王天慶，謝正光，李宏魁

(南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019)

1 抗誤碼方案

無線信道帶寬有限，并且具有可靠性差、易受干擾、時(shí)變的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)如H.264/AVC和MPEG，利用圖像間的時(shí)域相關(guān)性，進(jìn)行大量的運(yùn)動(dòng)搜索、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，使得編碼端的復(fù)雜度遠(yuǎn)大于解碼端，致使壓縮后的視頻碼流對(duì)于信道誤碼非常敏感。為了保證視頻圖像的高質(zhì)量傳輸，人們?cè)诰幋a端使用冗余片和靈活宏塊調(diào)整技術(shù)(Flexible Macro-Block Ordering，F(xiàn)MO)以及多重描述編碼［1-2］等，解碼端使用插值、估計(jì)等方法對(duì)丟失的圖像信息進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)或錯(cuò)誤隱藏［3-4］。但這些方法在丟包較多、誤碼較重時(shí)差錯(cuò)控制效果很差;若使用前向糾錯(cuò)(FEC)［5］的方法，當(dāng)誤碼率超過信道編碼的糾錯(cuò)能力時(shí)，重建的視頻質(zhì)量會(huì)急速下降，呈現(xiàn)所謂的懸崖效應(yīng)(cliff effect)。

近年來，一種新的視頻編碼技術(shù)——分布式視頻編碼［6］受到人們的關(guān)注，其思想源自20世紀(jì)70年代的Slepian-Wolf［7］和 Wyner-Ziv［8］信息理論。與傳統(tǒng)的編解碼標(biāo)準(zhǔn)不同，分布式視頻編碼采用獨(dú)立編碼、聯(lián)合解碼的編碼方式，避免了因預(yù)測(cè)編碼帶來的錯(cuò)誤擴(kuò)展問題，因而本身具有天然的魯棒性［9］。所以許多基于分布式編碼的抗誤碼方案相繼提出［10-16］。較為經(jīng)典的是系統(tǒng)有損錯(cuò)誤保護(hù)(Systematic Lossy Error Protection，SLEP)［14］方案。該方案有效地避免了當(dāng)誤碼率/丟包率較高時(shí)使用FEC差錯(cuò)控制方法所呈現(xiàn)的懸崖效應(yīng)。然而，當(dāng)誤碼率/丟包率較低時(shí)卻不如FEC的抗誤碼能力。

為此本文提出了FEC與WZ聯(lián)合抗誤碼方案，彌補(bǔ)了上述兩種抗誤工具的不足，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的抗誤碼性能。

2 FEC與WZ的抗誤原理

圖1展示了FEC抗誤碼結(jié)構(gòu)圖。將編碼流打包后進(jìn)行信道編碼，這里使用了RS(Reed-Solomon)編碼。經(jīng)有損信道，若出錯(cuò)的信息小于或等于RS編碼的糾錯(cuò)上限，通過RS解碼即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)誤信息的恢復(fù)，反之整個(gè)RS編碼流將會(huì)被丟掉。理論上可以通過發(fā)送足夠數(shù)量的校驗(yàn)比特增大RS的糾錯(cuò)能力來實(shí)現(xiàn)完美的糾錯(cuò)效果，但這樣會(huì)耗費(fèi)大量的帶寬。當(dāng)錯(cuò)誤率超出了信道編碼的糾錯(cuò)能力時(shí)，所重建的視頻質(zhì)量就會(huì)迅速下降，出現(xiàn)懸崖效應(yīng)。

圖1 FEC的原理框圖

基于H.264/AVC的WZ編碼原理如圖2所示，該方案將待編碼的視頻分為兩個(gè)部分:主要碼流和冗余碼流。主要碼流使用傳統(tǒng)的H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，冗余部分將H.264冗余片與WZ編碼相結(jié)合，采用與主要碼流相同的編碼方式、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、參考幀。當(dāng)主要碼流發(fā)生丟包錯(cuò)誤，冗余部分就會(huì)被喚醒，在解碼端利用粗量化的冗余片代替丟失的主要碼片進(jìn)行解碼。

圖2 WZ的原理框圖

3 FEC與WZ聯(lián)合抗誤及率失真分析

如圖3所示，在主要碼流部分:待傳輸?shù)囊曨l經(jīng)過H.264編碼直接由信道傳輸至解碼端。冗余碼流部分又劃分為兩路:一路使用H.264中的冗余片編碼，經(jīng)過粗量化、RS編碼、有損信道傳輸至解碼端，其中粗量化和RS編碼部分組成了分布式信源編碼［6］的WZ編碼校驗(yàn)部分。為了提高傳輸效率，系統(tǒng)僅傳輸RS編碼的校驗(yàn)部分。在解碼端對(duì)主要碼流進(jìn)行再次量化，作為RS編碼的邊信息進(jìn)行解碼。與此同時(shí)，另一通路使用FEC編解碼，在低誤碼率/丟包率的情況下使用。此外，在解碼端還使用了錯(cuò)誤隱藏技術(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的抗誤碼能力。

如果碼流在傳輸?shù)倪^程中沒有發(fā)生錯(cuò)誤，WZ編解碼與FEC編解碼部分將不會(huì)被使用，在解碼端僅需要對(duì)碼流進(jìn)行逐比特解碼。如果碼流在傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤，并且當(dāng)誤碼率/丟包率比較高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇WZ編解碼通路;反之，當(dāng)誤碼率/丟包率比較低時(shí)，則選擇FEC通路進(jìn)行編碼校驗(yàn)。采用到的主要技術(shù)有:

圖3 提出的聯(lián)合抗誤碼原理

1)冗余片:在編碼端，宏塊經(jīng)冗余編碼后組成冗余片［17］，并由一定數(shù)量的冗余片組成相應(yīng)的冗余編碼圖像。為了簡(jiǎn)化WZ解碼，冗余部分采用與主要碼流相同的編碼方式、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、參考幀等，僅增加了其量化步長(zhǎng)。

2)WZ編碼:冗余片使用GF(28)的RS編碼并與粗量化一起組成了WZ編碼。

3)FEC編碼:使用GF(28)的RS編碼，且校驗(yàn)碼片的數(shù)目依賴于所允許的容錯(cuò)碼率。

4)解碼端:包括主要碼流的解碼、WZ解碼以及FEC解碼部分。通過對(duì)主要碼流的預(yù)測(cè)殘差信息進(jìn)行粗量化，生成RS編碼的邊信息，再與接收到的校驗(yàn)位一起進(jìn)行WZ解碼。

5)錯(cuò)誤隱藏:若WZ解碼成功，解碼器使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，將冗余預(yù)測(cè)信號(hào)代替主要碼流中丟失的預(yù)測(cè)殘差信息。

關(guān)于主要碼流以及兩抗誤碼流之間的碼率分配是基于端對(duì)端失真最小原則進(jìn)行的。由文獻(xiàn)［14］可知，系統(tǒng)的端至端失真估計(jì)演變?yōu)?/p>

式中:p為視頻數(shù)據(jù)在傳播中發(fā)生錯(cuò)誤的概率;n表示第n幀圖像，，和分別為主要碼流、WZ編碼流、FEC編碼流以及錯(cuò)誤隱藏時(shí)的均方誤差失真(MSE)。

式中:下標(biāo)α可為WZ及FEC;K表示RS編碼中信息位;N表示編碼長(zhǎng)度。

主要碼流的率失真函數(shù)表示為

式中:Rp表示編碼率;C1和C2表示更新系數(shù);Q為量化步長(zhǎng);MAD為平均絕對(duì)誤差。

由文獻(xiàn)［18］可知WZ碼流的MSE失真與編碼率之間存在的關(guān)系為

式中:DWZ0，θWZ和RWZ0與編碼序列、編碼模式、參考幀等相關(guān)，RWZ表示編碼率。

FEC的選擇由信道的誤碼率決定。本方案中，當(dāng)誤碼率較低(約為5%以下)時(shí)，選擇FEC的抗誤碼方式，結(jié)合信道帶寬，從而確定相應(yīng)的編碼率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析

使用H.264/AVC視頻編碼JM11平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)運(yùn)動(dòng)快慢不同，分別使用Foreman_cif，F(xiàn)ootball_sif視頻序列進(jìn)行測(cè)試。在WZ編碼通路中，冗余片編碼率設(shè)定為主要碼片的25%，WZ校驗(yàn)碼率分別設(shè)為主要碼片的10%和20%。對(duì)于FEC通路，冗余片編碼率與主要碼片相同，校驗(yàn)碼率亦分別設(shè)為主要碼片的10%和20%。比較它們?cè)诓煌膩G包率(即3%，5%，10%，20%)下與所提出的聯(lián)合抗誤碼方案的平均峰值信噪比(PSNR)。

由圖4、圖5可以看出聯(lián)合抗誤碼方案綜合了WZ與FEC的優(yōu)點(diǎn):在低誤碼率/丟包率時(shí)，平均PSNR較WZ高，在高誤碼率/丟包率時(shí)又避免了FEC的懸崖效應(yīng)。并且對(duì)比a組和b組可以看出校驗(yàn)碼率的增加(10% ～20%)聯(lián)合抗誤碼方案在低誤碼率/丟包率時(shí)效果更加明顯。

圖4 Foreman CIF

圖5 Football SIF

5 結(jié)束語

本文主要針對(duì)視頻壓縮碼流中WZ與FEC兩種抗誤碼方案的不足，提出了將兩者結(jié)合起來聯(lián)合抗誤碼方案。如何在經(jīng)典視頻編碼與抗誤碼流之間進(jìn)行碼率分配，以及如何在WZ和FEC兩抗誤碼流之間進(jìn)行碼率分配以使系統(tǒng)端至端失真(即公式(1))最小將是今后研究的重點(diǎn)。

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