基于3G的視頻會議中圖像質(zhì)量的研究

孫豐岳，趙 輝

(山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100)

3G視頻會議由于原始視頻信號數(shù)據(jù)量太過巨大，因此必須經(jīng)過壓縮才能在3G網(wǎng)絡(luò)中傳輸。在眾多的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，由ISO和ITU-T共同發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC因其具有較高的壓縮效率和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力等特點(diǎn)，成為3G視頻會議業(yè)務(wù)中首選的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。但是H.264/AVC碼流對誤碼非常敏感，即使是單個原發(fā)性錯誤，也容易造成重建后的視頻質(zhì)量急劇下降［1]。如何減少3G無線信道的瑞利衰落和慢衰落的影響，人們提出新的容錯技術(shù)或綜合已有的容錯技術(shù)，從而切實(shí)有效提高視頻質(zhì)量，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 H.264/AVC的主要技術(shù)特點(diǎn)

H.264是基于MPE-4基礎(chǔ)上建立的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其編解碼流程主要包括:幀間和幀內(nèi)預(yù)測、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波和熵編碼［2]。該標(biāo)準(zhǔn)可使同等視頻質(zhì)量下的壓縮效率比以往標(biāo)準(zhǔn)提高2倍以上，因此H.264被認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，H.264從概念上可分為兩層:視頻編碼層VCL(Video Coding Layer)和網(wǎng)絡(luò)抽象層NAL(Network Abstraction Layer)［3]，其中視頻編碼層的主要功能是對視頻編碼信號進(jìn)行有效的說明;而網(wǎng)絡(luò)抽象層負(fù)責(zé)對編碼后的信息進(jìn)行打包封裝并通過指定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而使H.264文件能夠輕易地在3G網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

3G網(wǎng)絡(luò)在移動環(huán)境下的帶寬為384kbps，在靜止環(huán)境下可達(dá)到2Mbps。與2G系統(tǒng)相比，3G系統(tǒng)全部工作在2GHz頻段。更高的頻段意味著路徑損耗變大，多普勒頻率擴(kuò)展增大，信號衰落周期減小。此外由于波長的減小導(dǎo)致無線電波繞射和透射能力減弱，從而使陰影衰落的效果更加顯著，導(dǎo)致視頻流中的RTP包大量丟失［4]。因此對于3G視頻會議業(yè)務(wù)而言，容錯技術(shù)是不容忽視的。

2 3G視頻會議中的容錯方案

選用合適的容錯工具來提升3G視頻會議中的圖像質(zhì)量成為亟待解決的課題。H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)提供了許多容錯工具，但并不都適用于3G視頻會議業(yè)務(wù)。即使是同樣的方法，也會由于算法和參數(shù)的差異導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果大相徑庭。如何選擇并調(diào)試出合適的容錯方法是本文研究的重點(diǎn)。

1)靈活的宏塊排序(FMO)

FMO技術(shù)是指將一副圖像中的宏塊分成幾個片，分別獨(dú)立編碼。片組由一個或多個片組成，當(dāng)一個片組在傳輸過程中由于發(fā)生錯誤而丟失時(shí)，可以利用與之相近的已經(jīng)正確接收的另一片組的宏塊進(jìn)行有效地錯誤掩蓋。FMO方式可以是隔行模式，也可以是分散模式。

2)錯誤隱藏技術(shù)

由于無線網(wǎng)絡(luò)中的誤碼率高，很多RTP包在傳輸中被網(wǎng)關(guān)或路由器丟棄，而這些數(shù)據(jù)必須在解碼器端依靠錯誤隱藏技術(shù)根據(jù)空間和時(shí)間上的相關(guān)性來恢復(fù)，因此在3G無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，錯誤隱藏技術(shù)對于解碼器來說非常重要。

3)幀內(nèi)編碼塊刷新

由于幀內(nèi)編碼不依賴時(shí)間上相鄰幀的數(shù)據(jù)，所以幀內(nèi)編碼塊能有效的阻止由于包丟失甚至幀丟失引起的錯誤傳播。對于視頻會議業(yè)務(wù)來說，由于實(shí)時(shí)性要求較高，而且I幀刷新的頻率較低，因此可用幀內(nèi)編碼塊來部分代替I幀的作用。

4)冗余片技術(shù)

H.264編碼器除了對片內(nèi)的宏塊進(jìn)行一次編碼外，還可以采用不同的編碼參數(shù)對同一個宏塊進(jìn)行一次或多次編碼，生成冗余片，冗余片信息也被編碼進(jìn)同一個視頻流中。如果主片能夠被解碼器正確接收，則冗余片將被拋棄。反之若主片丟失，則可用冗余片來重構(gòu)圖像。該技術(shù)非常適合在3G網(wǎng)絡(luò)高誤碼率的情況下使用。

3 基于冗余片的容錯算法

在設(shè)定冗余片時(shí)，冗余片的QP值應(yīng)當(dāng)大于主片的QP值，即QPr＞QPp。那么在失真率為p的信道環(huán)境下，假設(shè)視頻序列的幀數(shù)為N，傳輸過程中第i幀里的宏塊k丟失，隨之將該宏塊的冗余片補(bǔ)上，則由此造成的失真dt.k可以表示為

式中，f［n] 為幀內(nèi)編碼塊刷新等原因引起的失真遞減。整個過程如圖1所示。

圖1 冗余片傳輸時(shí)產(chǎn)生的傳播失真示意圖

而當(dāng)QPrQPp時(shí)

因此dt，k可以表示為

因此失真的期望值為

其中，dp，k為主片傳輸中產(chǎn)生的失真，dt，k為主片丟失后，采用冗余片所產(chǎn)生的失真，dp，k＜dt，k。因此采用冗余片技術(shù)所引起的GOP失真的期望值為

如果不使用冗余片技術(shù)，主片丟失后就沒有任何補(bǔ)償措施。因此，該算法確實(shí)能夠提高圖像質(zhì)量。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的編碼和解碼軟件采用聯(lián)合視頻編碼組(JVT)發(fā)布的H.264/AVC參考軟件JM15.1［6];視頻序列采用QCIF格式的Foreman序列，取其120幀進(jìn)行測試，測試視頻采用IPPP……格式編碼。編碼器中ProfileIDC=66，熵編碼模式為通用可變長編碼(UVLC)，OutFileMode=RTP。同時(shí)使用視頻編碼專家組(VCEG)提出的模擬軟件VCEG-N80［7]，該模擬軟件可以準(zhǔn)確模擬H.264/AVC在各種3G無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳輸。

本文采用Wcdma_128kb_3kph_5e-04.bin測試條件。在3G視頻會議中，根據(jù)前面所提到的各種容錯方式及參考文獻(xiàn)，以下列出5種適合于3G視頻業(yè)務(wù)的容錯方案，其中方案1和方案2是參考文獻(xiàn)［8]中所提出容錯方案，如表1所示。

表1 容錯方案

本文將以上五種方案分為2組。第一組為參考文獻(xiàn)［8] 中未采用冗余片技術(shù)的方案1和2與本文提出的冗余片技術(shù)與其他容錯方法相結(jié)合的方案3和4的比較，如圖2(a)所示;第二組為在采用冗余片技術(shù)并且相同的參數(shù)NRH前提下，啟用FMO(方案5)與放棄FMO(方案3)之間的對比，如圖2(b)所示。

圖2 兩組方法解碼后視頻的峰值信噪比走勢

從圖2(a)所示的客觀評價(jià)可以看出，采用方案3和方案4得到的峰值信噪比PSNR的平均值明顯強(qiáng)于方案1和方案2。而在圖2(b)中，在NRH都等于3的前提下，方案3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)好于方案法5。由于仿真軟件的原因，在修改參數(shù)以后造成方案5在編碼后通過模擬3G信道時(shí)前面一段字節(jié)沒有加載錯誤信息，但這不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖3所示的主觀評價(jià)可以看出，方案1和方案2眼角處有明顯模糊跡象，方案5下巴及嘴角出現(xiàn)失真。方案4總體較為清晰，但邊緣輪廓處仍稍有模糊跡象，方案3質(zhì)量最好。

圖3 五種方案的主觀實(shí)驗(yàn)對比圖

5 結(jié)語

通過仿真實(shí)驗(yàn)中的五種方法比較得出，通過合理參數(shù)設(shè)置的冗余片技術(shù)、錯誤隱藏機(jī)制以及與行幀內(nèi)編碼塊刷新方法相結(jié)合的容錯技術(shù)取得了最好的效果。而加入FMO技術(shù)以后視頻質(zhì)量明顯下降，這充分說明了在3G信道高誤碼率和帶寬有限的環(huán)境中，編碼過程中不能僅考慮容錯方案的糾錯能力，而應(yīng)充分利用宏塊間的空間相關(guān)性，選擇最適合的容錯機(jī)制。

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