國 防 科 學 技 術(shù) 大 學 研 究 生 院 學 位 論 文 摘要 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)及多媒體技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)多媒體應用，尤其是網(wǎng)絡(luò)視頻應 用變得越來越廣泛。 基于h . 3 2 3 或h . 3 2 4 的網(wǎng) 絡(luò)視頻電 話 1 2 、 視頻會議以 及基于無線網(wǎng) 的 視頻通信得到了 迅猛的發(fā)展。 但是由 子存在大量易損信道( l o s s y c h a n n e l ) ， 使當前網(wǎng)絡(luò) 狀況并不能很好地滿足視頻傳輸?shù)男枰?h .2 6 l作為一種新的視頻編碼標準，它的高壓縮 率、網(wǎng)絡(luò)適應性以及對差錯魯棒性使它很適合于作為易損信道中的視頻傳輸壓縮標準。但 是它在差錯控制方面還存在一些不足需要改進。 本文在研究h .2 6 l視頻編碼標準的基礎(chǔ)上重點研究了h .2 6 l的差錯控制技術(shù)， 包括差 錯恢復和差錯隱藏技術(shù)。h .2 6 l的編碼端采用了重同步、數(shù)據(jù)分區(qū)、幀內(nèi)宏塊刷新等差錯 恢復技術(shù)，限制了差錯范圍，減小了誤碼擴散的影響。解碼端采用了差錯隱藏技術(shù)，主要 包括幀內(nèi)編碼中的像素距離加權(quán)平均算法和幀間編碼中的根據(jù)預測運動向量進行運動補 償。本文根據(jù)仿真實驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了h .2 6 l中差錯隱藏算法的不足，并提出一種新的改 進方案，通過仿真實驗，驗證了改進后的差錯隱藏方案具有更好的性能表現(xiàn)。 針對 h .2 6 l在差錯控制方面的不足，本文研究了一種實用的信道編碼-一一 r e e d - s o l o m o n ( r s ) 碼。通過編程實現(xiàn)了r s 碼的編譯碼，然后應用于視頻傳輸系統(tǒng)的信 道差錯控制，對于糾正視頻在易損信道中傳輸出現(xiàn)的隨機錯和突發(fā)錯起到了重要作用，并 編程實現(xiàn)了一種高效率的查表算法，為實際應用提供了保證。 本文借鑒h .2 6 3 的視頻傳輸模型， 研究了基于h .2 6 l的視頻傳輸系統(tǒng)中幀內(nèi)刷新率和 信道編碼效率的參數(shù)最優(yōu)化問 題以獲得最佳視頻質(zhì)量。 通過仿真實驗驗證了 基于h .2 6 l的 模型在較低誤碼率情況下的準確性， 并根據(jù)模型尋找了 特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的這兩個參數(shù)的最 優(yōu)值。 關(guān)鍵字:h . 2 6 l ，差錯隱藏，r e e d - s o l o m o n 碼，視頻傳輸模型 第v頁 國防科 學技 術(shù)大 學研 究 生 院學位 論 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 獨 創(chuàng) 性 聲明 本人聲明 所呈交的 學 位 論文是我 本 人在導師 指導下 進行的 研究工作及取得 的 研究 成果。盡我 所知， 除了 文中 特別加以 標注和致謝的 地方外， 論文中 不包含 其他人已 經(jīng) 發(fā)表和 撰寫 過的 研究 成 果， 也 不 包含為 獲 得國 防 科學 技術(shù)大學 或其它 教育 機構(gòu)的學 位或證書 而 使用過的 材 料。 與 我一同 工作的同 志 對 本研究 所做的 任 何貢 獻均已 在論文中 作了 明 確的 說明 并 表示 謝意 。 學 位論文 題目 :易 損 信 道中h . 2 6 l 視 頻 傳 輸 差 錯 控制 模 型 及 技 術(shù) 研究 學位論文作者簽名朱 為 日 期 : z o 移年1 1 月 1 左 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完 全了 解國防 科學技術(shù)大學有關(guān)保留、 使用學 位論文的規(guī)定。 本人授權(quán) 國防 科學 技術(shù)大學可以 保留 并向國 家 有關(guān)部門 或 機構(gòu)送交論文的復印 件和電 子 文檔， 允許 論文 被查閱 和 借閱 ; 可以 將學 位論文的 全 部或部 分內(nèi) 容 編入有關(guān) 數(shù) 據(jù) 庫進行檢索， 可以 采用影印 、 縮印 或掃 描等復 制手 段 保 存、 匯 編學 位 論文. ( 保密學 位論文 在 解密 后適 用本授 權(quán)書。 ) 學 位 論文 題目 :易 損 信道中h . 2 6 l 視頻 傳 輸 差 錯 控制 模型 及技 術(shù) 研究 學 位論文作者簽 名 作者指導教師 簽名 日 期 : 之 叫 年i r 月 對日 日 期 : ; v v 3年 a月必日 國 防 科 學 技 術(shù) 大 學研 究 生 院 學 位 論 文 圖目錄 圖 1 - 1誤碼擴散示意圖. ， 卜 _. . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 圖 1 - 2出錯導致同步丟失 ， . ，. ， ， . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . ， . ，. . . . . . . . . . _ . . . . ， ， 二 ， 1 圖 1 - 3 mp e g - 4中對運動數(shù)據(jù)與d c t數(shù)據(jù)分區(qū). . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . ， . . ， ， . . . . . . 3 圖 1 - 4 r v l c雙向解碼， ， “ . 二 ， . - . -. . . 一 ， ， 一 ， ， ， . ， 二 ， ， . : . ， 、 二， . . -3 圖 1 - 5空域差錯隱藏， 二 ， . . . . . . . . ， ， ， .， . . . . . . . ， ， . . . . . . . . 、 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 圖 1 - 6時域差錯隱藏. . . . . . . . . . . . . . . . . 卜 二 ， ， . . . . ， . ， . ， . . . . . . . . . ， 二 ， . . . . . . . . . . . . 4 圖 2 - 1 i t u - t和mp e g標準發(fā)展過程. . . . . . . . . . . . . . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 圖 2 - 2 h .2 6 l系統(tǒng)層結(jié)構(gòu). ， . . ，二 . . t . ，. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 、 二 ， . . 8 圖 2 - 3 h .2 6 l編碼流程圖二 ， . ， ，. . . . . . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . 8 圖 2 - 4 h .2 6 l解碼流程圖， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . ， . . . 9 圖 2 - 5 4 x 4 亮度塊幀內(nèi)預測模式. . . . . . . ， . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . 二 ， . . . . . . . . . . . 9 圖 2 - 6 1 6 x 1 6 亮度塊幀內(nèi)預測模式. . . ， . . . . . . _ ， . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 圖 2 - 7樹形運動補償塊分割模式. ， ， . . . . ， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 圖 2 - 8實際圖像運動補償塊分割示意圖“ . . . . . . . . . 卜. _ . ， ， . . . . ， . . . . . ， . . . . . . . . . . . . 1 1 圖2 - 9 整數(shù) 像素和1 / 4 像素 運動向 量預 測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 1 1 圖 2 - 1 0多 參考幀示意圖. ，. ，. ， . . . . . . . . . . . ， ， . . . . . . ， . ，. . ， . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 圖 2 - 1 1 4 x 4 整數(shù)變換公式 二 . . ， . ， . . - - - ，一 ， ， ， ， 一 ， . . . - - 二 ， ， . 卜， ， ， ， ， ， 價 . t 二 1 2 圖 2 - 1 2變換系數(shù)掃描方式， 二 . . ， “ . .t t . . ， . ， . . . . 卜二 ，二， 二 ，. . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 圖 2 - 1 3差錯控制流程圖 ， . . . . . . . . . . . . . 卜 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 圖 2 - 1 4差錯狀態(tài)圖. ，. . . . . ，. . ， . . . . . . . . . ，. . . . . . . . . . . . . . . ， . 二 ， . ，. ， . . . . . ， . . . . . . . . . . . 1 6 圖2 - 1 5像素距離加權(quán)平均算法示例. . . . . ，. . . . . . ， . . ， 二， . . . . . . ， . . . 二 1 6 圖 2 - 1 6運動向量預測及邊界差值計算. . . . . . . . . . . . . . .， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 圖 2 - 1 7仿真丟包文件的使用. . . . . . ， ， . . . . . ， . . . ， . . . ， . . . . . . . . . . . . . 1 8 圖2 - 1 8 f o r e m a n 序列差錯隱藏主觀圖像恢復效果比 較，丟包率5 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 圖2 - 1 9 c o a s t g u a r d 序列差錯隱藏主觀圖像恢復效果比 較， 丟包率5 ya . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 1 9 圖 2 - 2 0 f o r e m a n 序列中i 幀丟失s l i c e 時差錯隱藏效果二 ， . ， 二 ， . ， . ， . ， ， ， . 2 0 圖2 - 2 1 c o a s t g u a r d 序列中i 幀丟失s l i c 。 時差錯隱 藏效果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 圖 2 - 2 2各種數(shù)據(jù)率下差錯隱藏恢復圖像平均p s n r比較 ， ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 圖 3 - 1 信道編碼在數(shù)字通信系統(tǒng)中的位置二 ， ， . . ，. . . . . . . ， ， . ， . . . . .， ， ， . . . . . . . . . . . . . 2 2 圖 3 - 2 r s 編碼流程工作圖. ， 一， . . . . . . . . . . . . . . . ， ， ，二 ， - . ， ， ， .， ， ，.卜 卜 ， ， ， 下 ， ，一、 . . . . . . . . . 2 6 圖 4 - 1視頻傳輸系統(tǒng)構(gòu)成圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 ， . 2 8 圖4 - 2不同刀 值的r d曲 線，. . . ， 二 ， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 圖4 - 3環(huán)實 驗數(shù) 據(jù)和 模型 擬 合曲 線圖. . . . . . . . . . . . . . . 3 4 圖 4 - 4差錯控制信道性能二卜 . . . . . . . . . . . ， . . . ，. ， - .- . ， . . . 3 5 圖4 - 5 p s n r , 隨刀 變 化曲 線 . . . . . . . ，. . . . . ，. . . . 3 6 圖4 - 6 p s n r , 隨: 變 化曲 線.， 卜.，.， .， . . . . . ， 二 ，. . . . . . . . . 3 7 圖4 - 7刀 和， 聯(lián) 合優(yōu)化， . ， . . . . ，. . ， . . . ， . . . . . 二 ，. . . . . . . . . . . . . ， 二 ， . . . . . . . . . 3 8 圖4 - 8不同差錯率下刀和r 的最優(yōu)組合. . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 國 防科 學 技 術(shù) 大 學研 究 生 院 學 位 論 文 表目錄 淚朋21朋29 表 2 - 1 h .2 6 l和mp e g - 4 對比 表 2 - 2差錯隱藏仿真結(jié)果p s n r 表 2 - 3改進差錯隱藏性能對比. 表 3 - 1查表法性能測試對比. 表 4 - 1視頻傳輸系統(tǒng)參數(shù)列表 平均值對比，幀率為3 0幀 / 秒. . . . . . . . -一一一一一一一一一一，m i v -!i 國防科學技術(shù)人學研究生院學位論文 第一章緒論 1 1 背景及問題的提出 近年來，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)及多媒體技術(shù)的長足發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻應用變得越來 越廣泛，通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)囊曨l電話、視頻會議系統(tǒng)、可視化遠程教育和遠程醫(yī)療系統(tǒng) 具有廣泛的市場應用前景。而且無線網(wǎng)絡(luò)的視頻通信也隨著無線通信技術(shù)的提高而逐漸實 用化。但是這些網(wǎng)絡(luò)視頻應用要完全滿足用戶的使用要求還有很多困難需要克服： 1 網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制 盡管網(wǎng)絡(luò)傳輸速度不斷地高速向前發(fā)展，光纖鏈路也可達到很高的傳輸速率，但人們 仍然面臨著大量的低速網(wǎng)絡(luò)，如當前廣泛使用的因特網(wǎng)和移動網(wǎng)正是這樣的網(wǎng)絡(luò)。為了在 帶寬受限的網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻，必須使用高效的視頻壓縮編碼。 2 易損信道影響 由于信道的物理原因和外界環(huán)境的影響，很多低速不可靠網(wǎng)絡(luò)很容易出現(xiàn)差錯，包括 各種隨機錯、突發(fā)錯以及網(wǎng)絡(luò)丟包。這種易出現(xiàn)差錯的信道稱之為易損信道，例如目前的 c d m a 、g p r s 、無線局域網(wǎng)等都屬于易損信道。目前一般的視頻編碼標準都是基于運動 補償預測和熵編碼的，由于運動預測補償，出錯會導致一幀圖像中的差錯影響后續(xù)圖像的 質(zhì)量( 如圖1 1 所示) ，這稱為誤碼擴散( e r r o r p r o p a g a t i o n ) ；而且由于壓縮都需要熵編碼， 當出現(xiàn)差錯時會導致同步丟失，出錯位置至下一個同步標志之間的數(shù)據(jù)都會被丟棄( 如圖 1 2 所示) ，使視頻編碼對差錯的魯棒性較差。 圖1 。1 誤碼擴散示意圖 圖1 - 2 出錯導致同步丟失 針對上述困難，為了滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)視頻應用的需求，除了研究高效的視頻編碼，對 于易損信道上視頻傳輸?shù)牟铄e控制技術(shù)研究也顯得十分重要。差錯控制技術(shù)包含的內(nèi)容比 較多，應用范圍涵蓋了信源的差錯恢復技術(shù)、信道的信道編碼和信宿的差錯隱藏。h 2 6 l 作為一種新的視頻編碼標準，它的高壓縮率、網(wǎng)絡(luò)適應性以及對差錯魯棒性使它很適合于 第1 頁 國防科學技術(shù)大學研究生院學位論文 作為易損信道中的視頻傳輸壓縮標準。因此，本文對基于h 2 6 l 的端對端視頻傳輸系統(tǒng)做 了整體的研究，通過視頻傳輸系統(tǒng)模型全面考慮信源、信道和信宿各個部分的差錯控制技 術(shù)，使最終解碼后的視頻質(zhì)量達到最優(yōu)。 1 2 1 差錯控制技術(shù)概述 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 對付視頻傳輸差錯的差錯控制技術(shù)主要有以下兩種：一種是傳統(tǒng)的前向糾錯f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ，自動反饋重傳a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 等差錯控制 和恢復技術(shù)，以保證通信時盡可能做到無損為目的，主要應用于通信系統(tǒng)的底層；另一種 則是系統(tǒng)層的差錯恢復( e r r o rr e s i l i e n c e ) 和差錯隱藏( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 技術(shù)。差錯恢 復技術(shù)使差錯可以被檢測出并限制在某一范圍內(nèi)，為差錯隱藏奠定基礎(chǔ)，差錯隱藏則根據(jù) 通過差錯恢復得到的數(shù)據(jù)用填補掩蓋等辦法恢復不能f 常解碼的數(shù)據(jù)，使圖像的視覺效果 接近于原來的效果，兩部分結(jié)合才能更好地實現(xiàn)差錯控制，保證視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。 前向糾錯f e c 是發(fā)端將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)律附加多余的碼元，組成具有糾錯能力的碼。 接收端收到碼元后按預定的規(guī)則譯碼，以確定接收碼組中有無錯誤，若有錯誤則確定其位 置并進行糾正。它不需要反饋信道，能用于單向通信，譯碼延遲固定，較適于實時傳輸系 統(tǒng)，但是f e c 要糾正較多的錯誤就要附加更多的碼元。因此，前向糾錯f e c 適合于隨機 錯和突發(fā)錯的糾錯，對于信道誤碼率較高和大量丟失數(shù)據(jù)包的情況并不是很適用。 自動反饋重發(fā)a r q 是在接收端收到碼組后，按一定規(guī)則對發(fā)送信號進行有無錯誤的 判別并把判別結(jié)果通過反饋信道送回到發(fā)端，發(fā)端根據(jù)應答信號把接收端認為有錯的那組 數(shù)據(jù)再次傳輸，直到接收端認可為止。因此，該方式需要反向信道，同時也存在傳輸時延， 對于某些實時應用( 如視頻會議) 這是無法容忍的。另外，為了有效地利用網(wǎng)絡(luò)的帶：藏， 現(xiàn)階段在多點通信的應用中廣泛采用了廣播( b r o a d c a s t ) 和多播( m u l t i c a s t ) 技術(shù)，這種 情況下也無法通過重傳來獲得可靠性。但是，對于某些低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，適當應用緩沖 的情況下a r o 還是具有很好的差錯控制效果的。 差錯恢復技術(shù)的種類比較多，其中廣泛應用于h 2 6 3 、m p e g 一4 中的主要有以下幾種 3 4 】： 1 重同步( r e s y n c h r o n i z a t i o n ) ：它是一種簡單而實用的差錯恢復技術(shù)。在傳統(tǒng)編碼 方法中，由于壓縮編碼的固有性質(zhì)，當解碼器遇到比特錯誤時，后續(xù)數(shù)據(jù)不能繼續(xù)解碼， 也就是失去與編碼器的同步，造成視頻質(zhì)量大幅度下降。重同步方法是在編碼之后的比特 流的不同位置插入重同步標識，當解碼器檢測到錯誤時，它將查找這些標識，從而重新獲 得同步開始繼續(xù)解碼。雖然使用重同步會增加些重同步標識比特，但是該技術(shù)可以限制 差錯范圍，提高了壓縮數(shù)據(jù)的使用效率，其增強視頻碼流差錯魯棒性的作用還是很顯著的。 2 數(shù)據(jù)分區(qū)( d a t ap a r t i t i o n ) ：在m p e g 一4 中通過在運動矢量等運動數(shù)據(jù)部分和d c t 數(shù)據(jù)部分之間加一個m b m 標識將兩部分分開，如圖1 3 所示。此圖也表示了采用數(shù)據(jù)分 組的視頻包的比特流與組織形式，為了減少與傳統(tǒng)方法的差異，在數(shù)據(jù)部分將保持同樣的 元素以及結(jié)構(gòu)和識別方法，所有與運動相關(guān)的元素信息放入運動數(shù)據(jù)部分( 即運動矢量等 數(shù)據(jù)) ，與d c t 數(shù)據(jù)相關(guān)放入d c t 數(shù)據(jù)部分。這樣當視頻包中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時解碼器 就可以分辨出是運動數(shù)據(jù)錯誤還是d c t 數(shù)據(jù)有誤，從而可以分別進行處理。 第2 頁 國 防 科 學 技 術(shù) 大 學研 究 生 院學 位 論 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 作為易損信道中的 視頻傳輸壓縮標準。因 此， 本文對基于h .2 6 l 的 端對端視頻傳輸系統(tǒng)做 了 整體的 研究， 通過視頻傳輸系統(tǒng)模型 全面考慮信源、 信道和信宿各個部分的差錯控制技 術(shù)，使最終解碼后的視頻質(zhì)量達到最優(yōu)。 1 .2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 .2 . 1 差錯控制技術(shù)概述 對付視頻傳輸差錯的差錯控制技術(shù)主要有以下兩種:一種是傳統(tǒng)的前向糾錯 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 動反 饋重 傳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 差錯控制 和恢復技術(shù)，以保證通信時盡可能做到無損為目 的，主要應用于通信系統(tǒng)的底層;另一 種 則是系統(tǒng)層的差錯恢復 ( e r r o r r e s i l i e n c e ) 和差錯隱藏 ( e r r o r c o n c e a l m e n t ) 技術(shù)。差錯恢 復技術(shù)使差錯可以被檢測出并限制在某一范圍內(nèi)，為差錯隱藏奠定基礎(chǔ)，差錯隱藏則根據(jù) 通過差錯恢復得到的數(shù)據(jù)用填補掩蓋等辦法恢復不能正常解碼的數(shù)據(jù)，使圖像的視覺效果 接近于原來的效果，兩部分結(jié)合才能更好地實現(xiàn)差錯控制，保證視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。 前向糾錯f e c是發(fā)端將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)律附加多余的碼元，組成具有糾錯能力的碼。 接收端收到碼元后按預定的規(guī)則譯碼，以確定接收碼組中有無錯誤，若有錯誤則確定其位 置并進行糾正。它不需要反饋信道，能用于單向通信，譯碼延遲固定，較適于實時傳輸系 統(tǒng)，但是f e c要糾正較多的錯誤就要附加更多的碼元。因此，前向糾錯f e c適合于隨機 錯和突發(fā)錯的糾錯，對于信道誤碼率較高和大量丟失數(shù)據(jù)包的情況并不是很適用。 自 動反饋重發(fā)a r q是在接收端收到碼組后， 按一定規(guī)則對發(fā)送信號進行有無錯誤的 判別并把判別結(jié)果通過反饋信道送回到發(fā)端， 發(fā)端根據(jù)應答信號把接收端認為有錯的那組 數(shù)據(jù)再次傳輸， 直到接收端認可為止。 因此， 該方式需要反向信道，同時也存在傳輸時延， 對于某些實時應用 如視頻會議) 這是無法容忍的。另外，為了有效地利用網(wǎng)絡(luò)的帶寬， 現(xiàn)階段在多點通信的應用中廣泛采用了廣播 ( b r o a d c a s t )和多播 ( m u l t i c a s t )技術(shù)，這種 情況下也無法通過重傳來獲得可靠性。但是，對于某些低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，適當應用緩沖 的 情況下a r q還是具有很好的差錯控制效果的。 差錯恢復技術(shù)的種類比較多，其中廣泛應用于 h .2 6 3 , mp e g - 4中的主要有以下兒種 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 種 簡單 而 實 用的 差錯 恢復 技 術(shù)。 在傳 統(tǒng) 編碼 方法中，由于壓縮編碼的固有性質(zhì)，當解碼器遇到比特錯誤時，后續(xù)數(shù)據(jù)不能繼續(xù)解碼， 也就是失去與編碼器的同步，造成視頻質(zhì)量大幅度下降。重同步方法是在編碼之后的比特 流的不同 位置插入重同步標識，當解碼器檢測到錯誤時，它將查找這些標識，從而重新獲 得同步開始繼續(xù)解碼。雖然使用重同步會增加一些重同步標識比特，但是該技術(shù)可以限制 差錯范圍， 提高了壓縮數(shù)據(jù)的使用效率， 其增強視頻碼流差錯魯棒性的作用還是很顯著的。 2 .數(shù)據(jù)分區(qū) ( d a t a p a rt i t i o n ) :在 mp e g - 4 中通過在運動矢量等運動數(shù)據(jù)部分和 d c t 數(shù)據(jù)部分之間加一個m b m標識將兩部分分開，如圖1 - 3 所示。此圖也表示了 采用數(shù)據(jù)分 組的視頻包的比特流與組織形式，為了減少與傳統(tǒng)方法的差異， 在數(shù)據(jù)部分將保持同樣的 元素以及結(jié)構(gòu)和識別方法，所有與運動相關(guān)的元素信息放入運動數(shù)據(jù)部分 ( 即運動矢量等 數(shù)據(jù)) ，與d c t數(shù)據(jù)相關(guān)放入 d c t數(shù)據(jù)部分。這樣當視頻包中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時解碼器 就可以分辨出是運動數(shù)據(jù)錯誤還是d c t數(shù)據(jù)有誤，從而可以分別進行處理。 第z 頁 國防科學技術(shù)大學研究生院學位論文 作為易損信道中的視頻傳輸壓縮標準。因此，本文對基于h 2 6 l 的端對端視頻傳輸系統(tǒng)做 了整體的研究，通過視頻傳輸系統(tǒng)模型全面考慮信源、信道和信宿各個部分的差錯控制技 術(shù)，使最終解碼后的視頻質(zhì)量達到最優(yōu)。 1 2 1 差錯控制技術(shù)概述 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 對付視頻傳輸差錯的差錯控制技術(shù)主要有以下兩種：一種是傳統(tǒng)的前向糾錯f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ，自動反饋重傳a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 等差錯控制 和恢復技術(shù)，以保證通信時盡可能做到無損為目的，主要應用于通信系統(tǒng)的底層；另一種 則是系統(tǒng)層的差錯恢復( e r r o rr e s i l i e n c e ) 和差錯隱藏( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 技術(shù)。差錯恢 復技術(shù)使差錯可以被檢測出并限制在某一范圍內(nèi)，為差錯隱藏奠定基礎(chǔ)，差錯隱藏則根據(jù) 通過差錯恢復得到的數(shù)據(jù)用填補掩蓋等辦法恢復不能f 常解碼的數(shù)據(jù)，使圖像的視覺效果 接近于原來的效果，兩部分結(jié)合才能更好地實現(xiàn)差錯控制，保證視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。 前向糾錯f e c 是發(fā)端將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)律附加多余的碼元，組成具有糾錯能力的碼。 接收端收到碼元后按預定的規(guī)則譯碼，以確定接收碼組中有無錯誤，若有錯誤則確定其位 置并進行糾正。它不需要反饋信道，能用于單向通信，譯碼延遲固定，較適于實時傳輸系 統(tǒng)，但是f e c 要糾正較多的錯誤就要附加更多的碼元。因此，前向糾錯f e c 適合于隨機 錯和突發(fā)錯的糾錯，對于信道誤碼率較高和大量丟失數(shù)據(jù)包的情況并不是很適用。 自動反饋重發(fā)a r q 是在接收端收到碼組后，按一定規(guī)則對發(fā)送信號進行有無錯誤的 判別并把判別結(jié)果通過反饋信道送回到發(fā)端，發(fā)端根據(jù)應答信號把接收端認為有錯的那組 數(shù)據(jù)再次傳輸，直到接收端認可為止。因此，該方式需要反向信道，同時也存在傳輸時延， 對于某些實時應用( 如視頻會議) 這是無法容忍的。另外，為了有效地利用網(wǎng)絡(luò)的帶：藏， 現(xiàn)階段在多點通信的應用中廣泛采用了廣播( b r o a d c a s t ) 和多播( m u l t i c a s t ) 技術(shù)，這種 情況下也無法通過重傳來獲得可靠性。但是，對于某些低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，適當應用緩沖 的情況下a r o 還是具有很好的差錯控制效果的。 差錯恢復技術(shù)的種類比較多，其中廣泛應用于h 2 6 3 、m p e g 一4 中的主要有以下幾種 3 4 】： 1 重同步( r e s y n c h r o n i z a t i o n ) ：它是一種簡單而實用的差錯恢復技術(shù)。在傳統(tǒng)編碼 方法中，由于壓縮編碼的固有性質(zhì)，當解碼器遇到比特錯誤時，后續(xù)數(shù)據(jù)不能繼續(xù)解碼， 也就是失去與編碼器的同步，造成視頻質(zhì)量大幅度下降。重同步方法是在編碼之后的比特 流的不同位置插入重同步標識，當解碼器檢測到錯誤時，它將查找這些標識，從而重新獲 得同步開始繼續(xù)解碼。雖然使用重同步會增加些重同步標識比特，但是該技術(shù)可以限制 差錯范圍，提高了壓縮數(shù)據(jù)的使用效率，其增強視頻碼流差錯魯棒性的作用還是很顯著的。 2 數(shù)據(jù)分區(qū)( d a t ap a r t i t i o n ) ：在m p e g 一4 中通過在運動矢量等運動數(shù)據(jù)部分和d c t 數(shù)據(jù)部分之間加一個m b m 標識將兩部分分開，如圖1 3 所示。此圖也表示了采用數(shù)據(jù)分 組的視頻包的比特流與組織形式，為了減少與傳統(tǒng)方法的差異，在數(shù)據(jù)部分將保持同樣的 元素以及結(jié)構(gòu)和識別方法，所有與運動相關(guān)的元素信息放入運動數(shù)據(jù)部分( 即運動矢量等 數(shù)據(jù)) ，與d c t 數(shù)據(jù)相關(guān)放入d c t 數(shù)據(jù)部分。這樣當視頻包中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時解碼器 就可以分辨出是運動數(shù)據(jù)錯誤還是d c t 數(shù)據(jù)有誤，從而可以分別進行處理。 第2 頁 國防科學技術(shù)人學研究生院學位論文 【重同步標識 a 忸。n o q p運動矢量數(shù)據(jù) h 嘣 d c t 數(shù)據(jù) 圖1 - 3m p e g 4 中對運動數(shù)據(jù)與d c t 數(shù)據(jù)分區(qū) 3 幀內(nèi)宏塊刷新( i n t r am a c r o b l o c ku p d a t e ) ：幀內(nèi)宏塊刷新是指在編碼過程中，對 于預測編碼幀( p 幀和b 幀) 按照定的規(guī)律或是在一定范圍內(nèi)隨機采用幀內(nèi)編碼方式編 碼某一個宏塊，使p 幀和b 幀中每過一段時間也會出現(xiàn)個幀內(nèi)編碼的宏塊。這樣在出現(xiàn) 誤碼擴散時，幀內(nèi)編碼宏塊可以在一定程度上減少誤碼擴散，降低誤碼擴散帶來的視頻質(zhì) 量下降。 4 可逆變長編碼( r v l c ) ：在易損信道中傳輸壓縮視頻通常是變字長編碼( v i ，c ) 或算術(shù)編碼。在解碼端，如果解碼器檢鋇4 到編碼數(shù)據(jù)中的誤碼，它將失去同步信號，因此， 不得不將直到下一個重同步點的所有數(shù)據(jù)全部舍棄，而r v l c 避免了這個問題，使得解碼 器通過在誤碼處的數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)，以更好地確定誤碼位置，如圖1 - 4 所示。r v l c 是有前綴特 性的特別的v l c ，可以從前向或反向進行解碼。這種碼字的優(yōu)點在于，當解碼器在前向解 碼時遇到誤碼，它可以跳到下一個重同步點進行反向解碼，直到遇到誤碼，基于兩個誤碼 的位置解碼器可以比普通重同步方法多恢復一些數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)使用率。 圖1 - 4 r v l c 雙向解碼 5 差錯跟蹤：差錯跟蹤技術(shù)是在不改變標準的情況下，編碼器借助解碼器通過反饋 信道傳來的圖像受損信息，根據(jù)事先保存下來的運動向量，依照差錯擴散規(guī)律，在編碼器 方評估解碼器受損情況，并跟蹤到當前待編碼幀，確定出哪些宏塊需要采用幀內(nèi)編碼模式 以此來消除錯誤。該方法不需要重傳損失的數(shù)據(jù)，因而只要求較少信道帶寬。在允許反饋 信道的情況下，該方法是一種效率比較高、效果