杜翠紅，李曉峰，簡沖

(電子科技大學通信與信息工程學院，四川成都611731)

隨著各種各樣視頻服務業(yè)的飛速增長，視頻編碼的目標由單純追求高壓縮性能轉向使視頻流能夠更好地適應各種不同的需求，如視頻會議、移動無線視頻，以及視頻點播系統(tǒng)等。而在這些視頻流的應用中，不同網(wǎng)絡的帶寬和終端用戶的處理能力是不盡相同的。同時，壓縮的視頻信號會受到信道噪聲干擾，所以有限的信道帶寬和噪聲干擾是視頻傳輸系統(tǒng)中兩個主要的問題[1]。

可伸縮視頻編碼(SVC)作為H.264的擴展標準[2]可以解決無線信道中的這些問題，它能產(chǎn)生一個高效靈活的比特流，以此滿足不同網(wǎng)絡和用戶的需要，這個單獨的比特流同時包括不同客戶端需要的信息。但是，由于SVC比特流中的不同層有不同的重要性，所以當視頻信號在信道傳輸時就要采用非均衡差錯保護(UEP)的方法。為了提高SVC在有噪無線網(wǎng)絡中傳輸?shù)馁|量，本文提出一種新的非均衡差錯保護方案。該方案通過控制低密度奇偶校驗碼(LDPC)的碼率來實現(xiàn)非均衡差錯保護，并用H.264可伸縮擴展標準作為其信源編碼模型。

在所提的方法中，首先根據(jù)時間、分辨率和質量層以及峰值信噪比(PSNR)增益計算需要加入的校驗位長度，然后對信源編碼后產(chǎn)生的比特流進行分包和信道編碼。同時本文所提方案有較低的計算復雜度，尤其適用于移動終端設備。

1 基于H.264的可伸縮視頻編碼

可伸縮視頻編碼能產(chǎn)生一個滿足用戶不同需要的比特流。用戶能非常容易地從這個比特流中抽取到所需要的信息并解碼。可伸縮視頻編碼與H.264的最主要的區(qū)別就是，在可伸縮視頻編碼中，一個碼流能同時提供多種空間、時間和質量層的信息，然而在H.264的比特流中，只包括固定分辨率、幀率和質量層的信息。

對可伸縮視頻編碼的研究已經(jīng)20多年了，但是先前的可伸縮視頻標準并沒有得到很好的發(fā)展，主要原因是可伸縮視頻編碼在性能方面的損失和解碼過程的復雜性。2005年1月MPEG和ITUT視頻專家組決定共同將SVC作為H.264標準的一個修正[3-5]。H.264的可伸縮的擴展標準被選為SVC標準的起始點。SVC能夠在主比特流中丟棄一些NAL單元來抽取不同的空間、時間和分辨率的視頻信息。SVC的比特流能被分成一個基本層和很多加強層，每一層有不同的重要性[6]。在無線信道中，用非均衡差錯保護的方法來傳輸這些分層的視頻流能有效提高解碼得到的視頻質量。

2 傳輸模型

可伸縮視頻編碼采用LDPC實現(xiàn)非均衡差錯保護的系統(tǒng)結構如圖1所示。信源編碼器使用H.264擴展標準的SVC，信道編碼部分分為信道碼率分配、分包和LDPC編碼。信道碼率用來決定對每一層進行信道編碼的碼率、分包和LDPC編碼的分配，根據(jù)碼率分配的結果對信源編碼后的數(shù)據(jù)進行非均衡差錯保護，把分包編碼后的數(shù)據(jù)送到無線信道中進行傳輸[7]。在接收端，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過LDPC解碼、碼流重組后送入信源解碼器。下面具體介紹每一部分的實現(xiàn)過程和作用。

圖1 系統(tǒng)結構圖

信源編碼器使用基于H.264的擴展標準SVC。SVC支持時間、空間、質量可伸縮，它提供了各種各樣的加強層，比MPEG-4能提供更好的伸縮性能。

2.1 非均衡差錯保護的方法

本文所提方案采用LDPC編碼來實現(xiàn)非均衡差錯保護。LDPC碼是線性分組碼的一種，在線性分組碼中，長度為k bit的信息位以一定的映射規(guī)則映射為長度為N bit的碼字，信息位和碼字中的各位都是某一有限域中的元素，最常用的是二元域GF(2)。所采用的信道碼率為k/N，N一定的情況下，k不同，對數(shù)據(jù)施加的保護不同，k越小，對數(shù)據(jù)施加的保護越大[8]。

2.2 分包方案

圖2顯示了本文所用的第r幀數(shù)據(jù)的分包方案。使用這個方案，能分別對第r幀的每一層數(shù)據(jù)進行單獨的保護。每一行代表了一個碼字，碼字長度N bit，它是第r幀與時間、分辨率和質量有關的特定數(shù)據(jù)。其中信息位的長度為k bit，經(jīng)過LDPC編碼后包長變?yōu)镹 bit。每一幀分為T個碼字，對每一幀數(shù)據(jù)，T的值是不相等的。根據(jù)時間、分辨率和SNR層的重要性不同，可以把一幀數(shù)據(jù)分為m層。其中Lr,i表示第r幀第i層深度，即

2.3 信道碼率分配方法

在一個圖像組(GoP)內，由于分等級的預測結構，可把每一個GoP內所有的幀分為時間基本層和時間加強層。在每一幀內，又由于分辨率可伸縮和質量可伸縮，把每一幀數(shù)據(jù)分為基本層、空間加強層和質量加強層[9]。

由于加強層都是對基本層信息的加強，所以在每一幀內，空間和質量加強層的平均PSNR總是高于基本層的平均PSNR，由Q表示。

假設Qr,i為第r幀第i個加強層對前一層PSNR值的絕對增量,可計算第r幀的所有層對前一層的絕對增量。

設pj為不同信噪比(SNR)下不同碼率的信號經(jīng)過LDPC編碼后成功接收的概率。可得到層深度為Lr,j的數(shù)據(jù)成功接收的概率:

經(jīng)過信道后第r幀的PSNR總量如下:

假設第r幀的總比特數(shù)bitr,total是一定的，用于校驗位的比特為bitr,c，信息位的比特數(shù)為bitr,s。假設bitr,s,i為第i層的信息位的比特數(shù)，bitr,c,i為第i層的保護位的比特數(shù)?？傻?

在信道傳輸?shù)目偙忍財?shù)bitr,total確定的情況下，由于信源編碼產(chǎn)生的總比特數(shù)bitr,s是確定的，所以，保護比特bitr,c總數(shù)也是確定的。在一定的保護比特總數(shù)下，要產(chǎn)生最大的PSNR值，就要在信噪比一定的信道中，為第i層加上恰當?shù)谋Ｗo比特bitr,c,i，產(chǎn)生一定的碼率Ri，得到合適的pi，使第r幀的PSNRr最大。由于后一層是由前一層來預測的，為了實現(xiàn)非均衡差錯保護，就要選取bitr,c,i≥bitr,c,j(i＜j)，即Ri≤Rj，使pi≥pj。

用LDPC碼做信道編碼，就可以定義幾種碼率(R1,R2,R3,…Rk…RM)，這些碼率經(jīng)過信道后，會產(chǎn)生不同的pj，假設第i幀的數(shù)據(jù)有L層(L＜M)，就可以選取不同的(M,L)組合對不同層數(shù)據(jù)進行保護，如圖3所示。并且，Ri≤Rj(i＜j)。

在圖3所示的方案中，反復選取不同的Rr1,Rr2,…,RL組合，在(5)式的限制下，使由(4)式計算出的第r幀的PSNRr最大。這樣得到的碼率組合就是一定信道信噪比下第r幀的碼率分配方法。同樣，對其他幀的數(shù)據(jù)也都采用這種方法，實現(xiàn)碼率分配方案。

本文所采用的分配方法對每一包數(shù)據(jù)需要4個參數(shù)來決定信道數(shù)據(jù)。這4個參數(shù)根據(jù)它們的重要性分別列出如下:

(1)時間層:在一個GoP內，時間層越低，重要性就越高，對它的保護就越大，碼率就越低。本方案對時間層由低到高每一幀的平均碼率相應增加。

(2)分辨率層:分辨率層越低，重要性就越高，對它的保護也越大。

(3)質量層:根據(jù)質量層id，由低到高重要性越低，施加的保護越小。

(4)總量:選取每一幀內PSNR總量最大的碼率組合。

3 實驗仿真

下面對本文所提方法進行仿真驗證。實驗中使用標準的CIF和QCIF格式的H.264序列。實驗參數(shù)如下:JSVM9.16[9];GoP大小為8;只在第0幀使用I幀;采用層間預測;圖像序列為標準YUV序列Foreman，City，Mobile序列;時間層分為三個層，質量層分為兩個層，MGSVector0為16;編碼幀數(shù)設為16;信道模型采用SNR分別為3、3.25、3.5、3.75、4的高斯信道;LDPC編碼碼率為(0.5，0.55，0.6，0.65，0.7，0.75，0.8，0.85,0.9,0.95),迭代次數(shù)設置為200;采用BPSK方式進行調制。

重復2 000次，統(tǒng)計每種碼率下，信號經(jīng)過不同信噪比的LDPC信道后成功接收的概率pj如表1表示。

表1 不同SNR 不同碼率成功接收的概率

表1說明了在相同的信噪比SNR條件下，隨著碼率的增加，信號經(jīng)過LDPC信道后成功接收的概率pj有逐漸下降的趨勢。說明了保護程度越深，pj就越大。

根據(jù)如上參數(shù)設置對Foreman序列進行編碼，按照(2)式計算每一層的平均PSNR值，統(tǒng)計每一幀每一層平均PSNR增量如表2所示。

按照本文所提方案，根據(jù)式(4)反復計算不同信噪比時每幀數(shù)據(jù)各種碼率組合得到的平均PSNR值?？傻玫讲煌旁氡葧r每幀數(shù)據(jù)的最佳碼率分配方法，表3列出了信噪比SNR為3.5時每幀數(shù)據(jù)的碼率分配方法。

表2 PSNR增量

由表3得到信噪比為3.5時每幀數(shù)據(jù)的分包方案，同樣可以得到SNR為其他值(3，3.25，3.75，4)時的分包方案(本文沒有列出)。

表3 SNR為3.5時碼率分配方案

根據(jù)上述分包方案，分別對標準視頻序列Foreman、City、Mobile進行信道編碼后的視頻流進行解碼，可得到使用本文所提非均衡差錯保護UEP方案與只考慮時間層的UEP和只考慮質量的UEP方案進行比較的結果，如圖4所示的平均PSNR性能曲線圖[10]。

由圖4可見，本文所提方案比僅考慮質量層的UEP和只考慮時間層的UEP方案的PSNR值有很大的改進。圖4(a)表明，本文所提方案比僅考慮質量層的UEP的PSNR平均高2.8 dB，比只考慮時間層的UEP平均高4.3 dB。尤其是在信噪比較低的無線信道中,本文所提方案有效地改善了視頻傳輸?shù)馁|量。

本文提出了用LDPC信道編碼對SVC進行非均衡差錯保護的方案。H.264可伸縮的擴展標準產(chǎn)生的視頻流經(jīng)過信源編碼，并根據(jù)可伸縮視頻流經(jīng)過信源編碼后產(chǎn)生序列的時間、分辨率、質量基本層和加強層各部分重要性的不同，分別對各部分使用LDPC進行非均衡差錯保護的信道編碼，再經(jīng)過加性高斯信道，最后對所得視頻序列進行解碼。通過仿真可以看出，此方案相比其他非均衡差錯保護的信道編碼，在性能上有很大的改進，尤其是在信噪比小的無線信道中，此方案能顯示出明顯的優(yōu)越性。

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