王 超，馬 馳，劉 榮，汪 磊，李 東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007）

0 引言

隨著野戰(zhàn)環(huán)境作戰(zhàn)音視頻傳輸需求的不斷增加，尤其是基于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的窄帶信道條件下音視頻通信更為重要［1-3］。綜合考慮作戰(zhàn)環(huán)境、通信技術(shù)等，多使用基于無(wú)線通信手段來(lái)確?？焖俳M網(wǎng)、高機(jī)動(dòng)性和抗毀性等，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，形成了以短波、超短波、衛(wèi)星、散射等通信手段為主體的戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分組網(wǎng)。由于無(wú)線分組網(wǎng)自身特點(diǎn)，形成了帶寬受限，數(shù)據(jù)傳輸速率較低、時(shí)延較大和抖動(dòng)比較頻繁的窄帶通信條件，而在這種信道條件下傳輸視頻數(shù)據(jù)是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

如果要解決上述的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，需要選擇先進(jìn)的視頻編解碼協(xié)議，目前，視頻編解碼協(xié)議由第一代的MPEG-1、H.261、MPEG-2 和H.263 標(biāo)準(zhǔn)，逐漸過(guò)渡到MPEG-4、H.264、AVS、VC-1 和VP8 等第二代標(biāo)準(zhǔn)［4-6］，并向以HEVC 為代表的第三代標(biāo)準(zhǔn)［7-9］發(fā)展。本文面向戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)窄帶通信條件下視頻傳輸需求，基于第三代編解碼協(xié)議HEVC 進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，創(chuàng)新提出NBVTH 算法并進(jìn)行研究和性能評(píng)估試驗(yàn)。

1 問(wèn)題描述

音視頻通信是未來(lái)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)通信的最理想工具，大多數(shù)情況下的視頻傳輸是迫切需求的，而在現(xiàn)階段的窄帶通信條件下的視頻傳輸存在幾大問(wèn)題［10］：

1）視頻傳輸質(zhì)量不高，分辨率低；

2）視頻傳輸經(jīng)?？D，模糊，影響交互；

3）視頻傳輸糾錯(cuò)能力差，導(dǎo)致黑屏，中斷傳輸。

本文提出了一種有效的編解碼算法，可以解決以上的問(wèn)題，在衛(wèi)星信道或UHF 信道等無(wú)線窄帶信道的256 K 帶寬下傳輸高清的圖像質(zhì)量，通過(guò)采取前向糾錯(cuò)及丟包保護(hù)等措施，有效提高視頻傳輸?shù)聂敯粜约敖换バ浴?/p>

2 NBVTH算法

采用的窄帶視頻傳輸算法稱之為NBVTH 算法，它是在HEVC 編解碼協(xié)議的基礎(chǔ)上，融合了SVC可伸縮編碼策略，同時(shí)包含了圖像預(yù)處理部分來(lái)節(jié)省傳輸帶寬，提高壓縮性能，并在數(shù)據(jù)封包過(guò)程中采用不等丟包保護(hù)FEC 前向糾錯(cuò)機(jī)制和分塊封包策略，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的穩(wěn)定傳輸，在傳輸部分采用RTP協(xié)議，可在未來(lái)擴(kuò)展支持標(biāo)準(zhǔn)的SIP 會(huì)議應(yīng)用及指揮調(diào)度應(yīng)用。NBVTH的分層組成如圖1所示。

圖1 NBVTH算法分層示意圖Fig.1 Layered schematic diagram of NBVTH algorithm

2.1 新一代視頻壓縮算法HEVC

2013 年，第三代視頻編譯碼標(biāo)準(zhǔn)HEVC 正式發(fā)布［11］，將視頻編解碼處理的最大可支持分辨率提升至8 192×4 320。HEVC采用的采用混合編碼框架如圖2所示，包括編碼控制、幀內(nèi)評(píng)估、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)估計(jì)等模塊。與其他視頻編譯碼算法相比，HEVC提出了模式依賴的離散正弦變換、不同角度的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，以及可變尺寸的離散余弦變換等先進(jìn)技術(shù)途徑方法。

圖2 HEVC編碼框架Fig.2 HEVC encoding framework

HEVC 編解碼協(xié)議其較傳統(tǒng)方法有著更高性能的壓縮比，本文針對(duì)窄帶信道視頻傳輸應(yīng)用需求，基于HEVC編碼協(xié)議提出NBVTH算法。

2.2 基于HEVC的可伸縮編碼

基于HEVC 的可伸縮視頻編碼框架如圖3 所示，通過(guò)視頻分層編碼產(chǎn)生多個(gè)比特流分別作為基本層、增強(qiáng)層碼流，基本層碼流可獨(dú)立解碼，形成質(zhì)量較低的視頻解碼序列；增強(qiáng)層碼流解碼必須依托基本層碼流解碼圖像，將解碼圖像與原始圖像相減，然后將得到的殘差圖像進(jìn)行基于離散余弦變換與比特平面編碼，在解碼端對(duì)基本層、增強(qiáng)層碼流進(jìn)行聯(lián)合解碼，解碼后的視頻與僅依托基本層視頻流進(jìn)行解碼的視頻相比，視頻質(zhì)量有顯著提升。

圖3 可伸縮HEVC編碼框架Fig.3 Scalable HEVC encoding framework

結(jié)合HEVC 編碼結(jié)構(gòu)特性，可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸條件對(duì)增強(qiáng)層碼流進(jìn)行適應(yīng)性裁剪，更好地適應(yīng)軍用窄帶信道的帶寬變化。

2.3 前向糾錯(cuò)算法

前向糾錯(cuò)技術(shù)（forward error correction，F(xiàn)EC）、自動(dòng)重傳請(qǐng)求（automatic repeat-request，ARQ）等技術(shù)是數(shù)據(jù)流差錯(cuò)控制的重要手段［12-13］。在軍用窄帶視頻傳輸應(yīng)用中，考慮到ARQ 方法會(huì)造成較大時(shí)延，主要采用FEC來(lái)提高窄帶流媒體服務(wù)質(zhì)量。

NBVTH 算法的FEC 是依據(jù)帶寬情況在HEVC分層碼流上進(jìn)行摘取和截?cái)?，首先，按照先后順序排列畫面組（group of picture，GOP）中的各層視頻數(shù)據(jù)包，然后，綜合評(píng)估信道傳輸情況與數(shù)據(jù)包的重要性，確定各層包組FEC 包數(shù)量以及選擇視頻流截?cái)鄬訑?shù)，最后，編碼器生成FEC 數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。在解碼端通過(guò)比特誤碼率、傳輸延時(shí)等指標(biāo)對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，將網(wǎng)絡(luò)評(píng)估結(jié)果反饋給發(fā)送端，發(fā)送端結(jié)合反饋信息對(duì)FEC 包數(shù)量進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。FEC策略流程如圖4所示。

圖4 FEC策略流程Fig.4 FEC tactics process

2.4 不等丟包保護(hù)控制技術(shù)

傳統(tǒng)自適應(yīng)FEC 控制一般采用基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的自適應(yīng)分級(jí)控制方法，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)置對(duì)應(yīng)的編碼冗余度，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)好時(shí)冗余度底，反之冗余度高。但是此方法在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較差、丟包率較高時(shí)，需向發(fā)送端逐次反饋數(shù)據(jù)包接收情況，發(fā)送端同步調(diào)整FEC 包冗余度，容易造成數(shù)據(jù)傳輸緩慢、傳輸試驗(yàn)長(zhǎng)等問(wèn)題。

NBVTH 算法的FEC 控制采用不等丟包保護(hù)控制方法，首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)及丟包率進(jìn)行估計(jì)；然后，根據(jù)各層數(shù)據(jù)的重要性自適應(yīng)調(diào)整各比特平面的FEC 包冗余度，同時(shí)調(diào)整傳輸層數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸速率進(jìn)行控制；最后，利用GOP 中各幀間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)各幀的基本層碼流設(shè)置相應(yīng)的FEC 保護(hù)比特，有效減少誤碼擴(kuò)散對(duì)解碼視頻質(zhì)量的影響。不等丟包控制流程如圖5所示。

圖5 不等丟包控制流程Fig.5 Unequal packet loss control flow

基本層（basic layer）的數(shù)據(jù)包是整個(gè)傳輸過(guò)程中的重要部分，如果基本層丟失，增強(qiáng)層將無(wú)法恢復(fù)圖像，所以對(duì)于基本層的保護(hù)需要特別注意。首先設(shè)置基本層的閾值為PeTBL，計(jì)算如下：

其中，BSC_GOP為當(dāng)前GOP 的視頻流編碼比特?cái)?shù)；BSC_GOP為當(dāng)前GOP可用的信源信道編碼比特?cái)?shù)；BS_BL為當(dāng)前GOP 的基本層編碼比特?cái)?shù)，在本方案中按照10-6為常用誤碼率。

然后依據(jù)PeTBL求出基本層FEC 冗余包個(gè)數(shù)FK.BL

其中，Int為取整運(yùn)算；n為編碼的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

增強(qiáng)層（enhance layer）的閾值為PeTEL，其計(jì)算公式可以參考基本層的計(jì)算方法，但需要滿足：

PeTBL＜PeTEL0＜PeTEL1

然后，依據(jù)基本層的FEC 冗余包個(gè)數(shù)FK.BL和剩余編碼帶寬計(jì)算出各層的FEC冗余包個(gè)數(shù)。

在解碼端通過(guò)錯(cuò)誤隱藏算法，將所丟包宏塊用前一幀對(duì)應(yīng)位置的重建宏塊數(shù)據(jù)代替，重建圖像質(zhì)量。

3 性能評(píng)估試驗(yàn)

為了驗(yàn)證NBVTH 的編解碼算法在窄帶條件下的視頻傳輸效果，通過(guò)NBVTH 編解碼器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的音視頻傳輸測(cè)試，為了直觀體現(xiàn)NBVTH 的性能，本文將NBVTH 與H.264／AVC 的編解碼性能進(jìn)行比較，主要對(duì)比NBVTH 與H.264／AVC 的編碼時(shí)延、壓縮比、壓縮圖像質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)。

3.1 仿真環(huán)境

采用的仿真環(huán)境是利用中星16衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，占用2 MHz 資源，傳輸速率設(shè)置為上行768 K，下行1.2 M，使用國(guó)產(chǎn)TDMA 調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行以太網(wǎng)連接編解碼端設(shè)備，其中，編解碼端設(shè)備包括2套，1套為NBVTH 算法的編解碼器，1 套為H.264∕AVC 編解碼器［14］，采用同一視頻源進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖6所示。

圖6 仿真環(huán)境測(cè)試拓?fù)鋱DFig.6 Simulation environment test topology diagram

3.2 仿真結(jié)果

仿真試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)編碼器分別在256 K 下傳輸D1圖像、512 K下傳輸720 P圖像和768 K傳輸1 080 P（30 幀∕s）圖像，通過(guò)肉眼觀看實(shí)時(shí)傳輸效果，具體效果如圖7～下頁(yè)圖9所示。

圖8 512 K下圖像效果對(duì)比Fig.8 Image effect comparison at 512 K

圖9 768 K下的圖像效果對(duì)比Fig.9 Image effect comparison at 768 K

在總碼率相等的情況下，實(shí)際環(huán)境由于天氣原因?qū)е聛G包率約在5%～10%，從上述試驗(yàn)結(jié)果可看出，與H.264視頻傳輸算法相比，采用本文提出的算法時(shí)，圖像質(zhì)量提升效果明顯。

仿真實(shí)驗(yàn)中，丟包率為5%時(shí)，采用NBVTH 算法時(shí)視頻傳輸更流暢，無(wú)卡頓現(xiàn)象，而H.264傳輸方法出現(xiàn)卡頓嚴(yán)重，丟幀頻率較高；丟包率為10%時(shí)，NBVTH 算法傳輸偶爾出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，卡頓時(shí)間小于1 s，而H.264卡頓現(xiàn)象嚴(yán)重，卡頓時(shí)間大于5 s。

由以上測(cè)試結(jié)果可知，NBVTH 視頻傳輸算法可有效適應(yīng)軍用窄帶信道傳輸條件，提升了實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)的可靠性與傳輸效率。

4 結(jié)論

NBVTH 視頻編解碼算法主要具備以下優(yōu)點(diǎn)：一是采用最新的HEVC 分層技術(shù)進(jìn)行編碼傳輸，較以往的編解碼算法壓縮性能比更高，更加適應(yīng)在低帶寬下傳輸視頻；二是為了保障視頻傳輸?shù)聂敯粜?，增加了更先進(jìn)的前向糾錯(cuò)和不等丟包控制算法，以適應(yīng)無(wú)線信道的傳輸特點(diǎn)，保障視頻的流暢性和穩(wěn)定性。但是，NBVTH 的算法比較復(fù)雜，要求的技術(shù)實(shí)現(xiàn)算力較高，目前國(guó)產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)方法比較困難，還需進(jìn)行更進(jìn)一步的研制優(yōu)化和技術(shù)攻關(guān)。