基于EWF的H.264視頻流UEP傳輸方案

侯春萍，倪春亞，侯永宏

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

基于EWF的H.264視頻流UEP傳輸方案

侯春萍，倪春亞，侯永宏

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

為提高H.264碼流在無線傳輸中的魯棒性，提出了一種基于數(shù)據(jù)分割和擴(kuò)展窗噴泉(EWF)碼的H.264視頻的不等差錯(cuò)保護(hù)策略．通過 H.264數(shù)據(jù)分割獲取重要性不同的信息比特，采用 EWF碼對其進(jìn)行分窗，分別采用魯棒孤波度分布完成 LT編碼，實(shí)現(xiàn)不等差錯(cuò)保護(hù)．仿真結(jié)果表明，該算法具有較好的抗誤碼特性，可以提高重建圖像的峰值信噪比值，從而保證了視頻傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

LT碼；H.264；EWF；數(shù)據(jù)分割；不等差錯(cuò)保護(hù)

無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提高使得視頻傳輸正日益成為無線通信業(yè)務(wù)的核心．相比于以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264[1-2]視頻編碼技術(shù)通過精確的幀內(nèi)和幀間預(yù)測編碼，壓縮率更高，應(yīng)用范圍更廣．鑒于 H.264視頻碼流對信道誤碼敏感，為保證其可靠傳輸，典型方法是運(yùn)用前向糾錯(cuò)(forward error correction，F(xiàn)EC)技術(shù)，聯(lián)合信源和信道編碼，進(jìn)行誤碼控制．文獻(xiàn)[3-4]分別提出了基于 RS碼、LDPC碼的H.264視頻的不等差錯(cuò)保護(hù)(unequal error protection，UEP)可靠傳輸方法．但 RS碼、LDPC碼中各種碼率的碼字生成規(guī)則不同，在編譯碼端需要多種編譯碼器，增大了系統(tǒng)復(fù)雜度. 文獻(xiàn)[5]提出一種基于碼率兼容打孔 Turbo碼[5-6]的 CDMA系統(tǒng)中視頻傳輸?shù)挠行Х椒?，但打孔操作對Turbo碼字的性能影響較大，難以達(dá)到最佳綜合性能．

與傳統(tǒng)前向糾錯(cuò)碼相比，數(shù)字噴泉碼[7-8]在設(shè)計(jì)上更加簡單靈活，編碼的發(fā)送端可以由k個(gè)原始分組生成任意數(shù)量的編碼分組，接收端只要收到其中任意k(1+ε)個(gè)編碼分組(ε為譯碼開銷)，即可通過譯碼以高概率成功恢復(fù)全部原始分組，實(shí)現(xiàn)端到端的可靠傳輸；同時(shí) DFC的碼率不固定，能夠適應(yīng)時(shí)變信道，而且編譯碼均采用線性運(yùn)算，算法復(fù)雜度低．Luby[8]于2002年提出了第 1種高效的噴泉碼——LT碼；Shokrollahi[9]針對噴泉碼編譯碼耗時(shí)問題，提出了噴泉碼Raptor碼．同時(shí)，基于噴泉碼的UEP多種方案也被陸續(xù)提出，例如Nazanin Rahnavard等[10]提出了一種基于LT碼的UEP方案；Sejdinovic等[11]提出了一種擴(kuò)展窗噴泉(expending window fountain，EWF)碼，EWF碼在編譯碼端只需要一個(gè)編碼或譯碼器，也沒有打孔造成的性能損失，具有良好的不等保護(hù)性能．

本文結(jié)合H.264數(shù)據(jù)分割和EWF編譯碼技術(shù)，提出了一種 H.264視頻不等差錯(cuò)保護(hù)的可靠傳輸方案．通過數(shù)據(jù)分割，獲取 H.264碼流中重要性不同的信息比特，采用 EWF碼按數(shù)據(jù)的重要性進(jìn)行分窗，采用不同的魯棒孤波度分布[8]完成 LT編碼．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案提高了 H.264碼流的魯棒性，保證了傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

1 基于EWF的H.264視頻抗誤碼設(shè)計(jì)

1.1 H.264數(shù)據(jù)分割

H.264編碼器的網(wǎng)絡(luò)適配層(network abstraction layer，NAL)2種工作模式分別為分割(data partition，DP)模式和不分割(non-partition，NP)模式．在 DP模式中，H.264采用了以下3種不同的分割方式．

1) A型分割

A型分割實(shí)現(xiàn)頭信息的劃分，包括宏塊類型、量化參數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量等．在 H.264視頻中 A分割的信息是最重要的．

2)B型分割(幀內(nèi)分割)

B型分割實(shí)現(xiàn)幀內(nèi)信息的劃分，包括幀內(nèi)塊的編碼模式和幀內(nèi)相關(guān)系數(shù)．B分割有效的前提是已給分片的A分割有效．幀內(nèi)信息可以阻止錯(cuò)誤的傳播，它比幀間信息更有效．

3)C型分割(幀間分割)

C型分割實(shí)現(xiàn)幀間信息的劃分，包含幀間塊的編碼模式和幀間相關(guān)系數(shù)，通常是編碼的碼片中最大的一個(gè)分區(qū)．由于其在編碼或者解碼中無法提供同步信息，使其重要性最低．

鑒于 A型分割數(shù)據(jù)較 B、C型分割數(shù)據(jù)更為重要，本文將數(shù)據(jù)劃分為2個(gè)部分，即A型分割數(shù)據(jù)作為重要性最高的部分(most important bit，MIB)，B、C型分割數(shù)據(jù)作為重要性最低的部分(least important bit，LIB)，本系統(tǒng)使用EWF碼對MIB、LIB數(shù)據(jù)進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)．

1.2 EWF編碼

首先對 H.264視頻編碼得到的k個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，將MIB數(shù)據(jù)納入EWF碼的第1個(gè)窗1w，并將 MIB及 LIB數(shù)據(jù)納入第 2個(gè)窗2w．定義1Π為 MIB數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的比重，為LIB數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的比重，用多項(xiàng)式描述MIB、LIB占總數(shù)據(jù)比重的分布，用多項(xiàng)式 ()xΓ =描述1w、2w的選擇概率分布，其中1Γ為1w的選擇概率，2w的選擇概率分別采用度分布進(jìn)行LT編碼，整個(gè)EWF碼為，其編碼方式如圖1所示．

在 EWF編碼過程中，由于1Π、1Γ的取值不同，勢必對EWF碼的魯棒性能產(chǎn)生影響．本文采用與或樹(and-or tree)分析方法[10]，對EWF碼流進(jìn)行l(wèi)次迭代譯碼，則 MIB、LIB不能成功譯碼的概率,MIBly 、有

圖1 EWF編碼方式Fig.1 Encoded mode of EWF

文獻(xiàn)[11]中，第 2個(gè)窗的度分布是固定度分布[9]，即

然而可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用RΩ時(shí)，雖然對 MIB的數(shù)據(jù)加強(qiáng)了保護(hù)，但 LIB的誤碼率最小到10-3，大幅降低了LIB的抗誤碼性能．在視頻信息傳輸過程中，往往需要對視頻的所有信息都加強(qiáng)保護(hù)．

針對文獻(xiàn)[11]對LIB抗誤碼性能太差的問題，本文提出對第 2個(gè)窗選用魯棒孤波度分布，在保證對MIB的加強(qiáng)保護(hù)的同時(shí)，提高LIB的抗誤碼特性．

設(shè)信源符號 K=5,000，MIB=500，LIB=4,500，選用魯棒孤波度分布Ωrs(500,0.03,0.5),分別選用和Ωrs(5000,0.03,0.5)，仿真 10,000次，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)．

圖2 漸進(jìn)分析EWF的BERFig.2 Asymptotic analysis of EWF code′s BER

圖3 改變ε漸進(jìn)分析EWF的BERFig.3 Asymptotic analysis of EWF code′s BER vsε

圖4 改變ε仿真分析EWF的BERFig.4 Analysis of EWF code′s BER vs ε

1.3 系統(tǒng)介紹

本文提出的基于EWF碼的H.264視頻傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示．首先，輸入視頻流經(jīng)過H.264編碼器編碼，對編碼的碼流按照H.264的數(shù)據(jù)分割方法獲得重要性不同的A、B、C 3種RTP碼流．然后，采用EWF進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼，分別采用魯棒孤波度分布對1w和2w進(jìn)行LT編碼，完成分割碼流的不均等差錯(cuò)保護(hù)，并調(diào)制成 BPSK 信號在加性高斯白噪聲(additive white Gaussion noise，AWGN)信道上傳輸；在接收端，對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行 BPSK解調(diào)及相應(yīng)的EWF解碼，將還原的A、B、C碼流送至 H.264解碼器中進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)視頻重建及質(zhì)量評價(jià)．

圖5 基于EWF的H.264視頻傳輸系統(tǒng)Fig.5 H.264 video transmission system based on EWF

2 仿真實(shí)驗(yàn)

使用 Qcif格式的foreman視頻測試序列，序列長度為300幀，幀率為30,幀/s，采用JM15.1軟件，量化參數(shù)為28，采用IPPP幀結(jié)構(gòu)，GOP為16，最大的運(yùn)動(dòng)搜索范圍為±32個(gè)像素點(diǎn)，碼率為45,kb/s，以一個(gè) GOP作為 EWF編碼單元，經(jīng)數(shù)據(jù)分割得到總數(shù)據(jù) 9,764個(gè)字節(jié)，A、B、C分割字節(jié)數(shù)分別為 4,780、202和 4,782，MIB字節(jié)數(shù)為 4,780，LIB字節(jié)數(shù)為4,984，則采用 EWF碼為進(jìn)行信道編碼，可接受的 ε∈ (0,1)，令 Ω(1)為魯棒孤波度分布Ωrs( 2500,0.03,0.5)[8]，采用Ωrs(5,000， 0.03，0.5)．

然后，本文針對加性高斯白噪聲的無線信道環(huán)境，設(shè)計(jì)如下4組實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)1 (EWF-UEP) 對編碼得到的A、B、C數(shù)據(jù)進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)，選取采用EWF碼為進(jìn)行信道編碼．

實(shí)驗(yàn) 2 (LDPC-UEP) 將文獻(xiàn)[4]所提出的基于LDPC-UEP算法作為對比實(shí)驗(yàn)，對A、B碼流保護(hù)級別最高，采用輸出碼率為0.33的LDPC編碼．C碼流則采用碼率為0.75的LDPC編碼．

實(shí)驗(yàn) 3 (LDPC-EEP) 將文獻(xiàn)[4]所提出的基于LDPC-EEP算法作為對比實(shí)驗(yàn)，采用碼率為 1/2的LDPC碼對 A、B、C分割數(shù)據(jù)進(jìn)行重要性相同的保護(hù)．

實(shí)驗(yàn) 4 (Turbo-EEP) 采用碼率為 1/2的二維Turbo碼進(jìn)行信道編碼，迭代次數(shù)為 4，刪余矩陣為g=[111，101]，解碼方法為log-MAP，對A、B、C分割數(shù)據(jù)進(jìn)行重要性相同的保護(hù)．

表1、圖6和圖7分別反映了4組實(shí)驗(yàn)在不同信噪比下的誤碼率和重建的視頻序列 Y分量 PSNR值的變化情況．在實(shí)驗(yàn) 1中，對于同一，MIB的BER明顯小于LIB的BER，因?yàn)镸IB更多地參與了 LT編碼，成功譯碼的概率相應(yīng)增加，使得 LIB成功譯碼的概率相對減小，從而很好地實(shí)現(xiàn)了對不同重要性數(shù)據(jù)的不等差錯(cuò)保護(hù)；相比于實(shí)驗(yàn)2的仿真結(jié)果，EWF的UEP特性要明顯強(qiáng)于文獻(xiàn)[4]的 LDPC；相比于實(shí)驗(yàn) 3和實(shí)驗(yàn) 4的仿真結(jié)果，在同一時(shí)，采用 EWF算法進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)的誤碼率相對較低，時(shí)，MIB的誤碼率已為 0，有效地對A分割即頭信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)．圖7中，實(shí)驗(yàn)1重建視頻的Y分量的PSNR值也明顯高于實(shí)驗(yàn)2～實(shí)驗(yàn)4．

表1 EWF-UEP、LDPC-UEP、LDPC-EEP及Turbo-EEP 的BER比較Tab.1 Comparison of BER among EWF-UEP，LDPC-UEP，LDPC-EEP and Turbo-EEP

圖6 4種算法的BER比較Fig.6 BER comparison of four kinds of algorithm

圖7 4種算法重建視頻的Y-PSNR比較Fig.7 Comparison of reconstructed images′ Y-PSNR of four kinds of algorithm

3 結(jié) 語

針對 H.264碼流在無線傳輸中魯棒性較弱的問題，提出了一種基于數(shù)據(jù)分割和 EWF碼的不均等差錯(cuò)保護(hù)策略，使用 EWF碼對重要性不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行分窗，采用魯棒孤波度分布及輸出節(jié)點(diǎn)度分布進(jìn)行LT編碼，實(shí)現(xiàn)對H.264碼流的不等差錯(cuò)保護(hù)．仿真實(shí)驗(yàn)證明了所提方案能夠有效地對重要的數(shù)據(jù)給以更強(qiáng)的保護(hù)，從而降低了AWGN信道誤碼的影響，并改善了視頻傳輸質(zhì)量．同時(shí)，本文算法復(fù)雜度低且碼率不固定，適用于無線時(shí)變信道中的視頻傳輸．

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Unequal Error Protection Transmission Scheme for H.264 Video Streams Based on EWF

HOU Chun-ping，NI Chun-ya，HOU Yong-hong
(School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to improve the robustness of H.264 coded video streams over wireless channel，an unequal error protection scheme was proposed on the basis of data partition and expanding window fountain(EWF)codes. Through H.264 data partitioning，differently important information bits were obtained and divided into different windows by using EWF codes. LT coding was completed with robust soliton distribution to implement the unequal error protection. Simulation results showed that the coding algorithm had excellent error-robustness and improved the peak signal-tonoise ratio(PSNR)of reconstructed images，thus ensured the reliable transmission of video over wireless channel.

LT code；H.264；expending window fountain；data partition；unequal error protection

TN919.85

A

0493-2137(2012)04-0309-05

2011-05-28；

2011-09-01.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2009AA011507，2009AA01A336)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60932007)；國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2009ZX03004-006).

侯春萍（1957— ），女，教授，博士，hcp@tju.edu.cn．

侯永宏，houroy @tju.edu.cn.