HEVC在乘客信息系統(tǒng)中的應用研究

趙俁鈞，安曉峰，孫同慶，汪曉臣

（1.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081；2.中國聯(lián)合網絡通信有限公司 山東分公司，濟南 250001）

作為城市軌道交通領域里新興的系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)依托現(xiàn)代成熟可靠的網絡技術、多媒體技術和圖像顯示等技術，向城市軌道交通乘客傳遞有關信息（如列車到發(fā)、首末班車時刻表、運營公告信息、出行引導等信息）。乘客信息系統(tǒng)不僅是乘客乘車出行引導的信息服務系統(tǒng)，而且是城市軌道交通的重要窗口。

目前乘客信息系統(tǒng)中視頻流行的壓縮格式主要有H.264和MPEG-2，存在著網絡資源占用相對較多等局限性。而HEVC作為最新的壓縮格式，具有更高壓縮比和更低帶寬需求等特點，因此必將受到乘客信息系統(tǒng)廠商的重視。

本文簡要介紹乘客信息系統(tǒng)及其視頻壓縮技術，通過比較HEVC在H.264基礎上做出的改革，以乘客信息系統(tǒng)對H.264視頻流的處理模式為參考，提出了對HEVC高清視頻流在無線網絡里傳輸?shù)慕鉀Q方案。

1 乘客信息系統(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)（PIS）是城市軌道交通的重要組成部分，它依托多媒體網絡技術，以計算機系統(tǒng)為核心，以車站、車載LED屏和LCD屏等顯示終端為媒介向乘客提供相關信息的服務。該系統(tǒng)主要運營中以向乘客提供列車到發(fā)、首末班車時刻表、運營公告、出行引導等信息，同時肩負向乘客提供出行參考、賽事直播、媒體新聞、廣告等實時動態(tài)的多媒體信息的責任。PIS由線網播控中心、線路控制中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、網絡子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)組成。

2 乘客信息系統(tǒng)中的主要壓縮技術

MPEG-2壓縮技術是在乘客信息系統(tǒng)中使用最為成熟的壓縮技術，其工作原理主要利用了圖像中的兩種特性：空間相關性和時間相關性。一幀圖像內的任何一個場景都是由像素點構成的，因此相鄰像素之間在亮度和色度上必然存在一定的關系，這種關系就是空間相關性；一段視頻中某一場景一般都是有若干幀連續(xù)圖像排列成圖像序列形成的，圖像序列中前后幀圖像之間必然也存在一定的關系，這種關系就是時間相關性。由于這兩種相關性的存在，圖像中勢必存在大量的在傳輸當中多余的冗余信息。MPEG-2壓縮技術就是能將這些冗余信息去除，只保留少量非相關信息進行傳輸，從而節(jié)省傳輸頻帶。MPEG-2解碼端利用這些非相關信息，按照提前約定好的解碼算法，恢復原始圖像，同時還可以保證一定的圖像質量。

目前，在乘客信息系統(tǒng)中應用最廣泛的視頻壓縮技術應該就是H.264/AVC（Advanced Video Coding/AVC）進階視頻編碼，該技術能夠提供更高的視頻壓縮比和穩(wěn)定性。

H.264/AVC 相對以前的編碼方法，以MPEG-2 為例，在圖像內容預測方面提高編碼效率，改善圖像質量的主要特點如下：（1）可變塊大小運動補償；（2）1/4 采樣精度運動補償；（3）運動矢量可跨越圖像邊界；（4）多參考圖像運動補償；（5）消除參考圖像順序和顯示圖像順序的相關性；（6）消除參考圖像與圖像表示方法的限制加權預測；（7）改善“跳過”和“直接”運動推測；（8）幀內編碼直接空間預測；（9）循環(huán)去塊效應濾波器；

H.264/AVC 除改善預測方法外，其他改善編碼效率的特性如下：（1）小塊變換；（2）分級塊變換；（3）短字長變換；（4）完全匹配反變換；（5）基于上下文的熵編碼。

H.264/AVC 具有強大的糾錯功能和各種網絡環(huán)境操作靈活性，主要特性如下：（1）參數(shù)集結構 ；（2）NAL 單元語法結構；（3）靈活的像條大小 ；（4）靈活宏塊排序（FMO）；（5）任意像條排序 ；（6）冗余圖像；（7）數(shù)據劃分。

3 HEVC技術優(yōu)勢

作為在H.264基礎上發(fā)展起來的新一代視頻編碼標準，HEVC仍然使用預測加變換的混合編碼框架。不過，相對于前身H.264，HEVC 在很多方面有了很多突破。HEVC新技術特點如下。

3.1 更為靈活的編碼結構

在HEVC中，將宏塊的大小從H.264的16×16擴展到了64×64，在數(shù)量級上提高了16倍，從而實現(xiàn)更高分辨率視頻的壓縮。同時，為提高編碼效率HEVC采用了更加靈活的編碼結構，包括編碼（Coding）、預測（Predict）和變換（Transform）3種不同功能單元。如圖1所示。

圖1 3種不同功能單元示意圖

其中，編碼單元（PU）與H.264中的宏塊相類似，以其為單位進行視頻壓縮；預測單元從H.264的亞像素預測、加權預測和幀內預測基礎上獨立出來，是進行預測的基本單位；變換單元是進行各種變換（如二級變換和整型變換等）和量化的基本單位。這3個單元的分離和獨立，使得編碼、預測和變換各個視頻處理環(huán)節(jié)更加靈活有效。

3.2 更靈活的塊結構

量化樹變換（Residual Quad-tree Transform，RQT）剩余是一種自適應程度非常高的變換技術，這種思想是在H.264/AVC中適應性塊變換（Adaptive Block-size Transform，ABT）技術的基礎上延伸和擴展得來的。對于幀間編碼，它允許變換塊的大小根據運動補償塊的大小和幀內預測殘差的特性進行自適應的調整。雖然塊的尺寸越大，就越能提供更好的能量集中效果大塊，并在量化后保存更詳細的圖像細節(jié)，但是在量化后產生了更多的振鈴效應。因此，根據當前塊信號的特性，自適應的選擇變換塊大小，可以得到能量集中、細節(jié)保留程度以及圖像的振鈴效應3者最優(yōu)的折中，如圖2所示。

3.3 采樣點自適應偏移

在編解碼環(huán)路內，為了減少壓縮后視頻失真，采樣點自適應偏移（Sample Adaptive Offset，SAO）SAO在Deblock之后，對重建圖像進行分類，對分類后圖像的像素值進行加減一個偏移，從而提高壓縮率，減少碼流。

在壓縮中采用SAO，可以在保證編碼器和解碼器性能的前提下，可以提高視頻的壓縮率（平均可以減少2%～6%的碼流,而編碼器和解碼器的性能消耗僅僅增加了約2%）。

3.4 自適應環(huán)路濾波

在編解碼環(huán)路內，自適應環(huán)路濾波（Adaptive Loop Filter，ALF）位于Deblock和SAO之后，用于恢復重建圖像以達到重建圖像與原始圖像之間的均方差（MSE）最小，從而減少重建圖像與原始圖像之間的差別。ALF的系數(shù)是在幀級計算和傳輸?shù)模虼瞬坏麕梢詰肁LF，對于基于塊或基于量化樹的部分區(qū)域也可以進行ALF，不過基于部分區(qū)域的ALF，必須傳遞指示區(qū)域信息的相關信息。

3.5 并行化設計

隨著科技發(fā)展的日新月異，當前芯片架構已經實現(xiàn)從單核性能逐漸往多核并行方向發(fā)展，因此為了充分發(fā)揮并行化程度非常高的芯片的性能，HEVC編解碼中加入了很多并行運算的優(yōu)化思路， 主要包括：（1）Tile：用垂直和水平的邊界將圖像劃分為一些行和列，劃分出的矩形區(qū)域為一個Tile，每一個Tile包含整數(shù)個LCU（Largest Coding Unit）， Tile之間可以互相獨立，以此實現(xiàn)并行處理；（2）Entropy slice：允許在一個slice內部再切分成多個Entropy Slices，每個Entropy Slice可以獨立的編碼和解碼，從而提高了編解碼器的并行處理能力；（3）WPP（Wavefront Parallel Processing）：上一行的第2個LCU處理完畢，即對當前行的第1個LCU的熵編碼（CABAC）概率狀態(tài)參數(shù)進行初始化。因此，只需要上一行的第2個LCU編解碼完畢，即可以開始當前行的編解碼，以此提高編解碼器的并行處理能力。

4 HEVC在乘客信息系統(tǒng)中的應用

目前，國內外城市軌道交通車載子系統(tǒng)利用WLAN無線寬帶技術，可以實現(xiàn)列車與地面之間的雙向高速實時通信。車載設備通過接收無線傳輸?shù)男畔⒔浱幚砗髮崟r地在列車車廂LCD顯示屏進行播放。國內城市軌道交通要求乘客信息系統(tǒng)提供不低于6 Mb/s帶寬的傳輸通道用于將1路標清數(shù)字視頻信息（MEPG－2 TS流或H.264 TS流）傳送給車輛。

如果使用HEVC技術利用相同的帶寬完全可以傳遞高清數(shù)字視頻信息，但是由于車地無線網絡自身特性，無可避免的在傳遞信息流的時候存在丟包的現(xiàn)象，同時由于HEVC技術壓縮比非常高，丟包將會造成大量數(shù)據丟失，因此必須建立補包機制，減少數(shù)據的丟失，補包流程如圖4。

圖4 補包流程

補包是為了在網絡不穩(wěn)定的情況下，通過有目的的利用單播的方式索取相應的數(shù)據包，然后按照既定順序將其排列到已接收到的組播視頻中，將排列后的視頻流向指定終端播放，最大限度的保證播出視頻效果，同時又不會太多占用有限的網絡資源的一種折中機制。

5 結束語

HEVC是下一代最先進的視頻壓縮技術，其會帶來更高清晰度、更高幀率、更高壓縮率視頻應用。如果將其利用到PIS系統(tǒng)中，也終將會提升該系統(tǒng)的服務質量，也更有利于乘客出行獲得相關信息、宣傳城市軌道交通和傳播城市文化等。

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