淺析3G視頻通信中容錯技術的應用
摘要：隨著第三代數字無線移動通信網絡以及多媒體信息服務的迅猛發展，3G視頻通信的高可用性已成為業界關注的一個新的焦點。作為一個新型的通信技術，3G視頻通信有很多新的特點，所有這些新的特點對傳統容錯技術帶來新的挑戰。H.264／AVC視頻編碼標準本身提供了許多容錯工具，可以很好的解決易差錯信道的視頻容錯傳輸。本文以如何提高3G視頻通信的可用性為目標，對3G視頻通信中關鍵的容錯技術(包括錯誤隱藏技術，Slice結構及參數集等)的應用進行了初步探討。
關鍵詞：3G 視頻通信 H.264/AVC 容錯技術
0 引言
傳統的視頻編碼標準都是圍繞比特流的概念組織的。實際上用于傳送數字視頻的大多數網絡體系結構并不適合直接傳輸比特流。在許多網絡體系結構中，比特流需要拆分為數據分組。這些分組的特性，如最小/最大尺寸、相關開銷和差錯屬性等在網絡體系結構間、甚至在某個給定的網絡體系結構內也是很不相同的。假如視頻編碼器自身能和網絡特性很好的匹配，將能夠獲得更好的視頻QoS。問題是如何容錯地支持易差錯的無線移動網絡？為了解決無線移動信道視頻的容錯傳輸，我們將采用如前向糾錯編碼及支持差錯復原的視頻壓縮編碼技術來解決。H.264編解碼器可以很好的解決易差錯信道的視頻容錯傳輸。在3GPP/3GPP2的傳輸環境下通過選擇適當的條帶長度使H.264編解碼器和無線移動信道的網絡特性得到很好的匹配，實現無線移動信道視頻的容錯傳輸。H.264標準適用于無線網絡傳輸的主要原因之一就是在概念上分為兩層:視頻編碼層VCL(Video Coding Layer)和網絡抽象層NAL(Net work Abstraction Layer)，其中VCL負責高效的視頻內容表示，它被設計成盡可能獨立的網絡，NAL負責對編碼信息進行打包封裝并通過指定網絡進行傳輸。H.264中還定義了兩種新的幀編碼類型，即SP幀和SI幀來完成不同流的切換，可以根據傳輸網絡和用戶終端的具體情況自適應地在不同碼率的視頻流之間切換，這大大改善了視頻流對3G網絡的適應性。
1 3G視頻通信中容錯技術的應用
3G通信技術的出現使對話式無線視頻業務成為可能，雖然3G網絡在移動環境下的帶寬可達384kbps，在靜止環境下的帶寬可以達到2Mbps，但是由于信道衰減、建筑物遮擋、終端移動、多用戶干涉等原因影響，使得信道是時變且高誤碼的，因此，在3G網絡上傳輸視頻流時，僅僅追求高的壓縮效率是不夠的，必須有一定的容錯和錯誤掩蓋措施。最新的3GPP/3GPP2標準要求3G終端支持H.264/AVC視頻編解碼技術，同時由于硬件的限制，3G終端只支持部分H.264/AVC的容錯工具。H.264中雖然提供了一些容錯工具，但是它們有各自不同的用途和目的，即在不同的場合需要選擇不同的組合來使用。
1.1 錯誤隱藏技術 由于錯誤隱藏技術能夠利用接收到的數據來恢復丟失的數據，因此一般都應用在解碼器端。在無線網絡環境中，解碼器的這種能力尤其重要，因為無線網絡環境中誤碼率高，很多RTP包在傳輸中被網關或者路由器丟棄，而這些丟失的數據又必須在解碼器端根據空間和時間上的相關性來恢復。錯誤隱藏技術的實現方法也很多，在JVT參考軟件中，就使用了一種空間相關性的方法，即使用被丟失宏塊周圍的4個宏塊來恢復被丟失的數據，其選用的標準是使恢復后邊緣數據的SAD(sum ofabsolute difference)差最小。這種方法的效果雖不是最好，但是計算簡單有效。
1.2 2Slice結構 為了滿足MTU大小的要求，在3G網絡視頻傳輸中對視頻進行分片壓縮顯得尤其重要。經過分片壓縮后的視頻中每個RTP包中包含一個片，一般每個slice中包含一個或者幾個宏塊，并以RTP包的大小滿足MTU的要求為準。
1.3 幀內編碼塊刷新 由于幀內編碼不依賴時間上相鄰幀的數據，所以幀內編碼塊能有效地阻止由于包丟失甚至幀丟失而引起的錯誤傳播。對于對話式視頻業務來說，由于實時性要求高，而且I幀刷新的頻率較低，因此可以用幀內編碼塊來部分代替I幀的作用。H.264／AVC提供了兩種幀內編碼塊刷新(intrablockrefreshing)模式；其中，一種是隨機模式，即用戶可以選擇幀內編碼塊的數目，而由編碼器隨機決定哪些哪些位置上的宏塊實行幀內編碼；另一種是行刷新模式，即編碼器在圖像中依次選擇一行進行幀內編碼，但圖像分辨率大小不同，每次需要幀內編碼塊的數目也不同，例如在QCIF格式圖像中，每次需要選擇一行，即11個宏塊進行幀內編碼，而在CIF格式圖像中，這個數字變成22。
1.4 參數集(Parameter Sets) H.264標準中，取消了序列層和圖像層，將原本屬于序列和圖像頭部的大部分句法元素分離出來形成序列參數集SPS(Sequence Parameter Set)和圖像參數集PPS(Picture Parame2ter Set)。序列參數集包括了與一個圖像序列有關的所有信息，如編碼所用的檔次和級別、圖像大小等，應用于視頻序列。圖像參數集包含了屬于一個圖像的所有片的信息，如嫡編碼方法、FMO，宏塊到片組的映射方式等，應用視頻序列中的一個或多個獨立的圖像。多個不同序列參數集和圖像參數集被解碼器正確接收后，被存儲于不同的己編碼位置，解碼器依據每個己編碼片的片頭的存儲位置選擇合適的圖像參數集來使用。
1.5 冗余片(Redundant Slice) H.264編碼器除了對片內的宏塊進行一次編碼外，還可以采用不同的編碼參數對同一個宏塊進行一次或多次編碼，生成冗余片，冗余片的信息也被編碼進同一個視頻流中。解碼器在能夠使用主片的情況下會拋棄冗余片，反之如果主片丟失，也可以通過冗余片來重構質量。
1.6 靈活的宏塊排序(FMO) FMO技術通過片組(slicegroup)技術來實現。片組是由一個或者多個片組成，而每個片中通常包括一系列的宏塊。采用FMO進行視頻編碼的好處在于，可以使因信道傳輸而引起的錯誤分散。具體實施方法是:幀圖中的宏塊可以組成一個或幾個片組
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