基于無線網絡的H.264誤碼掩蓋算法的改進

侯艷艷

（棗莊學院 計算機科學系，山東 棗莊 277160）

責任編輯:閆雯雯

0 引言

H.264視頻編碼標準具有更高的編碼效率和更好的網絡適應性，在相同構建質量下比H.263+和MPEG－4 ASP標準節約50%碼流；視頻編碼層（Video Coding Lay?er，VCL）和網絡提取層（Net Abstraction Layer，NAL）的定義進一步提高了網絡的“親和性”，適合于無線網絡視頻傳輸。由于無線信道易錯、時變和帶限的特點，視頻數據在無線環境傳輸的突發性錯誤會導致連續包丟失現象，因此進行錯誤隱藏是十分必要的[1]。

H.264時域誤碼掩蓋算法利用前后幀的冗余信息來恢復出當前丟失的信息，其關鍵是要對丟失宏塊的參考運動矢量集進行估計并通過匹配算法選擇最佳的運動矢量對丟失宏塊進行掩蓋。在這方面已經提出了很多方法，最簡單的辦法是時域代替法（Temporal Replacement，TR）[2],用零矢量來恢復丟失宏塊；JM算法采用邊界匹配算法（Boundary Matching Algorithm，BMA）[3]從候選運動矢量中選出最匹配的運動矢量。這些算法利用相鄰宏塊運動矢量的相關性可以獲得比較滿意的恢復效果，但并沒有考慮丟失宏塊分割模式與相鄰宏塊運動矢量的相關性及對象運動的多向性。

1 改進的時域誤碼掩蓋算法

改進的時域誤碼掩蓋算法首先對視頻流進行錯誤檢測,確定受損宏塊的位置。等到所有有效宏塊都被解碼并保存在幀緩存中，估計出受損宏塊的最優運動矢量。改進的算法分三階段實現:第一階段，由相鄰宏塊的運動矢量相關性來估計丟失宏塊的分割模式；第二階段，根據丟失宏塊采用的分割模式，選擇各子塊的候選運動矢量集；第三階段，根據改進的邊界匹配函數選擇最優的運動矢量mv。選擇的最優mv，不僅在當前幀中取得較好的錯誤隱藏效果，而且在相關的后續幀中保持較好的錯誤隱藏效果。

1.1 宏塊分割模式的確定

H.264支持多種分割模式的運動補償，16×16宏塊可以按16×16，16×8，8×16或8×8四種模式進行分割。8×8模式的子宏塊還可以進一步亞分割為8×8，8×4，4×8或4×4。考慮到無線傳輸過程中帶寬的局限性及解碼的復雜度，本算法只考慮16×16，16×8，8×16和8×8這4種分割模式，不再考慮亞分割模式[4]。

改進的算法的宏塊分割充分利用丟失宏塊分割模式與相鄰宏塊運動矢量的相關性。如果水平相鄰的宏塊運動矢量具有極大的相似性，則對丟失宏塊不再進行水平方向的分割；垂直相鄰的宏塊運動矢量具有極大的相似性，則對丟失宏塊不再進行垂直方向的分割。丟失宏塊相鄰塊的運動矢量為mv1（x1，y1）～mv12（x12，y12），如圖1a所示。定義運動矢量之間的相關度為L，則mv1與mv2的相關度為

B0宏塊的水平相關度LH為水平方向相鄰子塊的相關度均值。B0的垂直相關度LV為垂直方向相鄰子塊的相關度均值。

M為運動矢量相關度閾值，丟失宏塊的模式推導如下:

1）LH〈M，LV〈M，丟失宏塊采用 16×16 分割模式，如圖1（a）所示。

2）LH〈M，LV〉M，丟失宏塊采用16×8分割模式，如圖1（b）所示。

3）LH〉M，LV〈M，丟失宏塊也采用8×16分割模式，如圖1（c）所示。

4）LH〉M，LV〉M，丟失宏塊都采用8×8分割模式，如圖1（d）所示。

1.2 參考運動矢量集的確定

參考運動矢量集由丟失宏塊空間相鄰矢量與參考幀中的對應位置矢量構成[5]，包括:零運動矢量mv0；相鄰運動矢量 mv1～mv12；平均/中值運動矢量 mvave；參考幀與丟失宏塊對應位置的運動矢量mvne。對于不同宏塊分割模式確定各子塊所采用的運動矢量[6]。

第一步，為減小運動矢量預測的計算復雜度，不管宏塊采用何種分割模式，快速確定丟失宏塊的運動矢量:

1）計算片中所有運動矢量的絕對均值，小于閾值0.25，則用參考幀中對應宏塊直接替換，預測運動矢量為mv0。

2）計算丟失宏塊與參考宏塊的像素均方差，小于閾值0.8，則預測運動矢量為mvave。

3）計算丟失宏塊空間相鄰宏塊與參考幀對應宏塊的像素均方差，小于閾值1，預測運動矢量采用mvne。

第二步，根據丟失宏塊的不同分割模式選取子塊的候選矢量集。

模式1的分割方式，B0候選運動矢量集為:｛mv1，mv2，mv3，mv4，mv5，mv6，mv7，mv8｝。

模式2的分割方式，則B0，B1候選運動矢量集依次為:｛mv1，mv2，mv5，mv7，mv9，mv10｝，｛mvB0，mv3，mv4，mv6，mv8，mv11，mv12｝。

模式3的分割方式，則B0，B1候選運動矢量集依次為:｛mv1，mv3，mv5，mv6，mv9，mv11｝，｛ mvB0，mv2，mv4，mv7，mv8，mv10，mv12｝。

模式4 的分割方式，B0，B1，B2，B3候選運動矢量集依 次為:｛mv1，mv2，mv5，mv9｝，｛ mvB0，mv1，mv2，mv7，mv10｝，｛mvB0，mv1，mv3，mv5，mv6｝，｛mvB1，mvB2，mv4，mv7，mv8｝。

1.3 改進的邊界匹配函數

BMA采用丟失宏塊最外層像素與周圍宏塊相鄰層像素的絕對差之和（SAD）作為評價標準，選擇使SAD最小的運動矢量作為丟失宏塊運動矢量[6]，如圖2所示。BMA算法中邊界匹配按水平和垂直兩個方向進行，主要考慮像素的水平和垂直相關性。視頻序列中對象的運動具有多向性，對象的運動不僅有水平和垂直方向，還有正反對角線方向，改進的算法根據相鄰宏塊BT和BL計算B0正對角線，副對角線，水平/垂直方向像素匹配系數c1，c2，c3，式中f（x，y）為丟失宏塊左上角的像素。

根據 c1，c2，c3大小關系，選擇邊界匹配函數。c1最小，丟失宏塊具有正對角線方向性，邊界匹配函數為SAD1；c2最小，丟失宏塊具有反對角線方向性，邊界匹配函數為SAD2；c3最小則丟失宏塊具有水平/垂直方向性，邊界匹配函數為SAD3。從參考運動矢量集中選擇使邊界匹配函數最小的運動矢量作為丟失宏塊運動矢量。H.264采用多種宏塊分割模式，對于m×n子塊的SAD1，SAD2，SAD3，有

k1，k2，k3，k4分別為上下左右相鄰子塊的可靠度，ki為1表示相鄰子塊未丟失或已隱藏；ki為0表示相鄰塊已丟失且未隱藏。

2 實驗結果

本文采用H.264參考模型JM8.6編碼100幀，幀率30 f/s（幀/秒），序列結構IPPPP,編碼模式采用FMO棋盤模式，測試序列為QCIF格式的foreman序列、carphone序列。實驗采用H.264中推薦的3G移動包交換網絡的仿真環境,利用比特錯誤模式文件進行仿真。解碼端采用本文算法與幾種傳統算法進行誤碼掩蓋，信道近似誤碼率為3%，5%，10%，15%。表1給出各序列0～100幀的平均PSNR值。圖3給出了在誤碼率為10%情況下，Car?phone序列第12幀圖像客觀質量比較。

表1 Carphone和Forman序列的PSNR值

3 結論

筆者在時域誤碼掩蓋算法的基礎上針對無線網絡環境，對JM誤碼掩蓋算法的分割模式選擇及邊界匹配誤差函數進行了一定的改進。仿真實驗證明了改進算法在略微增加計算復雜度的基礎上，圖像質量比原算法提高了0.08～1.13 dB，同時對幀間的誤碼積累有一定的抑制作用。實驗結果表明，該算法較以往的時域誤碼掩蓋算法在相同的RTP包丟失率情況下均有更高的峰值信噪比及更好的重建圖像效果。

[1]馬宏興，張伶.H.264/AVC率失真優化技術綜述[J].電視技術，2010，34（6）:19－22.

[2]AIGN S，FAZEL K.Temporal and spatial error concealment technique forhierarchicalMPEG－2 video codec[C]//IEEE InternationalConference on Communications.[S.l.]:IEEE Press，1995，3:1778－1783.

[3]TSEKERIDOU S，PITAS I.MPEG－2 errorconcealmentbased on block－matching principles[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2000，10（4）:646－658.

[4]ZHENG Jinghong，CHAU Lap－Pui.A temporal error concealment algorithm for H.264 using Lagrange Interpolation[J].IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2004，2:133－136.

[5]YAN B，NG K W.A novelselective motion vector matching algorithm for error concealment in MPEG－4 video transmission over error－prone channels[J].IEEE Trans.Consum.Electron.，2003，49（4）:1416－1423.

[6]AGRAFIOTIS D，BULL D R，CANAGARAJAH C N.Enhanced error concealment with mode selection[J].IEEE Trans.Circuits Syst.Video Technol.，2006，16（8）:960－973.