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淺析3G視頻通信中容錯技術(shù)的應用
摘要：隨著(zhù)第三代數字無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )以及多媒體信息服務(wù)的迅猛發(fā)展，3G視頻通信的高可用性已成為業(yè)界關(guān)注的一個(gè)新的焦點(diǎn)。作為一個(gè)新型的通信技術(shù)，3G視頻通信有很多新的特點(diǎn)，所有這些新的特點(diǎn)對傳統容錯技術(shù)帶來(lái)新的挑戰。H.264／AVC視頻編碼標準本身提供了許多容錯工具，可以很好的解決易差錯信道的視頻容錯傳輸。本文以如何提高3G視頻通信的可用性為目標，對3G視頻通信中關(guān)鍵的容錯技術(shù)(包括錯誤隱藏技術(shù)，Slice結構及參數集等)的應用進(jìn)行了初步探討。
關(guān)鍵詞：3G 視頻通信 H.264/AVC 容錯技術(shù)
0 引言
傳統的視頻編碼標準都是圍繞比特流的概念組織的。實(shí)際上用于傳送數字視頻的大多數網(wǎng)絡(luò )體系結構并不適合直接傳輸比特流。在許多網(wǎng)絡(luò )體系結構中，比特流需要拆分為數據分組。這些分組的特性，如最小/最大尺寸、相關(guān)開(kāi)銷(xiāo)和差錯屬性等在網(wǎng)絡(luò )體系結構間、甚至在某個(gè)給定的網(wǎng)絡(luò )體系結構內也是很不相同的。假如視頻編碼器自身能和網(wǎng)絡(luò )特性很好的匹配，將能夠獲得更好的視頻QoS。問(wèn)題是如何容錯地支持易差錯的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )？為了解決無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道視頻的容錯傳輸，我們將采用如前向糾錯編碼及支持差錯復原的視頻壓縮編碼技術(shù)來(lái)解決。H.264編解碼器可以很好的解決易差錯信道的視頻容錯傳輸。在3GPP/3GPP2的傳輸環(huán)境下通過(guò)選擇適當的條帶長(cháng)度使H.264編解碼器和無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道的網(wǎng)絡(luò )特性得到很好的匹配，實(shí)現無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道視頻的容錯傳輸。H.264標準適用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的主要原因之一就是在概念上分為兩層:視頻編碼層VCL(Video Coding Layer)和網(wǎng)絡(luò )抽象層NAL(Net work Abstraction Layer)，其中VCL負責高效的視頻內容表示，它被設計成盡可能獨立的網(wǎng)絡(luò )，NAL負責對編碼信息進(jìn)行打包封裝并通過(guò)指定網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。H.264中還定義了兩種新的幀編碼類(lèi)型，即SP幀和SI幀來(lái)完成不同流的切換，可以根據傳輸網(wǎng)絡(luò )和用戶(hù)終端的具體情況自適應地在不同碼率的視頻流之間切換，這大大改善了視頻流對3G網(wǎng)絡(luò )的適應性。
1 3G視頻通信中容錯技術(shù)的應用
3G通信技術(shù)的出現使對話(huà)式無(wú)線(xiàn)視頻業(yè)務(wù)成為可能，雖然3G網(wǎng)絡(luò )在移動(dòng)環(huán)境下的帶寬可達384kbps，在靜止環(huán)境下的帶寬可以達到2Mbps，但是由于信道衰減、建筑物遮擋、終端移動(dòng)、多用戶(hù)干涉等原因影響，使得信道是時(shí)變且高誤碼的，因此，在3G網(wǎng)絡(luò )上傳輸視頻流時(shí)，僅僅追求高的壓縮效率是不夠的，必須有一定的容錯和錯誤掩蓋措施。最新的3GPP/3GPP2標準要求3G終端支持H.264/AVC視頻編解碼技術(shù)，同時(shí)由于硬件的限制，3G終端只支持部分H.264/AVC的容錯工具。H.264中雖然提供了一些容錯工具，但是它們有各自不同的用途和目的，即在不同的場(chǎng)合需要選擇不同的組合來(lái)使用。
1.1 錯誤隱藏技術(shù) 由于錯誤隱藏技術(shù)能夠利用接收到的數據來(lái)恢復丟失的數據，因此一般都應用在解碼器端。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，解碼器的這種能力尤其重要，因為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中誤碼率高，很多RTP包在傳輸中被網(wǎng)關(guān)或者路由器丟棄，而這些丟失的數據又必須在解碼器端根據空間和時(shí)間上的相關(guān)性來(lái)恢復。錯誤隱藏技術(shù)的實(shí)現方法也很多，在JVT參考軟件中，就使用了一種空間相關(guān)性的方法，即使用被丟失宏塊周?chē)?個(gè)宏塊來(lái)恢復被丟失的數據，其選用的標準是使恢復后邊緣數據的SAD(sum ofabsolute difference)差最小。這種方法的效果雖不是最好，但是計算簡(jiǎn)單有效。
1.2 2Slice結構 為了滿(mǎn)足MTU大小的要求，在3G網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸中對視頻進(jìn)行分片壓縮顯得尤其重要。經(jīng)過(guò)分片壓縮后的視頻中每個(gè)RTP包中包含一個(gè)片，一般每個(gè)slice中包含一個(gè)或者幾個(gè)宏塊，并以RTP包的大小滿(mǎn)足MTU的要求為準。
1.3 幀內編碼塊刷新 由于幀內編碼不依賴(lài)時(shí)間上相鄰幀的數據，所以幀內編碼塊能有效地阻止由于包丟失甚至幀丟失而引起的錯誤傳播。對于對話(huà)式視頻業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，由于實(shí)時(shí)性要求高，而且I幀刷新的頻率較低，因此可以用幀內編碼塊來(lái)部分代替I幀的作用。H.264／AVC提供了兩種幀內編碼塊刷新(intrablockrefreshing)模式；其中，一種是隨機模式，即用戶(hù)可以選擇幀內編碼塊的數目，而由編碼器隨機決定哪些哪些位置上的宏塊實(shí)行幀內編碼；另一種是行刷新模式，即編碼器在圖像中依次選擇一行進(jìn)行幀內編碼，但圖像分辨率大小不同，每次需要幀內編碼塊的數目也不同，例如在QCIF格式圖像中，每次需要選擇一行，即11個(gè)宏塊進(jìn)行幀內編碼，而在CIF格式圖像中，這個(gè)數字變成22。
1.4 參數集(Parameter Sets) H.264標準中，取消了序列層和圖像層，將原本屬于序列和圖像頭部的大部分句法元素分離出來(lái)形成序列參數集SPS(Sequence Parameter Set)和圖像參數集PPS(Picture Parame2ter Set)。序列參數集包括了與一個(gè)圖像序列有關(guān)的所有信息，如編碼所用的檔次和級別、圖像大小等，應用于視頻序列。圖像參數集包含了屬于一個(gè)圖像的所有片的信息，如嫡編碼方法、FMO，宏塊到片組的映射方式等，應用視頻序列中的一個(gè)或多個(gè)獨立的圖像。多個(gè)不同序列參數集和圖像參數集被解碼器正確接收后，被存儲于不同的己編碼位置，解碼器依據每個(gè)己編碼片的片頭的存儲位置選擇合適的圖像參數集來(lái)使用。
1.5 冗余片(Redundant Slice) H.264編碼器除了對片內的宏塊進(jìn)行一次編碼外，還可以采用不同的編碼參數對同一個(gè)宏塊進(jìn)行一次或多次編碼，生成冗余片，冗余片的信息也被編碼進(jìn)同一個(gè)視頻流中。解碼器在能夠使用主片的情況下會(huì )拋棄冗余片，反之如果主片丟失，也可以通過(guò)冗余片來(lái)重構質(zhì)量。
1.6 靈活的宏塊排序(FMO) FMO技術(shù)通過(guò)片組(slicegroup)技術(shù)來(lái)實(shí)現。片組是由一個(gè)或者多個(gè)片組成，而每個(gè)片中通常包括一系列的宏塊。采用FMO進(jìn)行視頻編碼的好處在于，可以使因信道傳輸而引起的錯誤分散。具體實(shí)施方法是:幀圖中的宏塊可以組成一個(gè)或幾個(gè)片組
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