一種非可靠信道下H.264碼流控制方法

王琰 于大海 沈霽 鄭璧青 袁杰

摘要：H.264視頻壓縮技術在傳輸過程中由于物理信道的的損傷會引入噪聲，本文通過糾錯控制機制提高H.264編解碼的適應性。本方法適合在空間信道不穩定、碼流易丟易錯的情況下使用，便于硬件實現。

關鍵詞：H.264;加解擾;碼流控制;BPM算法

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0062-02

0 引言

圖像因為直觀生動作為最常見的信息傳輸方式和表現形式，能提供比其它形式數據更多的信息，在航天系統中也必不可少。在航天應用中，由于空間環境造成無線信道的不穩定性，在傳輸圖像數據時會因為信道損傷導致比特流數據錯誤或丟失，引入很多的噪聲，從而導致傳輸視頻時發生誤碼、丟包以及延遲等現象，無法滿足衛星等高可靠性產品的要求。而航天產品需要面對惡劣的空間環境，因而在設計時必須考慮非可靠信道下的圖像編解碼問題。

因為像素數據間的相關性，圖像壓縮具有可行性。H.264視頻壓縮技術作為新一代視頻壓縮國際標準，具有目前視頻標準中最好的壓縮效率。為適應運載火箭的信道特點、追求更好的壓縮性能，本文在H.264編解碼的基礎上改進，對數據流進行加解擾和幀率控制的措施，從而降低信道誤碼的概率并減小誤碼、丟包帶來的影響?？刂屏鞒虉D如圖1。

1 碼流加解擾

1.1 加擾措施

數字通信中的數據中免不了有長串的連“0”和連“1”，會導致數據流中有相當大的低頻成分的能量，并且不利于解碼時數據流中時鐘信號的提取。加擾是對對信號碼元作有規律的隨機化處理，它可以減少連“0”或連“1”長度，保證接收機能提取到位定時信號，使加擾后的信號頻譜更能適合基帶傳輸。它的原理是以能產生偽隨機序列的線形反饋移位寄存器理論為基礎。它以數據輸入和線性反饋輸出的模二加為加擾器的輸出，輸出由數據輸入和移位寄存器的狀態決定。這樣就改變了輸入數據的形式。本文使用一個10級移位寄存器構成的加擾器，它的級聯多項式是一個本原多項式：

硬件結構原理圖如圖2所示。對編碼后的碼流進行加擾后，碼流中不再出現連“0”或連“1”的信號，保證接收機能提取到位定時信號，使加擾后的信號頻譜更能適合基帶傳輸。

1.2 解擾恢復碼流

解擾是加擾的逆過程，在接收端實施。它的工作原理和加擾器的工作原理剛好相反。由于加擾器用的是10級移位寄存器，所以解擾器用的也是10級移位寄存器。

2 幀率控制策略

2.1 幀率預測

在易失信道中，可能會發生丟包問題而造成圖像碼流傳輸中發生丟幀或誤幀引起視頻不連續的現象。為解決此問題，本文在解碼的同時，進行幀率控制。根據幀計數判斷圖像的連續性，當發生丟幀或誤幀的情況時，采用插值算法對丟失或錯誤圖像進行預測，確保輸出圖像的連續性。

預測方法如下：

（1）首先判斷缺失的圖像幀數，當連續缺失幀數大于5幀時，預測因為不精確變得沒有意義，則采用持續播放前一幀數據的策略。（2）當連續缺失幀數小于等于5幀時，每25幀圖像分為一組，進行一次預測。預測出的運動矢量將在下一組圖像中使用。假設每組圖像的第一幀為參考幀，在相鄰兩幀圖像間采用位平面匹配（Bit Plane Matching， BPM）算法。（3）以參考幀和上一組圖像估計出的運動矢量對缺失幀進行預測，確保輸出圖像的連續性。

2.2 BPM算法

BPM算法是一種塊匹配算法，其基本流程如下：統計當前塊中各像素點灰度值的平均值，并將之與當前塊和搜索窗口中像素點灰度值的大小相比較，將它們轉換成由0和1構成的位平面（Bit Plane，BP），在位平面中進行搜索匹配。

BPM算法通過計算當前塊和待匹配塊對應的2個位平面中不同元素的個數（NNMP）衡量兩者是否匹配，當NNMP小于閾值Ta時，認為兩者是匹配的，保留當前塊，用于后面的處理;否則，認為這2個塊是不可能匹配的。

式中，N表示塊的大小;Bblock（i，j）表示當前塊對應的位平面中（i，j）位置的元素值，Bsw（m+i，n+j）表示搜索窗中（m，n）位置待匹配塊對應的位平面中（i，j）位置的元素值。滿足NNMP匹配條件的位置很多，從中找出真正的匹配塊，要進行SAD計算，選取SAD最小的位置作為最佳匹配位置，計算運動矢量。每組25幀圖像求出的運動矢量求均值，作為下一組有缺失的圖像中使用。

3 實驗結果分析

下面是信道出現丟幀或誤幀時，實驗分別采用本文提出的幀率控制算法，和原始H.264編解碼兩種方案，進行的恢復圖像效果比較。原始H.264解碼器輸出圖像發生丟幀現象，出現黑屏直至下一次解碼正確，如圖3所示，采用本文的幀率控制方法后，可以對缺失的圖像進行預測，預測圖像有效，減小了視頻流卡頓的現象，實現了提高圖像在空間信道傳輸的可靠性的目的。

4 結語

本文通過加解擾和幀率控制來進行糾錯控制，提供了一種基于H.264圖像壓縮標準的非可靠信道下的圖像編解碼方法，達到了提高數據可靠性的目的。適用于在信道不穩定的情況下傳輸圖像，提高了運載火箭圖像傳輸的可靠性。

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