基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法研究

張 楠

（中國人民解放軍91033部隊，山東 青島266071）

0 引 言

JPEG2000是一種利用小波變換對圖像進行壓縮的技術。與以往利用離散余弦變換圖像壓縮技術不同的是，JPEG2000具備更高的壓縮比，支持有損壓縮和無損壓縮，可實現漸進傳輸模式，支持“感興趣區域”編碼等，且壓縮后的圖像不會產生塊狀模糊瑕疵[1]。視頻通信圖像在傳輸信道中常常會產生多種不同的誤碼。例如：不可靠的有線或無線信道將傳輸信道比特流時向圖像中引入了隨機誤碼；由于在視頻通信圖像傳輸過程中網絡出現了阻塞現象，有線網絡互聯協議在傳輸過程中導致引入包丟失等[2]。此外，在臺風天氣、雷暴、太陽風等自然因素以及強磁場、雷達信號干擾等人為因素影響下，即便是有線傳輸的通信方式也會形成高比率的誤碼，影響圖像傳輸質量，形成噪點、失真、卡頓等問題，降低通信使用體驗。為了進一步保證視頻通信圖像的解碼質量，結合JPEG2000技術優勢，提出了一種基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法。

1 基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法設計

1.1 視頻通信圖像誤碼檢測

設計基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法，在解碼端精準檢測出圖像中的誤碼。根據圖像的不同傳輸情況，大體可分為兩種檢測方法。

第一種是通過傳輸信道解碼、媒體復合檢測圖像誤碼。該方法是在媒體復合包中添加頭信息檢測誤碼。以視頻復合標準低碼率多媒體通信保密協議H.233為例，在復合包頭中添加序列號檢測丟失的復合包，即可完成對視頻誤碼的檢測；或通過前方糾錯檢測誤碼，以視頻會議用的低碼率視頻編碼標準H.263+為例，在其附錄H中利用BCH碼對視頻通信圖像碼流進行糾錯。

第二種是通過視頻通信圖像源解碼檢測誤碼。該方法根據視頻信號的特點檢測其時域誤碼，仍然以視頻復合標準H.263+為例，計算視頻相鄰兩個塊組鄰近行相關數據的差值，判斷其是否超出了門限，若未超出門限則說明視頻中沒有誤碼，若超出則說明視頻中存在誤碼[3]。在視頻的變換域中也可對其是否存在誤碼進行判斷，即根據視頻的同步碼大致確定視頻出錯的范圍，再通過計算得出出錯范圍內每個塊組相鄰兩行系數的均方差，選擇其中均方差差距較大的塊組即出錯塊組，判斷該塊組上存在的誤碼。

在實際的圖像誤碼檢測中，需要根據現場特點靈活選用以上兩種誤碼檢測方法或兩者相結合共同檢測。由于圖像誤碼的檢測是實現視頻通信圖像抗誤碼的前序環節，其檢測質量的高低直接影響后續對誤碼單元的修復，因此研究中將其作為關鍵步驟實施。第一種方法的優點是快速，通過檢測校驗位可近乎實時發現通信傳輸過程中的誤碼錯誤，但是不精準，僅知道一個數據幀中存在誤碼卻無法確切定位誤碼；第二種方法的優點是精確，可以細化到一幀圖像中的細節圖像塊，但是運算量大，處理速度慢，直接影響視頻流的正常播放，形成卡頓和延時。經過對這兩種成熟的誤碼檢測方法深入研究后，提出將兩者相結合，利用傳輸信道誤碼檢測快速的優點對全部視頻流進行覆蓋式檢測，以期快速發現存在誤碼的幀數據。圖像源解碼平時處于靜默狀態，不參與誤碼檢測。一旦傳輸信道誤碼檢測發現了問題幀數據，立即調取圖像緩存中的視頻流中問題幀的前后相關幀數據信息進行差值檢測，采用相鄰像素點灰度值差值均方根檢測的算法判定問題像素點，從而實現對圖像誤碼的快速、精確檢測。

1.2 基于JPEG2000技術的圖像編碼

基于JPEG2000技術的圖像編碼要對原始視頻通信圖像進行預處理，采用小波提升算法對視頻中的每個瓦片進行離散小波變換，變換后對得到的各子帶的小波系數進行量化和熵編碼，進一步消除視頻像素之間的相關性，按照率失真最優原則隨機截取視頻碼塊，最后打包形成嵌入式的壓縮碼流。

對視頻通信圖像的預處理，先將視頻通信圖像放置在設置好的參考網絡中進行分割，將圖像整體劃分為形狀相同、大小相等且相互不存在重疊的矩形瓦片，再對每一個瓦片分別進行操作，目的是降低瓦片的內存需求，同時對多個瓦片進行編碼操作，縮短編碼的整體時間。

為了進一步提高后續編碼的效率，還要對瓦片中的數據流進行直流電平位移處理，去除圖像中的直流分量，將輸入視頻通信圖像分量中的無符號相關樣值轉變為與零點對稱的有符號相關樣值，利用小波變換得到基本相同的系數正負概率。

彩色視頻通信圖像具有兩個或兩個以上的分量，且各個分量中存在較大的相關性。基于JPEG2000編碼標準的分量轉換，實現對分量可逆和不可逆兩種變換形式，可根據具體情況選擇。

完成預處理后需要對其進行離散小波變換處理，利用小波變換中的提升算法對圖像進行無損壓縮，通過碼率控制對視屏通信圖像進行量化、熵編碼和碼流組織，完成對視頻通信圖像的編碼。

1.3 解碼端誤碼覆蓋

利用視頻通信圖像信號中的冗余信息和人類視覺特性對錯誤圖像數據進行覆蓋。若視頻通信圖像在傳輸過程中運動矢量正確，則出錯塊應當利用運動預測塊將其代替；若運動矢量出錯，則應當利用視頻前幀對應位值的運動矢量估值出錯塊的運動矢量，再利用運動補償覆蓋出錯塊的數據。對于空白區域的誤碼覆蓋，可利用拉格朗日或梯度準則估計出錯塊丟失的數據，再完成覆蓋。利用自適應的MRF格式文件作為視頻通信圖像的先驗模型估計出錯塊的數據，得到恢復一定程度的圖像質量，再根據出錯數據的最大值，利用出錯塊前一幀的圖像數據，得到出錯宏塊的初始數據，進而修正出錯塊周圍信息，完成初始化估值和誤碼掩蓋。同時，在覆蓋過程中可以通過縮小運動矢量估值搜索范圍和調整MRF格式文件的加權值等方法簡化整個覆蓋過程，在視頻通信傳輸的過程中實時處理其出錯塊。

結合視頻通信圖像的誤碼檢測方法和JPEG2000的圖像編碼特點，實現了對視頻通信圖像流的誤碼檢測定位，且將其定位在具體的瓦片中，通過運動適量推測和信息熵隱含信息計算誤碼塊的可能正確值范圍，依照上一幀圖像對應位置的圖像灰度、色度信息進行覆蓋還原，完成對視頻通信圖像的無損修復。在視頻流通信中，影響通信質量的關鍵因素為誤碼率和通信速率。在視頻通信圖像抗誤碼方法研究中，優先考慮視頻流中誤碼的檢測與覆蓋還原問題，但是處理速度同樣是制約通信速率的重要方面。因此，研究中在誤碼檢測環節采用雙工互補的方式實現低延時誤碼檢測，在解碼端誤碼覆蓋環節采用硬件解碼的方式實現通信帶寬下圖像流數據的并行處理和誤碼覆蓋，以實現高質量的通信傳輸。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

本文對比實驗采用64 MB內存的計算機作為實驗環境，選取QCIF格式的標準視頻通信圖像作為實驗對象，大小為158 kB×124 kB。對視頻通信圖像P幀，將圖像中的所有參考幀誤碼覆蓋宏塊替代所有通過計算得到的宏觀峰值信噪比，計算公式為：

其中，BPSNR表示為宏觀峰值信噪比；BMSE表示為宏觀均方誤差；x、y表示為宏塊序號。宏觀均方誤差BMSE的計算公式為：

其中，ai,j表示為原始視屏通信圖像宏塊；a*i,j表示為誤碼掩蓋宏塊。選擇實驗對象圖像序列中的第4～13幀，并以每一幀的前一幀作為參考幀，分別利用設計的基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法和傳統抗誤碼方法對其進行處理，并將前者設為實驗組，后者設為對照組，完成對比實驗。

2.2 實驗結果及分析

根據實驗準備完成對比實驗，并記錄實驗過程中的相關數據，計算得到最終的實驗結果，從而比較實驗組與對照組恢復后的峰值信噪比。表1為實驗組與對照組實驗結果對比表。

表1 實驗組與對照組實驗結果對比表

由表1可以看出，實驗組恢復后的圖像峰值信噪比在第I幀圖像時，雖然傳輸信道中的數據量明顯增加，但對圖像恢復的峰值信噪比仍比對照組恢復后的圖像峰值信噪比高出16.132 dB。而在第P幀圖像時，雖然傳輸信道中的數據量減小，但實驗組仍比對照組增加了16.335 dB。因此，對比實驗證明設計方法可更加有效地恢復被損壞視頻通信圖像。

3 結 論

在充分考慮實際視頻通信圖像的時間及空間域相關性的基礎上，提出一種基于JPEG2000的視頻通信圖像抗誤碼方法，即在編碼端對視頻通信圖像進行抗誤碼預防措施。對比實驗已充分證明該方法具有有效性，但仍存在對解碼器有一定要求、增加了傳輸的數據量等問題。因此，在后續研究中還將針對這兩方面問題進行更加深入的研究，以期進一步提高視頻解碼的質量。