視頻碼流的數(shù)值比特位劃分

周 菡，于文斌

(1.中國電信陜西公司信息技術(shù)支撐中心，陜西，西安 710071;2.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，陜西，西安 710071)

1967年Masnick等人［1］提出不等差錯保護(hù)(UEP:Unequal Error Protection)的概念，不等差錯保護(hù)作為一種業(yè)務(wù)可靠傳輸技術(shù)得到了深入的研究。不等差錯保護(hù)的目的在于對業(yè)務(wù)中的重要信息進(jìn)行高優(yōu)先級的保護(hù)，使之具有較高的誤碼恢復(fù)能力，最終獲得較好的業(yè)務(wù)恢復(fù)效果。不等差錯保護(hù)在視頻、語音、圖像等業(yè)務(wù)的傳輸中有著廣泛應(yīng)用［2－3，7］。

以視頻業(yè)務(wù)信息的傳輸為例，在視頻比特流中的各部分有著不同的重要性，某些比特對錯誤的抵抗能力比其它比特要差，從而需要對信號的不同部分給予不同等級的保護(hù)。在網(wǎng)絡(luò)資源有限情況下，根據(jù)業(yè)務(wù)碼流中不同部分的重要性不同，采用不同的信道保護(hù)機(jī)制，從而獲得可用視頻或圖像業(yè)務(wù)。目前不等差錯保護(hù)策略主要有兩個研究方向:一是研究如何對信源編碼端數(shù)據(jù)進(jìn)行等級劃分;二是對等級劃分后的數(shù)據(jù)采用怎樣的不等編碼保護(hù)問題。而這其中對業(yè)務(wù)碼流信息中的各個部分重要性的分析和劃分顯得尤為重要，碼流信息按重要性劃分為接下來的不平等差錯編碼保護(hù)提供了可能。對 MPEG －2［4－5］碼流信息的不等差錯保護(hù)也引起了廣泛關(guān)注。

文中對MPEG－2視頻碼流信息的重要性劃分方式進(jìn)行研究，提出了一種基于數(shù)值比特高低位的視頻碼流劃分方式。經(jīng)仿真表明，基于數(shù)值比特高低位的視頻碼流劃分方式相比層次劃分及傳統(tǒng)圖像幀劃分方式，經(jīng)不等差錯保護(hù)后有更好的視頻恢復(fù)效果。

1 數(shù)值比特位劃分

視頻碼流中變長碼DCT系數(shù)的高低比特位對重建視頻的貢獻(xiàn)度不同，由于變長碼DCT系數(shù)占視頻碼流信息的大部分，因此對視頻碼流的劃分很大程度上是對DCT系數(shù)的劃分。結(jié)合不同圖像幀，及幀內(nèi)變長碼DCT系數(shù)的不同比特位置，分別將I幀，P幀，B幀圖像的變長碼DCT系數(shù)的按照比特位的高低分為兩類，得到6組不同的數(shù)據(jù)信息:I幀DCT系數(shù)高位比特(Bit1～Bit4);I幀 DCT系數(shù)低位比特(Bit5～Bitend);P幀DCT系數(shù)高位比特;P幀DCT系數(shù)低位比特;B幀DCT系數(shù)高位比特;B幀DCT系數(shù)低位比特。在不同誤碼率情況下，分別對這6組信息引入隨機(jī)錯誤，計算重建視頻圖像的平均PSNR值，計算結(jié)果如表1所示。

表1 各類圖像幀不同比特位出錯重建視頻圖像PSNR均值/dB

根據(jù)上述幾類信息出錯時重建視頻圖像的PSNR均值，以達(dá)到視頻等級4，圖像效果為可覺察不討厭(PSNR=33～38 dB)為準(zhǔn)，將占視頻大部分的變長碼DCT系數(shù)進(jìn)行歸類。I幀 DCT系數(shù)的高位比特(Bit1～Bit4)最為重要;I幀 DCT系數(shù)的低位比特(Bit5～Bit－end)和P幀DCT系數(shù)的高位比特視頻恢復(fù)效果接近，作為第二類;P幀DCT系數(shù)的低位比特和B幀DCT系數(shù)的高位比特視頻恢復(fù)效果接近，作為第三類;B幀DCT系數(shù)的低位比特對誤碼要求最低將其歸為最低一類。

由于DCT系數(shù)占到視頻序列信息的大部分，對于視頻序列中的其他類型的信息，在進(jìn)行等級分配時以按DCT比特劃分的4個重要性等級為準(zhǔn)。

在視頻碼流中，除了DCT系數(shù)之外，其他數(shù)據(jù)類型主要包括:頭信息，控制信息及運(yùn)動向量。其中頭信息和控制信息在視頻序列中所占比例較小，但起著重要作用，為視頻編解碼提供所需的一些重要參數(shù)及同步信息。這類信息需要予以重點(diǎn)保護(hù)，將該類信息劃分到上面的I幀高位比特所處等級中。運(yùn)動向量也是可變長編碼，但運(yùn)動向量較分散，涉及數(shù)據(jù)量較小，為減小劃分復(fù)雜度起見，對該類信息以整體進(jìn)行測試而不區(qū)分比特高低位。

運(yùn)動向量存在于P幀圖像及B幀圖像中。在不同信道誤碼率時，分別對P幀及B幀圖像中的運(yùn)動向量引入隨機(jī)錯誤，計算出錯后重建視頻圖像的平均PSNR值，如表2所示。

表2 運(yùn)動向量出錯后重建視頻圖像PSNR均值/dB

通過對比上表中計算所得的PSNR均值，對P幀來說，運(yùn)動向量出錯對重建視頻所造成的影響要小于P幀DCT系數(shù)中的低位比特出錯對視頻重建所造成的影響，按重要性將P幀的運(yùn)動向量劃分到第三類信息中。B幀的運(yùn)動向量出錯所造成影響要小于B幀DCT系數(shù)的高位比特，而接近B幀DCT系數(shù)中的低位比特，將B幀的運(yùn)動向量劃分到B幀DCT系數(shù)低位比特所在等級，即第四類中。

通過上面的分析驗(yàn)證，基于DCT數(shù)值比特高低位的劃分方式最終將視頻碼流劃分為4個不同重要性的等級，各個等級內(nèi)容如下:

第一類:頭信息，I幀宏塊參數(shù)，I幀DC系數(shù)，I幀變長碼DCT系數(shù)的Bit1～Bit4;

第二類:I幀變長碼DCT系數(shù)的Bit5～Bit－end，P幀宏塊參數(shù)，P幀DC系數(shù)，P幀變長碼DCT系數(shù)的Bit1～Bit4;

第三類:P幀變長碼DCT系數(shù)的Bit5～Bit－end，P幀運(yùn)動向量，B幀宏塊參數(shù)，B幀DC系數(shù)，B幀變長碼DCT系數(shù)的Bit1～Bit4;

第四類:B幀變長碼DCT系數(shù)的Bit5～Bit－end，B幀運(yùn)動向量，零填充數(shù)據(jù)。

測試樣本按照數(shù)值比特高低位方式進(jìn)行劃分，得到的各類信息所占比例分別為 0.171 3，0.233 8，0.388 0和0.206 9。

按照上述分析，根據(jù)視頻碼流信息對于重建視頻所起作用的不同，最終將視頻碼流劃分為4個不同的等級。視頻信息流的劃分示意圖如圖4所示，圖中的“H”表示圖像及Slice層的頭信息，需要重點(diǎn)保護(hù)，歸類到第一類信息中。

圖1 視頻碼流數(shù)值比特高低位劃分示意圖

按提出的數(shù)值比特高低位結(jié)合I，P，B圖像幀的碼流劃分方式將視頻碼流進(jìn)行劃分，劃分得到的4類不同重要性的信息。在不同信道誤碼率情況下，對劃分所得4類信息分別引入隨機(jī)錯誤，計算重建視頻圖像的平均PSNR值。在不同誤碼時，對應(yīng)的重建視頻圖像的PSRN均值曲線如下圖2所示。

通過圖2中的各類信息出錯后重建視頻圖像的平均PSNR均值曲線可以得知，按照DCT系數(shù)比特高低位及圖像幀相結(jié)合的劃分方式所得到的4類信息，在不同誤碼時的重建視頻圖像效果有明顯的差別。根據(jù)不同PSNR區(qū)間所體現(xiàn)的視頻等級，以達(dá)到視頻等級4(PSNR=33～38 dB)，重建視頻圖像效果為可覺察不討厭為準(zhǔn):第一類信息到達(dá)要求時誤碼率約在1×10－5;第二類信息所需誤碼率約在5×10－5;第三類信息所需誤碼率約為2×10－4;最后一類的誤碼率要求約為1×10－3。到達(dá)相同的視頻效果所需的誤碼率要求存在差異。

圖2 不同類信息出錯重建圖像PSNR均值曲線

2 數(shù)值比特位劃分的不平等差錯保護(hù)

按照數(shù)值比特高低位的劃分方式將視頻信息劃分為4類，對不同類信息進(jìn)行不等差錯保護(hù)的碼流傳輸仿真測試。在高斯白噪聲信道下，信道編碼分組長度為1 504 bit，根據(jù)劃分所得的各類視頻數(shù)據(jù)所占的比例{0.171 3，0.233 8，0.388 0，0.206 9}，將信道編碼分組長度劃分為4種不同的長度，用于不同重要性信息的傳輸;設(shè)置信道編碼器中不同重要性信息的重復(fù)次數(shù)分別為:Rep1=7，Rep2=6，Rep3=5，Rep4=4;信道編碼碼率為0.527 3。對4類不同重要性的信息進(jìn)行不等差錯編譯碼保護(hù)，圖3為4類信息所體現(xiàn)的誤碼性能曲線。

圖3 數(shù)值比特高低位劃分方式的不等差錯編碼誤碼曲線

4類等級信息在不同信噪比時所呈現(xiàn)的誤碼性能，即為在實(shí)際信道傳輸時視頻碼流的不等差錯保護(hù)傳輸所體現(xiàn)的誤碼性能。在不同信噪比時，按照數(shù)值比特高低位劃分方式得到的各類信息經(jīng)信道不等差錯保護(hù)傳輸之后，重建視頻圖像的PSNR均值如表3所示。

表3 數(shù)值比特高低位UEP重建視頻圖像PSNR均值/dB

通過表3計算所得的重建視頻圖像的平均PSNR值可知，采用數(shù)值比特高低位的劃分方式進(jìn)行劃分，對分類信息做不等差錯保護(hù)所得到重建視頻圖像的PSNR均值，要高于不分類情況下均等差錯保護(hù)的重建視頻圖像PSNR均值，且高于按傳統(tǒng)圖像幀進(jìn)行碼流劃分，進(jìn)行不等差錯保護(hù)時的重建視頻圖像的PSNR均值。在信噪比為2.6 dB時，數(shù)值比特高低位劃分方式的重建視頻圖像的PSNR均值相比不分類情況約有10 dB的提高，較傳統(tǒng)的基于圖像幀的視頻碼流劃分方式也有約5 dB提高。

3 結(jié)束語

提出一種基于數(shù)值比特高低位的視頻碼流劃分方式。根據(jù)視頻碼流中不同位置信息重要性的不同，對視頻序列進(jìn)行歸類，對劃分所得的各類信息進(jìn)行不等差錯保護(hù)。通過對碼流信息中不同位置對視頻重建所起作用的分析，根據(jù)數(shù)值比特高低位作用不同，結(jié)合不同圖像幀所提出的視頻碼流劃分方式，在給定的仿真條件下，經(jīng)仿真驗(yàn)證表明，經(jīng)不等差錯編碼保護(hù)后，重建視頻效果相比不分類進(jìn)行均等差錯編碼保護(hù)的恢復(fù)效果有明顯提高，且效果優(yōu)于按傳統(tǒng)圖像幀劃分經(jīng)不等差錯保護(hù)的重建視頻恢復(fù)效果。

［1］HUYNH －THU Q，GHANBARI M.Scope of validity of PSNR in image/video quality assessment［J］.Electronics Letters，2008，44(13):800 －801.

［2］李虓江.信道自適應(yīng)UEP技術(shù)在H.264視頻通信系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2004(3):4－7.

［3］陳東俠.UEP在基于SPHIT圖像傳輸?shù)穆?lián)合編碼中的應(yīng)用［J］.福建電腦，2009(12):3－4.

［4］CHIARIGLIONE L.MPEG and multimedia communications［J］.IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，1997，7(1):5 －18.

［5］HASKELL B.Image and video coding － emerging standards and beyond ［J］.IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，1998，8(7):814 －837.

［6］佟雨兵，張其善，祁云平.基于PSNR與SSIM聯(lián)合的圖像質(zhì)量評價模型［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2006(12):1758－1763.

［7］陳孫陽，陳穎琪，王慈.視頻傳輸不等差錯保護(hù)方案設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2010(6):87 －89，105.