（海司信息化部 北京 100841）

1 引言

信息技術的飛速發(fā)展和國際環(huán)境的深刻變化，推動世界新軍事革命進程不斷加快。面對新形勢，海軍裝備建設為了適應海軍戰(zhàn)略轉型需要，正在構建海上柵格化信息網絡，在海軍現(xiàn)役各通信網的基礎上，實現(xiàn)海軍通信網絡一體化，為用戶提供多手段、多業(yè)務、多路徑、自動高效、隨遇接入的綜合信息保障，提升基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力。海上柵格化信息網絡需依托各類無線通信資源，在岸海空天等各類平臺之間傳送實時畫面，為指揮控制、情報偵察、遠程醫(yī)療、后勤保障等應用提供了更為豐富和準確的信息，極大地提升了海軍信息化應用能力。海上柵格化信息網絡視頻業(yè)務連接關系如圖1所示。

圖1 海上柵格化信息網絡視頻業(yè)務連接關系

由于海上柵格化信息網絡需要建立岸基指揮所、艦船、飛機和各類偵察設備之間的通信連接，涉及的平臺數量多，每個平臺分配到的無線通信資源有限；同時，海上柵格化信息網絡視頻應用已經不是點對點視頻業(yè)務，需要在岸?？仗斓榷鄠€平臺之間以網狀方式傳送多路視頻信號，因此每路視頻信號的傳輸帶寬非常有限。另一方面，由于無線信道存在著信道被干擾的可能性，因此實時視頻通信必須考慮丟包和誤碼的情況。綜上所述，如何在海上柵格化信息網絡環(huán)境下，依托窄帶無線通信資源，進行多路網狀高質量視頻圖像傳輸成為了當前亟待解決的關鍵問題。

圖2 視頻編碼的結構示意圖

如圖2所示，為了解決這一問題，研究人員不斷地提出效率更高的視頻編碼工具［1～2］和差錯掩藏工具［3～4］，在編解碼兩端優(yōu)化視頻圖像質量。但在實際工程應用中，設計人員往往還是采用通用的視頻編碼標準進行信源壓縮。H．264標準通過多模式編碼和1／4像素運動估計等高復雜度編碼工具，其編碼效率較MPEG-2標準提升了一倍，是目前實用的編碼效率最高的視頻編碼標準。在不改變H．264編碼結構的情況下，根據視頻編碼場景的特點合理的分配碼率資源，成為在實際應用中提升視頻編碼質量的有效手段。本文針對海上柵格化信息網絡視頻通信特點，提出了基于信息效用的宏塊級碼率分配方法，有效地提升了視頻編碼質量。

2 海上柵格化信息網絡視頻失真分析

在H．264 標準中，編碼資源的合理分配離不開率失真函數的優(yōu)化。在視頻編碼傳輸中，宏塊端到端的失真包括信源編碼失真和信道傳輸失真。由于信源失真和信道失真相互獨立，端到端的失真D（n，i）可以寫成：

其中Ds（n，i）、Dc（n，i）分別表示第n幀中第i個宏塊的信源失真和信道失真。Ds（n，i）主要是由視頻編碼中的有損編碼環(huán)節(jié)所帶來的，例如量化編碼。Dc（n，i）主要是信道的丟包、誤碼所帶來的。進一步而言，Dc（n，i）又可以表示成誤碼擴散失真Dep（n，i）和差錯掩蓋失真Dec（n，i）。

其中，Dep（n，i）指在解碼端正確接收信號時，由已解碼圖像的誤碼錯誤所導致的擴散誤差。Dec（n，i）則指在發(fā)生傳輸錯誤時，解碼端采用差錯掩蓋算法時的掩蓋失真。

文獻［5］指出，在基于RTP、UDP和IP的傳輸環(huán)境和打包策略下，IP 包中每個像素的丟失率和數據包的丟失率相等，因此端到端的宏塊失真可以表示成：

其中，p代表信道的丟包率。在得到了無線信道下的失真函數后，我們將其代入H．264的率失真函數，從而得到無線信道條件下的率失真模型。

由于Dec（n，i）是錯誤掩蓋失真，與編碼無關，則可得到等價的率失真函數：

其中λ1是Lagrange乘子，其等于H．264中的Lagrange乘子λ除以（1-p）。當λ1增大的時候，代表碼率對于代價函數的影響更大，因此通常會使用幀間編碼等編碼碼率較小的編碼模式；反之，當λ1減小的時候，說明碼率對于代價函數的影響變小，選擇幀內編碼模式的機會就增加了。同時，λ1減小表明，代價函數偏向于失真更小的編碼模式，因此能夠改善圖像的編碼質量。

需要指出的是，對于幀內編碼模式的宏塊而言，其解碼的過程中不依賴已解碼的圖像，因此不存在誤碼擴散失真Dep（n，i）。而對于幀間編碼模式的宏塊而言，解碼過程會將原先解碼圖像的誤差擴散到當前解碼塊，增加解碼圖像的失真。因此，對于無線視頻通信而言，減小λ1值可以增加選擇幀內編碼模式的機會，進而有效的降低圖像的誤碼擴散失真。

3 海上柵格化信息網絡視頻編碼優(yōu)化

在海上柵格化信息網絡中，大多數視頻圖像屬于背景固定的監(jiān)控類圖像。對于使用視頻的工作人員而言，背景圖像對于使用者的作用很小。使用者所關心的圖像信息一般只存在于視頻圖像的某一部分區(qū)域，因此可以根據使用者的實際需求，針對重點監(jiān)控的區(qū)域增加碼率分配，減小關鍵區(qū)域的誤碼擴散，從而提升圖像的可用性。

一般而言，海上柵格化信息網絡中的視頻監(jiān)控點往往固定，因此可以通過人為設置重點區(qū)域的方式確定畫面的關鍵區(qū)域。如果想要得到更為精確的劃分，也可以通過關注度自動提?。?］等方法預先提取出人眼視覺所關注的區(qū)域，再通過人工判別的方法標注出重點監(jiān)控區(qū)域。

在獲取的監(jiān)控畫面的重點區(qū)域之后，本文根據宏塊的重要程度來調整宏塊的量化系數和率失真函數的斜率。如圖3所示，本文首先根據圖像塊對工作人員的效用，將宏塊劃分成四種類型，其中灰色宏塊為背景區(qū)域的宏塊，藍色區(qū)域的宏塊為過渡帶宏塊，紅色區(qū)域的宏觀為普通感興趣區(qū)域宏塊，而白色宏塊代表邊緣感興趣區(qū)域宏塊。其中，感興趣區(qū)域中的邊緣宏塊對于描述物體輪廓進而認知物體起到核心作用，因此對此類宏塊應該分配較多的編碼碼率，而背景區(qū)域則可以分配較少的編碼碼率。

圖3 感興趣區(qū)域量化系數設置示意圖

首先，本文根據宏塊的類型來調整其量化系數。假設背景區(qū)域的量化值為QP1，重點區(qū)域的量化初始值為QP2，紅色宏塊的量化值為QP3，白色宏塊的量化值為QP4，過渡帶的量化值分別為Qi（圖中，i＝1，2，藍色區(qū)域）。首先過渡帶的量化系數值為

其中，DISi為過渡帶宏塊到重點區(qū)域邊界的最短距離，width為過渡帶的寬度。白色宏塊的量化系數為QP4＝QP2，紅色宏塊的量化系數為QP4＝（QP3＋max｛Qi｝）／2。

同時，本文還調整了重點區(qū)域的λ1值和背景區(qū)域的λ1值，讓重點區(qū)域的宏塊以更精細的編碼模式編碼。而背景區(qū)域使用大的λ1值，降低編碼碼率。具體而言，λ1縮放權重的取值范圍是［0．5，2］。

最后，對于重點區(qū)域中的宏塊，所有的DCT 系數都會被如實編碼，而背景區(qū)域的宏塊會將一部分DCT 系數置成0，再進行編碼，從而進一步降低編碼碼率。

4 仿真實驗

本文在H．264的參考代碼平臺上進行了實驗，測試序列為：通用測試序列中的Hall、Foreman、Claire和Carphone，以 及AVS［7］中的監(jiān)控測試序列中的Subway，Crosss＿street，Night＿static，Substation。其測試的條件設置如表1所示。

表1 仿真實驗編碼器設置

部分的實驗結果如圖4～圖6所示：上面是整幀RD 性能曲線圖，而下面是重點區(qū)域的RD 曲線圖。

圖4 Subway整幀RD 性能曲線和重點區(qū)域RD 性能曲線

圖5 Night＿static整幀RD 性能曲線和重點區(qū)域RD 性能曲線

圖6 foreman整幀RD 性能曲線和重點區(qū)域RD 性能曲線

從實驗結果中可以得到以下結論：大部分序列可以做到在有效碼率內（一般小于2M）改善重點區(qū)域的編碼質量。與H．264 參考模型的編碼器相比，在相同碼率下，重點區(qū)域的客觀編碼質量提升了0．5dB～1dB；與此同時，整幀平均的PSNR 值不下降或者略微下降（一般小于0．1dB）。同時，重點區(qū)域質量提升的效果和重點區(qū)域的大小相關，重點區(qū)域劃分得越精確，則重點區(qū)域編碼質量提升的效果越好。

與此同時，我們還模擬了無線環(huán)境下的傳輸丟包，并比較本方法和H．264 的解碼圖像。本文利用VCEG 中的無線傳輸參考模型MobileIP［8］進行丟包仿真，然后將接收到的錯誤的JM 碼流進行解碼。如圖7所示，左側圖像為H．264的解碼圖像，右側圖像為本方法的解碼圖像?？梢钥吹奖痉椒ǖ恼`碼擴散所帶來的視覺誤差更小。

圖7 Claire無線信道的主觀對比圖

最后需要指出的是，本方法并未增加編碼環(huán)節(jié)，時間復雜度并未增加。同時，因為要存儲宏塊的類型，需要增加一定的內存開銷。

5 結語

針對海上柵格化信息網絡中窄帶無線通信系統(tǒng)如何提高視頻圖像傳輸質量的問題，本文針對海上柵格化信息網絡視頻應用的特點，根據宏塊的重要程度來調整宏塊的量化系數和率失真函數的斜率，進而有效地提升了海上柵格化信息網絡視頻業(yè)務中關鍵區(qū)域的編碼質量。仿真實驗的結果表明，本方法與H．264參考模型的編碼器相比，在碼率相同和整幀PSNR 相同的條件下，重點區(qū)域的客觀編碼質量提升了0．5dB～1dB。同時，對于信道丟包誤碼，本方法具有更好的抗誤差擴散的能力。

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［2］畢厚杰．新一代視頻壓縮標準-H．264［M］．北京：人民郵電出版社，2005．

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［7］中國國家標準GB／T20090．2．-201X 信息技術-先進音視頻編碼 第2部分：視頻（第二次修訂版）［S］．2012．

［8］Viktor Varsa，Marta Karczewicz．Common Test Conditions for RTP／IP over 3GPP／3GPP2，VCEG-N80［C］／／VCEG Fourteenth Meeting，Santa Barbara，CA，USA，2001．