視頻通信技術(shù)的新發(fā)展

畢厚杰　李濤 2004/12/29

　　應(yīng)用現(xiàn)狀　　

　　近10年以來(lái)，視頻通信發(fā)展較快，業(yè)務(wù)范圍日漸擴(kuò)大，表現(xiàn)為以下幾方面。

　　1．視頻會(huì)議　　

　　利用視頻數(shù)字壓縮技術(shù)和傳輸技術(shù)，可使不同地點(diǎn)的人員猶如在一個(gè)會(huì)議室一樣召開(kāi)會(huì)議，節(jié)省了大量時(shí)間、費(fèi)用，特別在爭(zhēng)取時(shí)間、集思廣益作決策時(shí)更顯示其重要性。目前我國(guó)從中央到省、市以至縣都已大量應(yīng)用。

　　2．視頻電話　　

　　視頻電話原來(lái)也叫可視電話，除了面對(duì)面的通話功能外，現(xiàn)正發(fā)展成具有各種信息交互和任意切換功能的個(gè)人信息終端，可以進(jìn)行視頻通話，還可召開(kāi)多人發(fā)言的會(huì)議，支持多路視頻圖像，具有電子文檔共享，瀏覽網(wǎng)頁(yè)等功能。

　　3．遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和培訓(xùn)　　

　　由于技術(shù)、管理體制等不斷發(fā)展、更新，在職人員的培訓(xùn)、學(xué)習(xí)極其重要。目前，我國(guó)有的企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始利用視頻通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)職工進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)教育。國(guó)外非常重視這種遠(yuǎn)程培訓(xùn)，我國(guó)還需加強(qiáng)。

　　4．遠(yuǎn)程醫(yī)療　　

　　可利用視頻設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療，這對(duì)于我國(guó)農(nóng)村廣大地區(qū)醫(yī)療水平相對(duì)較低、農(nóng)民經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)不高的情況十分適宜，應(yīng)該大力推廣。

　　5．網(wǎng)上游戲　　

　　計(jì)算機(jī)游戲市場(chǎng)十分巨大，只要組織和引導(dǎo)得好，對(duì)寓教育于游戲、豐富年輕人的生活、培養(yǎng)下一代有十分重要的意義和價(jià)值，在我國(guó)需進(jìn)一步大力發(fā)展。

　　6．視頻點(diǎn)播　　

　　數(shù)字電視的發(fā)展已迫在眉睫，怎樣通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和視頻點(diǎn)播方式讓老百姓看到高質(zhì)量、低價(jià)格、內(nèi)容豐富健康的數(shù)字影片已是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

　　視頻壓縮技術(shù)

　　1．多編碼模式的自適應(yīng)選擇　　

　　由于視頻信息的內(nèi)容千變?nèi)f化，很難用一種固定的模型進(jìn)行描述。有人為此進(jìn)行過(guò)大量的嘗試都失敗了，有人甚至認(rèn)為“視頻壓縮”不是一門科學(xué)。其實(shí)視頻信息的規(guī)律就是多變，一幅圖像內(nèi)容可能是平坦的，也可能是多細(xì)節(jié)的；可能是靜止的，也可能是運(yùn)動(dòng)的；而且同一幅圖像中各個(gè)部分可能又是極不相同的。針對(duì)這種復(fù)雜情況，為了保證壓縮質(zhì)量，唯一的辦法是把圖像分成許多大小不同的塊，對(duì)各個(gè)塊按不同內(nèi)容自適應(yīng)地采取不同的編碼模式。　　

　　在Ｈ．261，Ｈ．263，ＭＰＥＧ－1，ＭＰＥＧ－4中，把圖像分成8×8或16×16的方塊，然后對(duì)各個(gè)方塊視其內(nèi)容分成幀內(nèi)、幀間、跳幀等不同編碼模式。在Ｈ．264中，則更進(jìn)一步細(xì)化成4×4方塊，從而編碼模式更能適應(yīng)于內(nèi)容的變化，如幀間編碼用INTER表示，幀內(nèi)編碼用INTRA表示，跳幀用ＳＫＩＰ表示。　　

　　在Ｈ．264中采用了以下多種編碼模式�！　�

　�。�1）幀內(nèi)編碼　　

　　幀內(nèi)編碼有INTRA－4×4， INTRA－16×16，INTRA－ＰＣＭ，ＳＫＩＰ等。在幀內(nèi)編碼中，采用空間域的預(yù)測(cè)，INTRA－4×4中視內(nèi)容不同又可進(jìn)一步分成利用鄰近像素的垂直預(yù)測(cè)、水平預(yù)測(cè)等9種預(yù)測(cè)模式，INTRA－16×16則用于平坦區(qū)，INTRA－ＰＣＭ則采用直接傳送像素不進(jìn)行預(yù)測(cè)，以上共有12種不同編碼模式�！　�

　�。�2）幀間編碼　　

　　幀間編碼有INTER－16×16，INTER－16×8， INTER－8×16， INTER－8×8，還有INTER－8×8的子模式，即INTER－8×8， INTER－8×4 ，INTER－4×8，INTER－4×4等8種�！　�

　�。�3）幀編碼和場(chǎng)編碼自適應(yīng)方式選擇　　

　　對(duì)于運(yùn)動(dòng)量較小的，則幀編碼時(shí)鄰行之間空間相關(guān)性大，故采用幀編碼；對(duì)于運(yùn)動(dòng)量大的，則場(chǎng)編碼鄰行間的時(shí)間相關(guān)性大，故采用場(chǎng)編碼。由于一幀中有一部分內(nèi)容運(yùn)動(dòng)量大，有一部分內(nèi)容運(yùn)動(dòng)量小，則又可在幀編碼中進(jìn)一步分成圖像自適應(yīng)幀場(chǎng)（PAFF）和宏塊自適應(yīng)幀場(chǎng)（ＭＢＡＦＦ）等共三種模式�！　�

　　如此眾多的編碼模式，根據(jù)內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)狀況、細(xì)節(jié)等不同，采用自適應(yīng)選擇方式，視頻質(zhì)量顯然可提高，但計(jì)算量也很大。

　　2．多種預(yù)測(cè)精度　　

　　（1）1／4象素精度的預(yù)測(cè)　　

　　過(guò)去，只采用整像素或1／2像素的精度進(jìn)行預(yù)測(cè)，在Ｈ．264中可采用1／4像素精度進(jìn)行預(yù)測(cè)。眾所周知，預(yù)測(cè)精度越高，則壓縮比越高。Ｈ．264中曾建議用1／8像素精度預(yù)測(cè)，后來(lái)停止使用的原因是太高的精度使編碼復(fù)雜度增加，但壓縮比增加不多�！　�

　　（2）多參考幀選擇　　

　　過(guò)去，在Ｈ．261等標(biāo)準(zhǔn)中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)只選用前一幀作參考幀。為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度，Ｈ．264中可選用多至前后5幀的多參考幀（見(jiàn)圖1）。

3．熵編碼自適應(yīng)技術(shù)　　

　　視頻信息（或殘差信息）經(jīng)變換、量化后，利用熵編碼可進(jìn)一步壓縮碼率。以往在熵編碼時(shí)由于只采用一張固定的碼表，無(wú)法適應(yīng)視頻信息本身的統(tǒng)計(jì)特性，因此壓縮比不高�！　�

　　在Ｈ．264中采用了兩種自適應(yīng)的熵編碼：上下文自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼（ＣＡＶＬＣ）和上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼（ＣＡＢＡＣ），它們都利用待編碼視頻信息鄰近已編碼像素的統(tǒng)計(jì)特性，因而碼率壓縮比（編碼效率）進(jìn)一步提高，而后者編碼效率更高，但計(jì)算更復(fù)雜些。

　　．Ｒ－Ｄ優(yōu)化技術(shù)　　

　　由信息論可知，在一定失真Ｄ下，傳輸碼率有一個(gè)最小值Ｒ，這時(shí)，如傳送更低碼率，其失真必大于Ｄ，也就是說(shuō)Ｒ與Ｄ之間有一個(gè)優(yōu)化的問(wèn)題。我們的任務(wù)是在一定的傳輸碼率Ｒ的限制下要求失真最小，即視頻質(zhì)量最好（見(jiàn)圖2）。

　　仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題十分復(fù)雜，牽涉到視頻編碼中一系列問(wèn)題，首先是選擇編碼模式。如上所述，編碼模式的種類很多，隨著視頻內(nèi)容不同而不同。其次還有編碼參數(shù)的選擇，如多種量化節(jié)距（量化步長(zhǎng)）、多種變換方式（ＤＣＴ、小波變換……）、多種熵編碼方法等�！　�

　　最近發(fā)展了一種利用拉格蘭其的Ｒ－Ｄ優(yōu)化算法，其大體步驟如下（以幀間編碼為例）：　　

　　·找出以Ｒ－Ｄ優(yōu)化為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)矢量ｍｉ（這和以往的按當(dāng)前宏塊與參考宏塊之間誤差最小的目標(biāo)是不同的）；

　　其中，M為可能的編碼模式集合，其失真項(xiàng)為：

　　其中，ｓ，ｓ＇分別為當(dāng)前塊和參考?jí)K，Ａｉ，ｘ，ｙ分別為當(dāng)前塊及其中的像素值，λＭＯＴＩＯＮ為選擇運(yùn)動(dòng)矢量的拉格蘭其常數(shù)�！　�

　　上述公式，可選出Ｒ－Ｄ優(yōu)化時(shí)的運(yùn)動(dòng)矢量ｍｉ�！　�

　　·選擇編碼參數(shù)量化值Ｑ（在編碼模式已自適應(yīng)選擇時(shí)），利用拉格蘭其方法實(shí)現(xiàn)Ｒ一定條件下，失真Ｄ最小，具體說(shuō)是拉格蘭其代價(jià)函數(shù)ＪＭＯＤＥ最小。

　　·通過(guò)調(diào)整Ｑ值，計(jì)算出ＤＲＥＣ和RREC，最后得到ＪＭＯＤＥ最小值，于是得到Ｒ－Ｄ最優(yōu)時(shí)的Ｑ值�！　�

　　由以上可見(jiàn)，其計(jì)算量是相當(dāng)大的。

　　5．視頻信號(hào)的去方塊后處理　　

　　為了提高視頻質(zhì)量，從根本上說(shuō)，應(yīng)使接收者的人眼在視覺(jué)上享受到一種高質(zhì)量的圖像。因此，現(xiàn)在發(fā)展一種解碼環(huán)路的去方塊濾波器，它既能濾去由于編碼造成的人為的方塊效應(yīng)，又能保留原圖像中應(yīng)有的細(xì)節(jié)、邊緣等�！　�

　　綜上可見(jiàn)，目前的視頻壓縮編碼技術(shù)已有了重大進(jìn)展，在同樣碼率下，利用以上新的編碼技術(shù)，相對(duì)于Ｈ．263或ＭＰＥＧ－4可使碼率降低一半，或者說(shuō)同樣碼率下，峰值信噪比約有2 ｄＢ的提高，其代價(jià)是復(fù)雜度高（即計(jì)算量大）。由于高速DSP技術(shù)也有了重大進(jìn)展，這類復(fù)雜度的問(wèn)題應(yīng)該說(shuō)是可以解決的，當(dāng)然對(duì)其編碼方法的優(yōu)化仍有不少工作需做。

　�。桑泻蜔o(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的視頻傳輸技術(shù)

　　1．ＩＰ網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸　　

　　這里的ＩＰ網(wǎng)絡(luò)主要是公用的ＩＰ網(wǎng)，即INTERｎｅｔ網(wǎng)。由于網(wǎng)絡(luò)資源是共享的，當(dāng)流量突然增大時(shí)往往導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞和緩存的溢出，于是丟包、誤碼等很容易發(fā)生。除以往編碼標(biāo)準(zhǔn)中已有的多種圖像分割、幀內(nèi)片插入等防止誤碼擴(kuò)散外，Ｈ．264中還包括如下各項(xiàng)�！　�

　�。�1）參數(shù)組　　

　　序列參數(shù)組包括有關(guān)屬于該序列的圖像信息，而圖像參數(shù)組則包含所有屬于該圖像的所有條（ｓｌｉｃｅ）信息，它們都有不同的序列號(hào)位置，并放在每一編碼片的片頭上，由于有序號(hào)，這就可用來(lái)增強(qiáng)誤碼的恢復(fù)能力�！　�

　�。�2）靈活的宏塊排序（ＦＭＯ）　　

　�。疲停希ㄈ鐖D3）中一個(gè)圖像由6×4 ＭＢ組成，其中黑片和白片各屬不同的共兩個(gè)片，這種ＦＭＯ的宏塊組成方式，顯然可以提高抗誤碼能力。例如黑片丟失，即使黑片中所有宏塊全丟失，也可利用領(lǐng)域的相關(guān)性，采用掩蓋技術(shù)，由白片很容易得到近似的丟失的黑宏塊，人眼幾乎覺(jué)察不出已發(fā)生了丟包�！　�

　　（3）冗余片（ＲＳ）　　

　　編碼時(shí)在同一比特流中除基本信息（采用較低Ｑ值）外，還包括冗余信息（采用較高的Ｑ值），例如解碼時(shí)，如基本片丟失，還可重建冗余片，從而得到一個(gè)較“粗”的重建圖像�！　�

　　（4）網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層（ＮＡＬ）句法結(jié)構(gòu)　　

　�。危粒毯鸵酝鶚�(biāo)準(zhǔn)不同，在Ｈ．264中設(shè)置ＮＡＬ層，把一個(gè)數(shù)據(jù)包（采用ＲＴＰ／ＲＴＣＰ規(guī)程）放在一個(gè)ＮＡＬ單元中，它的句法結(jié)構(gòu)可適用于各種不同網(wǎng)絡(luò)，它的頭信息結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，全長(zhǎng)8 ｂｉｔ，其中Ｔ為類型，長(zhǎng)5 ｂｉｔ，包括32個(gè)不同類型的ＮＡＬ單元；Ｒ為2 ｂｉｔ，指示該ＮＡＬ單元的重要性，分四個(gè)等級(jí)，用于不同的誤碼保護(hù)；Ｆ為1 ｂｉｔ，指示該單元是否有誤碼（正常為0，誤碼為1）�？梢�(jiàn)ＮＡＬ的句法結(jié)構(gòu)充分考慮到不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的誤碼保護(hù)。

　　2．無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸　　

　�。�1）傳輸包和片都應(yīng)較短　　

　　不同誤碼格式和不同包長(zhǎng)其丟包率是不同的（見(jiàn)表1）。

　　傳輸包短些，則丟包率低些，包長(zhǎng)1 000 Ｂ時(shí)丟包率低于5％（見(jiàn)圖5）。帶有包的片也自然不宜長(zhǎng)，設(shè)片的目的是防止了誤碼擴(kuò)散，因?yàn)槠旧硎亲晕野模荒芾闷渌瑏?lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前片。　　

　�。�2）瞬時(shí)解碼更新（ＩＤＲ）　　

　　除了有規(guī)則的幀內(nèi)編碼插入以防止誤碼擴(kuò)散，還應(yīng)配有解碼的瞬時(shí)更新，以防預(yù)測(cè)誤碼的進(jìn)一步擴(kuò)散。　　

　�。�3）ＦＥＣ，ARQ及誤碼跟蹤的組合　　

　　前向糾錯(cuò)（ＦＥＣ）已廣泛地用于檢測(cè)和糾正誤碼，在Ｈ．261和Ｈ．263中，利用（511，493）的ＢＣＨ碼，可糾正每個(gè)包2 ｂｉｔ隨機(jī)誤碼，但不能糾正突發(fā)誤碼。幀交織可緩解這個(gè)問(wèn)題，但它會(huì)帶來(lái)一定時(shí)延，在實(shí)時(shí)視頻通信不宜采用ＦＥＣ。由于視頻流中各個(gè)符號(hào)在不同位置重要性不同，可利用ＦＥＣ對(duì)重要的符號(hào)進(jìn)行不等誤碼保護(hù)（ＶＥＰ）�！　�

　　自動(dòng)重復(fù)要求（ARQ）也是通信中已被廣泛應(yīng)用的糾錯(cuò)技術(shù)，它能有效地恢復(fù)丟失的包和糾正突發(fā)誤碼，但它需要有一個(gè)反饋信道，因此廣播電視中不能采用該技術(shù)。ARQ另一個(gè)問(wèn)題是環(huán)路時(shí)延較長(zhǎng)�！　�

　　誤碼跟蹤是另一種減少誤碼的方法，它利用從ARQ得到的丟包信息跟蹤解碼器性能，并采用幀內(nèi)方塊停止誤碼擴(kuò)散，但它需要容量較大的緩存器�！　�

　　把ＦＥＣ，ARQ和誤碼跟蹤等技術(shù)很好地組合起來(lái)，可獲得相當(dāng)好的抗誤碼效果�！　�

　�。�4）低時(shí)延的ARQ技術(shù)　　

　　如上所述，ARQ會(huì)引入較大時(shí)延，為此，某些文獻(xiàn)提出了一種無(wú)線環(huán)境下低時(shí)延的ARQ技術(shù)，即在基站設(shè)置一個(gè)視頻代理服務(wù)器，它可適用于Ｈ．261，Ｈ．263，ＭＰＥＧ－1，ＭＰＥＧ－2，ＭＰＥＧ－4以及Ｈ．264中。對(duì)“Ｆｏｒｅｍａｎ”視頻序列的實(shí)驗(yàn)表明，在隨機(jī)誤比特率10－3的惡劣環(huán)境下，利用該技術(shù)，亮度信號(hào)的ＰＳＮＲ僅降低 0．35 ｄＢ�！　�

　　無(wú)線視頻通信網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖6，時(shí)延ＴARQ見(jiàn)公式（8）：　

　　其中，ｐ為丟包率，Ｔ環(huán)為環(huán)路時(shí)延�！　�

　　如在基站設(shè)置ARQ代理服務(wù)器，則可大大減少ＴARQ。分析得到：

　　其中，Ｐω1，Ｐω2為無(wú)線鏈路的丟包率，Ｐｇ為有線鏈路的丟包率。Ｔω1ｎｅｔ，Ｔω2ｎｅｔ為無(wú)線傳輸時(shí)延，Ｔｇｎｅｔ為有線網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。

　　200 ｍｓ，又設(shè)無(wú)線環(huán)境下丟包率Ｐω1＝Ｐω2＝2×10－2，有線網(wǎng)絡(luò)丟包率Ｐｇ＝10－6，則設(shè)置ARQ視頻代理服務(wù)器平均時(shí)延ＴARQ2＝0．82 ｍｓ，而不設(shè)ARQ代理服務(wù)器，由公式（8）可得點(diǎn)到點(diǎn)的ＴARQ＝18ｍｓ�？梢�(jiàn)，不設(shè)和設(shè)代理服務(wù)器，其ＴARQ差22倍。當(dāng)然這是理想值。但可見(jiàn)，這種設(shè)ARQ代理服務(wù)器后時(shí)延大大減少確是不爭(zhēng)的事實(shí)，從而可在視頻實(shí)時(shí)通信中利用ARQ和FEC等。

復(fù)雜度估計(jì)　　

　　由上述視頻壓縮技術(shù)的新發(fā)展，可知視頻壓縮比和質(zhì)量都有了顯著提高，但其代價(jià)是計(jì)算量大，復(fù)雜度高。隨著DSP技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)了若干高速視頻處理芯片，如TI公司的DM642和ＥＱＡＴＯＲ公司的BSP－15等，其運(yùn)算能力均在4 000 ＭＩＰＳ以上，能滿足Ｈ．264等高速需求。當(dāng)然，優(yōu)化和改進(jìn)這些新編碼算法仍有不少工作要做。

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