無線視頻傳輸中FEC與WZ聯(lián)合抗誤碼算法研究

王天慶，謝正光，李宏魁

(南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019)

1 抗誤碼方案

無線信道帶寬有限，并且具有可靠性差、易受干擾、時變的特點。傳統(tǒng)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)如H.264/AVC和MPEG，利用圖像間的時域相關(guān)性，進行大量的運動搜索、運動補償，使得編碼端的復(fù)雜度遠(yuǎn)大于解碼端，致使壓縮后的視頻碼流對于信道誤碼非常敏感。為了保證視頻圖像的高質(zhì)量傳輸，人們在編碼端使用冗余片和靈活宏塊調(diào)整技術(shù)(Flexible Macro-Block Ordering，F(xiàn)MO)以及多重描述編碼［1-2］等，解碼端使用插值、估計等方法對丟失的圖像信息進行數(shù)據(jù)恢復(fù)或錯誤隱藏［3-4］。但這些方法在丟包較多、誤碼較重時差錯控制效果很差;若使用前向糾錯(FEC)［5］的方法，當(dāng)誤碼率超過信道編碼的糾錯能力時，重建的視頻質(zhì)量會急速下降，呈現(xiàn)所謂的懸崖效應(yīng)(cliff effect)。

近年來，一種新的視頻編碼技術(shù)——分布式視頻編碼［6］受到人們的關(guān)注，其思想源自20世紀(jì)70年代的Slepian-Wolf［7］和 Wyner-Ziv［8］信息理論。與傳統(tǒng)的編解碼標(biāo)準(zhǔn)不同，分布式視頻編碼采用獨立編碼、聯(lián)合解碼的編碼方式，避免了因預(yù)測編碼帶來的錯誤擴展問題，因而本身具有天然的魯棒性［9］。所以許多基于分布式編碼的抗誤碼方案相繼提出［10-16］。較為經(jīng)典的是系統(tǒng)有損錯誤保護(Systematic Lossy Error Protection，SLEP)［14］方案。該方案有效地避免了當(dāng)誤碼率/丟包率較高時使用FEC差錯控制方法所呈現(xiàn)的懸崖效應(yīng)。然而，當(dāng)誤碼率/丟包率較低時卻不如FEC的抗誤碼能力。

為此本文提出了FEC與WZ聯(lián)合抗誤碼方案，彌補了上述兩種抗誤工具的不足，進一步提升了系統(tǒng)的抗誤碼性能。

2 FEC與WZ的抗誤原理

圖1展示了FEC抗誤碼結(jié)構(gòu)圖。將編碼流打包后進行信道編碼，這里使用了RS(Reed-Solomon)編碼。經(jīng)有損信道，若出錯的信息小于或等于RS編碼的糾錯上限，通過RS解碼即可以實現(xiàn)對錯誤信息的恢復(fù)，反之整個RS編碼流將會被丟掉。理論上可以通過發(fā)送足夠數(shù)量的校驗比特增大RS的糾錯能力來實現(xiàn)完美的糾錯效果，但這樣會耗費大量的帶寬。當(dāng)錯誤率超出了信道編碼的糾錯能力時，所重建的視頻質(zhì)量就會迅速下降，出現(xiàn)懸崖效應(yīng)。

圖1 FEC的原理框圖

基于H.264/AVC的WZ編碼原理如圖2所示，該方案將待編碼的視頻分為兩個部分:主要碼流和冗余碼流。主要碼流使用傳統(tǒng)的H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)進行編碼，冗余部分將H.264冗余片與WZ編碼相結(jié)合，采用與主要碼流相同的編碼方式、運動估計、參考幀。當(dāng)主要碼流發(fā)生丟包錯誤，冗余部分就會被喚醒，在解碼端利用粗量化的冗余片代替丟失的主要碼片進行解碼。

圖2 WZ的原理框圖

3 FEC與WZ聯(lián)合抗誤及率失真分析

如圖3所示，在主要碼流部分:待傳輸?shù)囊曨l經(jīng)過H.264編碼直接由信道傳輸至解碼端。冗余碼流部分又劃分為兩路:一路使用H.264中的冗余片編碼，經(jīng)過粗量化、RS編碼、有損信道傳輸至解碼端，其中粗量化和RS編碼部分組成了分布式信源編碼［6］的WZ編碼校驗部分。為了提高傳輸效率，系統(tǒng)僅傳輸RS編碼的校驗部分。在解碼端對主要碼流進行再次量化，作為RS編碼的邊信息進行解碼。與此同時，另一通路使用FEC編解碼，在低誤碼率/丟包率的情況下使用。此外，在解碼端還使用了錯誤隱藏技術(shù)，進一步提升系統(tǒng)的抗誤碼能力。

如果碼流在傳輸?shù)倪^程中沒有發(fā)生錯誤，WZ編解碼與FEC編解碼部分將不會被使用，在解碼端僅需要對碼流進行逐比特解碼。如果碼流在傳輸過程中發(fā)生錯誤，并且當(dāng)誤碼率/丟包率比較高時，系統(tǒng)會自動選擇WZ編解碼通路;反之，當(dāng)誤碼率/丟包率比較低時，則選擇FEC通路進行編碼校驗。采用到的主要技術(shù)有:

圖3 提出的聯(lián)合抗誤碼原理

1)冗余片:在編碼端，宏塊經(jīng)冗余編碼后組成冗余片［17］，并由一定數(shù)量的冗余片組成相應(yīng)的冗余編碼圖像。為了簡化WZ解碼，冗余部分采用與主要碼流相同的編碼方式、運動估計、參考幀等，僅增加了其量化步長。

2)WZ編碼:冗余片使用GF(28)的RS編碼并與粗量化一起組成了WZ編碼。

3)FEC編碼:使用GF(28)的RS編碼，且校驗碼片的數(shù)目依賴于所允許的容錯碼率。

4)解碼端:包括主要碼流的解碼、WZ解碼以及FEC解碼部分。通過對主要碼流的預(yù)測殘差信息進行粗量化，生成RS編碼的邊信息，再與接收到的校驗位一起進行WZ解碼。

5)錯誤隱藏:若WZ解碼成功，解碼器使用運動補償，將冗余預(yù)測信號代替主要碼流中丟失的預(yù)測殘差信息。

關(guān)于主要碼流以及兩抗誤碼流之間的碼率分配是基于端對端失真最小原則進行的。由文獻［14］可知，系統(tǒng)的端至端失真估計演變?yōu)?/p>

式中:p為視頻數(shù)據(jù)在傳播中發(fā)生錯誤的概率;n表示第n幀圖像，，和分別為主要碼流、WZ編碼流、FEC編碼流以及錯誤隱藏時的均方誤差失真(MSE)。

式中:下標(biāo)α可為WZ及FEC;K表示RS編碼中信息位;N表示編碼長度。

主要碼流的率失真函數(shù)表示為

式中:Rp表示編碼率;C1和C2表示更新系數(shù);Q為量化步長;MAD為平均絕對誤差。

由文獻［18］可知WZ碼流的MSE失真與編碼率之間存在的關(guān)系為

式中:DWZ0，θWZ和RWZ0與編碼序列、編碼模式、參考幀等相關(guān)，RWZ表示編碼率。

FEC的選擇由信道的誤碼率決定。本方案中，當(dāng)誤碼率較低(約為5%以下)時，選擇FEC的抗誤碼方式，結(jié)合信道帶寬，從而確定相應(yīng)的編碼率。

4 實驗結(jié)果及性能分析

使用H.264/AVC視頻編碼JM11平臺進行測試。根據(jù)運動快慢不同，分別使用Foreman_cif，F(xiàn)ootball_sif視頻序列進行測試。在WZ編碼通路中，冗余片編碼率設(shè)定為主要碼片的25%，WZ校驗碼率分別設(shè)為主要碼片的10%和20%。對于FEC通路，冗余片編碼率與主要碼片相同，校驗碼率亦分別設(shè)為主要碼片的10%和20%。比較它們在不同的丟包率(即3%，5%，10%，20%)下與所提出的聯(lián)合抗誤碼方案的平均峰值信噪比(PSNR)。

由圖4、圖5可以看出聯(lián)合抗誤碼方案綜合了WZ與FEC的優(yōu)點:在低誤碼率/丟包率時，平均PSNR較WZ高，在高誤碼率/丟包率時又避免了FEC的懸崖效應(yīng)。并且對比a組和b組可以看出校驗碼率的增加(10% ～20%)聯(lián)合抗誤碼方案在低誤碼率/丟包率時效果更加明顯。

圖4 Foreman CIF

圖5 Football SIF

5 結(jié)束語

本文主要針對視頻壓縮碼流中WZ與FEC兩種抗誤碼方案的不足，提出了將兩者結(jié)合起來聯(lián)合抗誤碼方案。如何在經(jīng)典視頻編碼與抗誤碼流之間進行碼率分配，以及如何在WZ和FEC兩抗誤碼流之間進行碼率分配以使系統(tǒng)端至端失真(即公式(1))最小將是今后研究的重點。

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