误 预防措施一般都是通过在码流中加入某种冗余信息来实现的，这被称为差错控制；接收 方也可分为信源解码和信道解码，在接收方进行的错误恢复工作一般都是利用某种相关 性或冗余进行的，这被称为错误隐藏。错误检测是进行错误隐藏的前提，这里没有明确 指定错误检测的位置，是因为错误检测不仅仅在接收方进行，也可在传输的过程中进行。 下面分别对这三个方面的技术及应用进行分析。 3 1 差错控制技术及应用研究 视频压缩的目的是为了去除冗余，而差错控制所进行的工作正好与此相反，通过往 码流中增加冗余信息来达到在解码端进行错误处理的目的。从解码端来看，视频处理过 程中的失真主要来源于编码过程中的量化噪声和传输过程中的信道噪声。因此，一个合 理的想法就是找到一个信源编码和信道编码的最佳组合，从而使得失真最小。尽管香农 定理指出可以单独设计信源和信道编码器来获得整个系统的最佳性能。但这个理论的前 提是信源和信道是无记忆和稳定的，且计算复杂度和时延可以是无限的。在实际的应用 中，由于信源信号和信道环境的变化以及实现对计算复杂度和延时的要求，限制了该理 论的应用，在这样的情况下，联合信源和信道编码反而能获得更好的性能。 差错控制技术可以根据加入冗余信息的位置大致分为：基于信源编码和基于信道编 码两大类，然而有些差错控制技术却需要信源和信道两编码器的合作完成。下面对各种 常见的差错控制技术进行介绍。 3 1 1 多描述编码 多描述编码( m d c ) 是指在编码端对同一个输入使用不同的编码参数，更准确地说， 应该是对同一信源从不同的角度进行编码得到一系列同等重要，且各自独立的码流，在 解码端既可以只解码一个码流获得一个基本级别的质量，也可混合接收到的多个码流得 到更高级别的视频质量。这种编码方式的好处体现在，当网络特别拥塞或是延时特别大 的时候，解码端只要接收到其中的一个码流，就可以正常解码，而不至于停止。但该技 术的实现需要编码端能独立地产生多个码流，并且需要发送端和接收端之间存在多条通 信链路。并且由于各码流都是可独立解码的，所以各码流之间存在相当多的冗余。 3 1 2 分层编码 分层编码是指在编码端将视频流编码成一个基本层和多个增强层，基本层可独立解 1 3 3 差错控制与错误隐藏技术及应用研究 硕士论文 码并能提供一个基本的视频质量，各个增强层可被附加至基本层从而逐步提高视频质 量。由于基本层的特殊地位，所以分层编码往往和不均等保护( t r a p ) 联合使用。 这种方法的思想比该方法本身具有更大的意义，因此这种渐进式地增强质量的技术 在多个地方获得了应用。例如：j p e g 2 0 0 0 采用与此类似的p r o g r e s s i v er e s o l u t i o n 的方式 压缩图像，所以在网络上查看图片的时候经常能看到一幅图片由模糊变得清晰的过程； h 2 6 4 标准扩展中的可伸缩视频编码( s v c ，s c a l a b l ev i d e oc o d i n g ) 也正是基于这样的思 想。 分层编码的实现很大程度上取决于如何对视频数据进行划分。现有的数据划分的方 法有这样几种：基于时域的划分，基本层包含较低的帧率，而增强层包含增量信息以使 输出流能获得更高帧率的码流；基于空域的划分，基本层包含原视频的子采样，增强层 包含增量信息以使输出流能获得更高的空间分辨率；基于频域的划分，基本层包含低频 域的系数，而增强层包含高频的系数；基于不同量化参数的划分，基本层采用粗量化系 数，而增强层包含细节部分。 分层编码需要编码和解码端采用更复杂的多层结构，而且会增加载荷，载荷的增加 取决于选用的分层方法、信源时空的分辨率以及总的码率。文献 1 1 】在鲁棒性和码率增 加之间做了比较。 3 1 3 不均等错误保护 不均等错误保护f t m p ) 的思路源自信息重要性的不等以及对于人眼视觉效果影响的 不同。因此使用u e p 的前提就需要区分和标识什么是重要的信息，这与信息所描述的 内容有关。u e p 的实现方式跟具体的使用环境有关。例如，在a t m 网络中，a t m 的包 头中包含1 比特信息用来指示该包的重要性，这样当发生网络拥塞时，便可根据包的重 要性与否选择丢弃；在基于t c p i p 的网络中，可采用不同的协议来对各种信息进行传 输，例如对于重要的信息可选择面向对象的t c p 协议进行发送，这样在中途发生错误 的时候还可以使用重传方式来保证接收端至少收到一份；在无线环境中，不均等保护可 以体现在对不同重要程度的信息采用不同强度的信号进行发送，或者对于重要性包采用 重传、发送多个冗余或者利用f e c 等方式来进行重点保护。 u e p 的实现方式是多种多样的，而且往往和其他技术一起使用，相比而言，这更 是一种在思维层面的指导思想，所以此处本文觉得有必要把它单独列出来作为差错控制 方式的一种。 3 1 4 同步码 由于可变长编码技术( v l c ) 的使用，单个的位错误可能导致后续码流的失调，解码 器不能检测出位已经出错，即使知道出错，也可能因为不知道出错点从而导致不能解码 后续的码流。一个有效的解决方法就是在码流中增加同步码字。因此，同步码字的一个 1 4 硕士论文无线环境下基于h 2 6 4 的抗误码技术研究 特性就是当解码器遇到这个同步码字的时候就能检测出这是一个同步码字，文献【1 2 】描 述了如何生成一个同步码字。引入同步码字之后，为了进一步降低解码端块偏移的发生， 采用了以固定间隔插入同步码字的方法，包括在像素域根据固定像素个数插入同步码 字，以及在位流中按固定长度的位流插入同步码字。由于同步码字仅仅起同步作用，并 不含有其它任何有用信息，所以为了减少其带来的码率负荷，就需要尽量减少同步码字 的长度，但短的同步码字容易在存在位错误的情况下产生伪同步码，所以在实际的应用 中，还是采用了相对长的同步码字。同步码字能够有效的限制错误的扩散，因此在实际 中得到广泛的应用，并获得