視頻碼流的層次劃分研究

周 菡，于文斌

(1.中國電信陜西公司信息技術支撐中心，陜西西安 710071;2.西安電子科技大學通信工程學院，陜西西安 710071)

近年來以視頻和圖像等多媒體業務作為主要傳輸對象的通信技術成為當今通信領域研究的重點。但是由于面臨著信道噪聲和頻帶緊缺等因素的影響，在網絡帶寬十分有限的情況下，只能使用較低的信道編碼效率，而較低信道編碼效率會造成傳輸冗余的增加，降低信道利用率。因此更好地進行數據壓縮和差錯控制成為多媒體通信技術的關鍵問題。

不平等錯誤保護技術，目前已在圖像和視頻的無線傳輸中得到廣泛關注［1］。以視頻業務信息的傳輸為例，在視頻比特流中的各個部分有著不同的重要性，某些比特對錯誤的抵抗能力比其他比特要差，從而需要對信號的不同部分給予不同等級的保護。不等差錯保護作為聯合信源信道編碼的一種，在網絡資源有限情況下，根據業務碼流中的不同部分的重要性不同，采用不同的信道保護機制，從而獲得可用視頻或圖像業務。目前不等差錯保護策略主要有兩個研究方向:一是研究如何對信源編碼端數據進行等級劃分;二是對等級劃分后的數據采用怎樣的不等編碼保護問題。而這其中對于業務碼流信息中的各個部分重要性的分析和劃分就顯得尤為重要，碼流信息按重要性劃分為接下來的不平等差錯編碼保護提供了可能。對MPEG－2［2－3］碼流信息的不等差錯保護也引起了廣泛關注。

文中對MPEG－2視頻碼流信息的重要性劃分方式進行研究，提出一種基于幀間層次的視頻碼流劃分方案。仿真結果表明本文所提的層次劃分方式優于傳統的基于圖像幀的劃分方式經不等差錯保護后視頻恢復效果。

1 幀間層次劃分

下面以MPEG－2視頻標準中的數據分割原則，結合不同圖像幀(I，P，B幀)對視頻重建所起作用不同提出一種簡單有效的視頻碼流劃分方式，即幀間層次劃分方式。該劃分方式區分不同的圖像幀，以及圖像幀中的不同層次，根據各圖像幀中不同層次對視頻重建貢獻度不同，將視頻碼流進行分類劃分。

在測試幀內層次劃分時，選用一個增強層，取數據分割的優先級斷點值為69，可將圖像幀中的內容分割為兩層，將視頻碼流分成6組不同類型的數據，即I幀基本層，I幀增強層，P幀基本層，P幀增強層，B幀基本層和B幀增強層。在不同信道誤碼率情況下對這6組不同類型的信息分別引入隨機錯誤，則重建視頻圖像的PSNR均值如表1所示。

表1 各幀不同層次出錯后重建視頻圖像PSNR均值 /dB

根據表1中的仿真實驗計算結果可知，對同一圖像幀的基本層及增強層，在相同誤碼率時重建視頻圖像PSNR均值的存在著差異;不同圖像幀的相同層次之間出錯后重建視頻圖像的PSNR均值也存在差異。視頻增強層對誤碼率有要求，若要接收并使用視頻增強層則必須滿足其相應的誤碼要求。

根據仿真結果，PSNR均值達到33～38 dB為準對視頻碼流進行分類，則視頻碼流被分成4類不同重要性的等級。其中I幀的基本層對誤碼要求最高作為第一等級信息數據;P幀基本層和I幀的增強層出錯恢復效果接近，對誤碼要求低于第1類作為第2等級信息;B幀的基本層及P幀的增強層作為第3等級信息;B幀增強層的容錯能力最強，該類信息為第4等級。

根據視頻碼流信息中基本層和增強層對視頻所起作用的不同，結合I，P，B幀圖像對視頻所起作用不同的原則劃分整個視頻碼流，最終得到4類對視頻重建貢獻度不同的碼流信息:

第1類信息 包括視頻碼流中的頭、控制信息，I幀圖像的基本層;

第2類信息 包括I幀圖像增強層，P幀圖像的基本層;

第3類信息 包括P幀圖像增強層，B幀圖像的基本層;

第4類信息 包括B幀的增強層及視頻碼流中的填充信息。

按照層次結構劃分方式，在選用的視頻樣本中各類信息所占比例為:0.1701，0.2801，0.4426，0.1072。

根據上面的不同重要性級別內容，視頻碼流信息按照層次劃分方式進行劃分的結構示意圖如圖1所示，圖中的“H”表示圖像頭及slice頭信息，該類信息歸到第一等級的信息中予以重點保護。

圖1 視頻碼流層次劃分方式

根據視頻層次對視頻貢獻作用不同結合不同圖像幀的數據劃分方式，在劃分時利用MPEG－2標準中的數據分割原則［7－8］，劃分方式簡單，劃分后所得到的不同類信息的對重建視頻所起作用也有所不同。圖2為不同等級信息在不同誤碼情況下的重建視頻圖像的PSNR均值曲線。各類信息的PSNR均值曲線區分明顯，其中第1、2等級在不同誤碼時的重建視頻圖像PSNR均值曲線接近，而與第3、4類信息差距較大。

基于幀間層次的視頻碼流劃分方案是基于視頻標準中數據分割原則，根據各幀不同層次對重建視頻所起的作用不同的基礎上提出的，實際上是對碼流信息中不同類型的數據按照數據分割方式進行了劃分。

圖2 不同信息出錯后重建視頻圖像PSNR均值曲線

2 視頻幀間層次劃分的不平等差錯保護

根據MPEG－2標準中的數據分割原則，結合不同圖像幀，提出將視頻文件分為了4個不同重要性類別的分類方式。業務信息的不平等差錯保護傳輸，在完成了業務信息的劃分之后，需要對不同等級的信息進行不等差錯編碼保護。下面按照幀間層次劃分方式對所選用的視頻樣本進行分類，對分類信息進行不平等差錯編碼保護仿真實驗。

在仿真測試時將一個編碼分組長度(1504 bit)根據四類信息所占比例{0.1701，0.2801，0.4426，0.1072}，分為4個不同長度用于不同類信息的傳輸。仿真條件:信道為加性高斯白噪聲信道。所采用的信道編碼方式為ZS－IGLDPC，設置編碼結構中的4類(k=4)不同重要性信息的重復次數分別為:Rep1=7，Rep2=6，Rep3=5，Rep4=4;信道編碼碼率為0.5211。對層次劃分所得的4類信息進行不等差錯編譯碼仿真，圖3為4類信息的誤碼性能曲線。

圖3 按層次劃分方式不等差錯保護誤碼曲線

在不同信噪比時計算4類信息經信道不等差錯保護傳輸后重建視頻圖像的PSNR均值，所得結果如表2所示。

表2 幀間層次劃分UEP重建視頻圖像PSNR均值 dB

通過上表中不難發現，在選取的信道條件下，采用幀間層次劃分的視頻碼流的不平等差錯保護的重建視頻圖像的PSNR均值要高于不分類情況下均等保護重建視頻圖像的PSNR均值，且高于按傳統圖像幀劃分時重建視頻圖像的PSNR均值。在信息信噪比為2.6 dB時，按照層次劃分方式相比不分類情況，重建視頻圖像的PSNR均值約有8 dB的提高;相比傳統的按圖像幀的劃分方式進行不等差錯保護的視頻恢復圖像，其PSNR均值約有4 dB的提高。

在信噪比為2.6 dB時，不同分類方式經相應信道編碼保護后重建視頻圖像效果直觀圖如圖4所示。

圖4 2.6 dB時不同分類方式重建視頻圖像效果直觀圖

圖4中的畫圓圈部分為視頻圖像出錯位置，按照層次劃分方式經不等差錯編碼保護后的重建視頻效果要優于碼流不分類均等差錯保護的情況，相比傳統的按照圖像幀劃分經不等差錯保護的方式在視頻恢復效果上也有所提高。

3 結束語

基于幀間層次的視頻碼流劃分方式是在MPEG－2的數據分割原則基礎上結合圖像幀對視頻影響作用不同而提出的，層次劃分過程復雜度不高，相比傳統劃分方式，在區分圖像幀基礎上，只需區分圖像幀中的不同層次數據即可。通過仿真測試驗證，視頻采用幀間層次進行碼流信息劃分，作不等差錯編碼保護之后所獲得的重建視頻效果要優于不分類情況，相比傳統的圖像幀不同的劃分方式，效果也有較大的提升。

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