H.265在衛(wèi)星動(dòng)中通圖像傳輸中的應(yīng)用

賁海霞

（南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，南京 210061）

1 動(dòng)中通對(duì)編解碼技術(shù)的需求

衛(wèi)星動(dòng)中通通信系統(tǒng)中衛(wèi)星通道的特點(diǎn)決定了編解碼器需具備如下能力：

（1）受動(dòng)中通衛(wèi)星天線增益、經(jīng)緯度、地球同步軌道通信衛(wèi)星自身參數(shù)、天氣狀況（如下雨、多云）以及衛(wèi)星帶寬資源有限的限制，在許多地區(qū)上行帶寬超不過1.5M。結(jié)合當(dāng)前動(dòng)中通實(shí)際使用要求，需要編解碼器在低于2M的帶寬下能夠傳輸高清晰質(zhì)量的圖像。

（2）由于受到隧道、涵洞、樹木、山體及建筑物等物體的遮擋，衛(wèi)星通道經(jīng)常出現(xiàn)中斷，這就要求圖像編解碼器在衛(wèi)星鏈路恢復(fù)后，能夠即時(shí)恢復(fù)圖像傳輸。

（3）衛(wèi)星鏈路相對(duì)于有線鏈路其誤碼率要高很多，這就給衛(wèi)星動(dòng)中通通信系統(tǒng)的編解碼系統(tǒng)提出了更高的要求，要采取相應(yīng)機(jī)制，以適應(yīng)較高的誤碼率。

（4）衛(wèi)星動(dòng)中通通信系統(tǒng)經(jīng)常需要在高速運(yùn)行的環(huán)境下進(jìn)行圖像傳輸，此時(shí)圖像的變化將非常劇烈，這就對(duì)編解碼器的運(yùn)算處理能力提出了更高的要求，這種要求遠(yuǎn)大于對(duì)室內(nèi)電視會(huì)議系統(tǒng)圖像處理能力的要求。

（5）衛(wèi)星動(dòng)中通通信系統(tǒng)一般運(yùn)行在車載環(huán)境中，環(huán)境溫度較高，電磁干擾較強(qiáng)，對(duì)編解碼器的適應(yīng)性和抗干擾性能都提出了很高的要求。

2 H.265是動(dòng)中通圖像編解碼器的理想選擇

2.1 H.265技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

圖1 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)沿革示意圖

H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)全稱為高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding），如圖1所示。H.265標(biāo)準(zhǔn)圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，保留原來的某些技術(shù)，同時(shí)對(duì)一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。具體的內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、降低復(fù)雜度等。H.264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mb/s的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送；而H.265則可以實(shí)現(xiàn)利用1～2Mb/s的傳輸速度傳送720P（分辨率1280×720）普通高清音視頻傳送。

H.265和H.264標(biāo)準(zhǔn)的核心實(shí)際上是相同的，但前者使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置，改進(jìn)所帶來的最大好處是，全高清視頻可以在低帶寬下被很快壓縮并傳輸。

2.2 H.265可以很好地與動(dòng)中通結(jié)合

作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，HEVC（H.265）仍然屬于預(yù)測(cè)加變換的混合編碼框架。然而，相對(duì)于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的變化。這些變化，將使H.265技術(shù)可以很好地與動(dòng)中通系統(tǒng)有效地結(jié)合。

（1）具有較高的壓縮效率

H.265標(biāo)準(zhǔn)具有靈活的編碼結(jié)構(gòu)。在H.265中，將宏塊的大小從H.264的16×16擴(kuò)展到了64×64，以便于高分辨率視頻的壓縮。同時(shí)，采用了更加靈活的編碼結(jié)構(gòu)來提高編碼效率，包括編碼單元（Coding Unit）、預(yù)測(cè)單元（Predict Unit）和變換單元（Transform Unit）。H.265編碼視頻流與H.264編碼視頻流相比，在相同的圖像質(zhì)量下，通過H.265編碼的視頻大小將減少大約39～44%。

（2）快速重建鏈路，實(shí)現(xiàn)圖像即時(shí)恢復(fù)

衛(wèi)星動(dòng)中通通信系統(tǒng)經(jīng)常由于受到遮擋而發(fā)生衛(wèi)星鏈路中斷的現(xiàn)象，在衛(wèi)星信號(hào)恢復(fù)后，編解碼系統(tǒng)要能夠以最快的速度恢復(fù)圖像傳輸。H.265為了獲得更好的重建圖像和參考圖像，提高預(yù)測(cè)編碼性能，在圖像恢復(fù)編碼模塊中，H.265采用了包括去塊濾波、樣本自適應(yīng)偏移技術(shù)和自適應(yīng)環(huán)路濾波，來進(jìn)一步恢復(fù)圖像信息。H.265的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式支持33種方向（H.264只支持8種），并且提供了更好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理和矢量預(yù)測(cè)方法。同時(shí)，H.265編解碼器可以建立在UDP基礎(chǔ)之上，快速重建鏈路。

（3）具有較強(qiáng)的抗誤碼性能

在衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信過程中，由于噪聲和其他原因，誤碼是必然存在的。H.265使用受限幀內(nèi)編碼防止由編解碼器不匹配的參考像素而使空間幀內(nèi)預(yù)測(cè)的空域噪聲擴(kuò)散。允許使用IPCM對(duì)使用幀內(nèi)預(yù)測(cè)的CU中的PU進(jìn)行編碼，與預(yù)測(cè)變換編碼相比，該模式的復(fù)雜度很低，但具有很高的抗誤碼性能。

此外，在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)衛(wèi)星鏈路中斷或誤碼率過高時(shí)，實(shí)現(xiàn)了畫面停留在最后清晰的一幀上，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在信號(hào)恢復(fù)之后，畫面從接收到的清晰的一幀開始。H.265技術(shù)內(nèi)置的多種錯(cuò)誤恢復(fù)工具有利于解碼端進(jìn)行錯(cuò)誤掩蓋，誤碼超過一定閾值后跳過該幀，斷流后則保持在最后一正常幀的靜止畫面，碼流恢復(fù)后從第一個(gè)正常解碼的IDR幀開始顯示。

（4）具有較強(qiáng)的抗干擾能力

動(dòng)中通系統(tǒng)中的攝像頭有時(shí)會(huì)引入較大干擾，特別在低照度的環(huán)境中干擾對(duì)圖像質(zhì)量有非常大的影響。根據(jù)分析主要有兩種噪聲會(huì)影響視頻質(zhì)量，一種是相鄰色素之間產(chǎn)生的偽顏色噪聲，另一種是由于信號(hào)強(qiáng)度而產(chǎn)生的泊松噪聲（會(huì)影響物體的邊緣清晰度）。一般濾波器的工作原理是先做低通濾波，然后再做高通濾波。從頻譜上分析，物體的邊緣成分在做低通的時(shí)候已經(jīng)損失掉了一部分，盡管在高通后通過一定的處理可以還原大部分，但實(shí)際上它已經(jīng)不能夠達(dá)到最理想的效果。這些噪點(diǎn)隨著產(chǎn)品型號(hào)和工作環(huán)境的不同而不同。由于視頻壓縮算法效率與時(shí)間上的相關(guān)性有關(guān)，這種隨機(jī)噪點(diǎn)對(duì)視頻壓縮的影響非常大，有時(shí)候甚至造成碼流成倍上升，將壓縮算法的優(yōu)點(diǎn)全部掩蓋。H.265技術(shù)一方面使用了高級(jí)圖像預(yù)處理方法，減小低照度環(huán)境下噪點(diǎn)影響；另一方面，通過實(shí)時(shí)濾波技術(shù)的應(yīng)用，使得在壓縮之前就排除了信號(hào)中的干擾，壓縮還原的圖像有很大提高，同時(shí)也降低了傳輸碼率。

（5）網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)

H.265在網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面，仍然保持H.264的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。其包含一個(gè)內(nèi)置的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議適配層，可以被映射到任何固定IP、無線IP、存儲(chǔ)裝置或廣播網(wǎng)絡(luò)中。采取了一系列切合實(shí)際的技術(shù)措施，如視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)提取層分離、封裝NALUnits、指定參數(shù)集等提高了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)抗誤碼的頑健性，從而保證了視頻傳輸后壓縮視頻的QoS。視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展更加適應(yīng)各種復(fù)雜類型的網(wǎng)絡(luò)，比如，Internet，LAN，Mobile，ISDN，GSTN，H.222.0，NGN等網(wǎng)絡(luò)。

（6）H.265比H.264改進(jìn)的特性

H.265標(biāo)準(zhǔn)在算法的復(fù)雜性上比H.264有了大幅提升，以此獲得較好的壓縮性能。H.265在很多特性上都做了較大的改進(jìn)，如表1所示。

表1 H.265和H.264關(guān)鍵特性對(duì)比表

3 動(dòng)中通實(shí)測(cè)H.265視頻會(huì)議終端

為了驗(yàn)證H.265技術(shù)在衛(wèi)星通信低帶寬環(huán)境下傳輸720P格式視頻的效果，特對(duì)某品牌H.265視頻會(huì)議終端進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試情況如表2所示。

表2 車載衛(wèi)星動(dòng)中通通信測(cè)試記錄

從測(cè)試結(jié)果來看，雖然未達(dá)到理想水平，但已能實(shí)現(xiàn)窄帶下的高清視頻傳輸。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展、算法的不斷優(yōu)化以及芯片處理能力的不斷提高，傳輸高清品質(zhì)圖像的效果會(huì)越來越好。

4 結(jié)束語

H.265標(biāo)準(zhǔn)是在H.264標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，縱觀H.264在視頻應(yīng)用領(lǐng)域的主流地位，可以預(yù)見H.265協(xié)議在未來將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。由于其在壓縮效率、并行處理能力以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面的極大改進(jìn)，它的發(fā)展和應(yīng)用必將把視頻編解碼理論和應(yīng)用推向一個(gè)新的高度，其窄帶傳輸高清視頻的技術(shù)將會(huì)成為衛(wèi)星動(dòng)中通系統(tǒng)視頻傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)。

[1] 劉國梁.從H.264向H.265的數(shù)字視頻壓縮技術(shù)升級(jí).鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)（RSCE）， 2011年6月，第8卷第3期

[2] 陳清.H.265 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀和發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)[J] .中國多媒體通信，2008(10):12-15

[3] 許路，陳光.H.264在動(dòng)中通應(yīng)急圖像傳輸中的應(yīng)用.通信世界，2008年第43期