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(shù)在傳輸過程中由于物理信道的的損傷會(huì)引入噪聲，本文通過糾錯(cuò)控制機(jī)制提高H.264編解碼的適應(yīng)性。本方法適合在空間信道不穩(wěn)定、碼流易丟易錯(cuò)的情況下使用，便于硬件實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：H.264;加解擾;碼流控制;BPM算法

中圖分類號(hào)：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0062-02

0 引言

圖像因?yàn)橹庇^生動(dòng)作為最常見的信息傳輸方式和表現(xiàn)形式，能提供比其它形式數(shù)據(jù)更多的信息，在航天系統(tǒng)中也必不可少。在航天應(yīng)用中，由于空間環(huán)境造成無線信道的不穩(wěn)定性，在傳輸圖像數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)因?yàn)樾诺罁p傷導(dǎo)致比特流數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失，引入很多的噪聲，從而導(dǎo)致傳輸視頻時(shí)發(fā)生誤碼、丟包以及延遲等現(xiàn)象，無法滿足衛(wèi)星等高可靠性產(chǎn)品的要求。而航天產(chǎn)品需要面對(duì)惡劣的空間環(huán)境，因而在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮非可靠信道下的圖像編解碼問題。

因?yàn)橄袼財(cái)?shù)據(jù)間的相關(guān)性，圖像壓縮具有可行性。H.264視頻壓縮技術(shù)作為新一代視頻壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)，具有目前視頻標(biāo)準(zhǔn)中最好的壓縮效率。為適應(yīng)運(yùn)載火箭的信道特點(diǎn)、追求更好的壓縮性能，本文在H.264編解碼的基礎(chǔ)上改進(jìn)，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)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(shù)字通信中的數(shù)據(jù)中免不了有長串的連“0”和連“1”，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流中有相當(dāng)大的低頻成分的能量，并且不利于解碼時(shí)數(shù)據(jù)流中時(shí)鐘信號(hào)的提取。加擾是對(duì)對(duì)信號(hào)碼元作有規(guī)律的隨機(jī)化處理，它可以減少連“0”或連“1”長度，保證接收機(jī)能提取到位定時(shí)信號(hào)，使加擾后的信號(hào)頻譜更能適合基帶傳輸。它的原理是以能產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的線形反饋移位寄存器理論為基礎(chǔ)。它以數(shù)據(jù)輸入和線性反饋輸出的模二加為加擾器的輸出，輸出由數(shù)據(jù)輸入和移位寄存器的狀態(tài)決定。這樣就改變了輸入數(shù)據(jù)的形式。本文使用一個(gè)10級(jí)移位寄存器構(gòu)成的加擾器，它的級(jí)聯(lián)多項(xiàng)式是一個(gè)本原多項(xiàng)式：

硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。對(duì)編碼后的碼流進(jìn)行加擾后，碼流中不再出現(xiàn)連“0”或連“1”的信號(hào)，保證接收機(jī)能提取到位定時(shí)信號(hào)，使加擾后的信號(hào)頻譜更能適合基帶傳輸。

1.2 解擾恢復(fù)碼流

解擾是加擾的逆過程，在接收端實(shí)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(jí)移位寄存器，所以解擾器用的也是10級(jí)移位寄存器。

2 幀率控制策略

2.1 幀率預(yù)測(cè)

在易失信道中，可能會(huì)發(fā)生丟包問題而造成圖像碼流傳輸中發(fā)生丟幀或誤幀引起視頻不連續(xù)的現(xiàn)象。為解決此問題，本文在解碼的同時(shí)，進(jìn)行幀率控制。根據(jù)幀計(jì)數(shù)判斷圖像的連續(xù)性，當(dāng)發(fā)生丟幀或誤幀的情況時(shí)，采用插值算法對(duì)丟失或錯(cuò)誤圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)，確保輸出圖像的連續(xù)性。

預(yù)測(cè)方法如下：

（1）首先判斷缺失的圖像幀數(shù)，當(dāng)連續(xù)缺失幀數(shù)大于5幀時(shí)，預(yù)測(cè)因?yàn)椴痪_變得沒有意義，則采用持續(xù)播放前一幀數(shù)據(jù)的策略。（2）當(dāng)連續(xù)缺失幀數(shù)小于等于5幀時(shí)，每25幀圖像分為一組，進(jìn)行一次預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)出的運(yùn)動(dòng)矢量將在下一組圖像中使用。假設(shè)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(jì)出的運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)缺失幀進(jìn)行預(yù)測(cè)，確保輸出圖像的連續(xù)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(tǒng)計(jì)當(dāng)前塊中各像素點(diǎn)灰度值的平均值，并將之與當(dāng)前塊和搜索窗口中像素點(diǎn)灰度值的大小相比較，將它們轉(zhuǎn)換成由0和1構(gòu)成的位平面（Bit Plane，BP），在位平面中進(jìn)行搜索匹配。

BPM算法通過計(jì)算當(dāng)前塊和待匹配塊對(duì)應(yīng)的2個(gè)位平面中不同元素的個(gè)數(shù)（NNMP）衡量兩者是否匹配，當(dāng)NNMP小于閾值Ta時(shí)，認(rèn)為兩者是匹配的，保留當(dāng)前塊，用于后面的處理;否則，認(rèn)為這2個(gè)塊是不可能匹配的。

式中，N表示塊的大小;Bblock（i，j）表示當(dāng)前塊對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jìn)行SAD計(jì)算，選取SAD最小的位置作為最佳匹配位置，計(jì)算運(yùn)動(dòng)矢量。每組25幀圖像求出的運(yùn)動(dòng)矢量求均值，作為下一組有缺失的圖像中使用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

下面是信道出現(xiàn)丟幀或誤幀時(shí)，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行的恢復(fù)圖像效果比較。原始H.264解碼器輸出圖像發(fā)生丟幀現(xiàn)象，出現(xiàn)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(duì)缺失的圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)圖像有效，減小了視頻流卡頓的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了提高圖像在空間信道傳輸?shù)目煽啃缘哪康摹?/p>

4 結(jié)語

本文通過加解擾和幀率控制來進(jìn)行糾錯(cuò)控制，提供了一種基于H.264圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的非可靠信道下的圖像編解碼方法，達(dá)到了提高數(shù)據(jù)可靠性的目的。適用于在信道不穩(wěn)定的情況下傳輸圖像，提高了運(yùn)載火箭圖像傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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