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視頻通信中MPEG-4的誤碼彈性

2004/08/17

　　隨著多媒體系統(tǒng)和無線移動(dòng)通信先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種多媒體業(yè)務(wù)的支持需求日益增長(zhǎng)，如利用移動(dòng)多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)TV，遠(yuǎn)程教學(xué)等。由于MPEG-4提供的高壓縮效率及其差錯(cuò)恢復(fù)性能，廣泛的應(yīng)用與無線網(wǎng)絡(luò)通信，而MPEG-4編碼的視頻數(shù)據(jù)，由于采用了VLC和時(shí)域預(yù)測(cè)，對(duì)誤碼是非常敏感的。當(dāng)遇到差錯(cuò)時(shí)，VLC使得解碼器很容易丟失與編碼器的同步，時(shí)域預(yù)測(cè)使得重組視頻中的差錯(cuò)會(huì)在后續(xù)視頻幀中擴(kuò)散，因此需要采用各種差錯(cuò)恢復(fù)技術(shù)，來減少比特流中的誤碼，當(dāng)然這需要付出增加的比特開銷。

　　一、MPEG-4關(guān)鍵技術(shù)

　　在MPEG-4制定之前，MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263都是采用第一代壓縮編碼技術(shù)，著眼于圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性來設(shè)計(jì)編碼器，屬于波形編碼的范疇。第一代壓縮編碼方案把視頻序列按時(shí)間先后分為一系列幀，每一幀圖像又分成宏塊以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和編碼，這種編碼方案存在以下缺陷。

　　(1)將圖像固定地分成相同大小的塊，在高壓縮比的情況下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的塊效應(yīng)，即馬賽克效應(yīng)；

　　(2)不能對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行訪問、編輯和回放等操作；

　　(3)未充分利用人類視覺系統(tǒng)(HVS，Human Visual System)的特性。

　　MPEG-4除采用第一代視頻編碼的核心技術(shù)，如變換編碼、運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、量化、熵編碼外，還提出了一些新的有創(chuàng)見性的關(guān)鍵技術(shù)，充分利用了人眼視覺特性，抓住了圖像信息傳輸?shù)谋举|(zhì)，從輪廓、紋理思路出發(fā)，支持基于視覺內(nèi)容的交互功能，這適應(yīng)了多媒體信息的應(yīng)用由播放型轉(zhuǎn)向基于內(nèi)容的訪問、檢索及操作的發(fā)展趨勢(shì)。

　　1、視頻對(duì)象提取技術(shù)

　　MPEG-4實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)容交互的首要任務(wù)就是把視頻/圖像分割成不同對(duì)象或者把運(yùn)動(dòng)對(duì)象從背景中分離出來，然后針對(duì)不同對(duì)象采用相應(yīng)編碼方法，以實(shí)現(xiàn)高效壓縮。盡管MPEG-4 框架已經(jīng)制定，但至今仍沒有通用的有效方法去根本解決視頻對(duì)象分割問題，視頻對(duì)象分割被認(rèn)為是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。

　　目前進(jìn)行視頻對(duì)象分割的一般步驟是：先對(duì)原始視頻/圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化以利于分割，這可通過低通濾波、中值濾波、形態(tài)濾波來完成；然后對(duì)視頻/圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，可以是顏色、紋理、運(yùn)動(dòng)、幀差、位移幀差乃至語(yǔ)義等特征；再基于某種均勻性標(biāo)準(zhǔn)來確定分割決策，根據(jù)所提取特征將視頻數(shù)據(jù)歸類；最后是進(jìn)行相關(guān)后處理，以實(shí)現(xiàn)濾除噪聲及準(zhǔn)確提取邊界。

　　2、VOP視頻編碼技術(shù)

　　視頻對(duì)象平面(VOP，Video Object Plane)是視頻對(duì)象(VO)在某一時(shí)刻的采樣，VOP是MPEG-4視頻編碼的核心概念。MPEG-4在編碼過程中針對(duì)不同VO采用不同的編碼策略，即對(duì)前景VO的壓縮編碼盡可能保留細(xì)節(jié)和平滑；對(duì)背景VO則采用高壓縮率的編碼策略，甚至不予傳輸而在解碼端由其他背景拼接而成。這種基于對(duì)象的視頻編碼不僅克服了第一代視頻編碼中高壓縮率編碼所產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，而且使用戶可與場(chǎng)景交互，從而既提高了壓縮比，又實(shí)現(xiàn)了基于內(nèi)容的交互，為視頻編碼提供了廣闊的發(fā)展空間。

　　3、視頻編碼可伸縮性技術(shù)

　　視頻編碼的可伸縮性(scalability)是指碼率的可調(diào)整性，即視頻數(shù)據(jù)只壓縮一次，卻能以多個(gè)幀率、空間分辨率或視頻質(zhì)量進(jìn)行解碼，從而可支持多種類型用戶的各種不同應(yīng)用要求。

　�。牐燤PEG-4通過視頻對(duì)象層(VOL，Video Object Layer)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)分級(jí)編碼。MPEG-4提供了兩種基本分級(jí)工具，即時(shí)域分級(jí)(Temporal Scalability)和空域分級(jí)(Spatial Scalability)，此外還支持時(shí)域和空域的混合分級(jí)。每一種分級(jí)編碼都至少有兩層VOL，低層稱為基本層，高層稱為增強(qiáng)層。基本層提供了視頻序列的基本信息，增強(qiáng)層提供了視頻序列更高的分辨率和細(xì)節(jié)。

　�。牐犜陔S后增補(bǔ)的視頻流應(yīng)用框架中，MPEG-4提出了FGS(Fine Granularity Scalable，精細(xì)可伸縮性)視頻編碼算法，F(xiàn)GS編碼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可在編碼速率、顯示分辨率、內(nèi)容、解碼復(fù)雜度等方面提供靈活的自適應(yīng)和可擴(kuò)展性，且具有很強(qiáng)的帶寬自適應(yīng)能力和抗誤碼性能。但還存在編碼效率低于非可擴(kuò)展編碼及接收端視頻質(zhì)量非最優(yōu)兩個(gè)不足。

　　二、MPEG-4誤碼彈性(error resilience)工具

　　MPEG4視頻標(biāo)準(zhǔn)也包含幾個(gè)差錯(cuò)恢復(fù)工具，來提高信道差錯(cuò)下的性能。

　　1、數(shù)據(jù)分割

　　由于視頻數(shù)據(jù)參數(shù)的差錯(cuò)敏感度不同，可將視頻數(shù)據(jù)分成兩部分來提高M(jìn)PEG-4的差錯(cuò)健壯性。每個(gè)視頻分組(VOP)的輪廓和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)放在第一部分，相對(duì)敏感度較低的紋理數(shù)據(jù)(AC TCOEFF)放在第二部分。分割兩個(gè)部分的再生同步碼，在INTER VOP中稱為運(yùn)動(dòng)標(biāo)志，在INTRA VOP中稱為DC標(biāo)志。當(dāng)差錯(cuò)不敏感的第二部分紋理數(shù)據(jù)發(fā)生一些比特差錯(cuò)時(shí)，視頻解碼器可存儲(chǔ)視頻分組中無差錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和輪廓數(shù)據(jù)。也就是說，可成功隱藏第二部分的差錯(cuò)，僅會(huì)有輕微的視覺失真。由于紋理數(shù)據(jù)組成了VOP的主要部分，數(shù)據(jù)分割允許分組的主要部分出錯(cuò)，僅對(duì)視頻質(zhì)量有輕微影響。

　　運(yùn)動(dòng)矢量比紋理數(shù)據(jù)對(duì)差錯(cuò)更敏感，輪廓數(shù)據(jù)對(duì)面向?qū)ο笠曨l編碼差錯(cuò)健壯性的影響還需確定。當(dāng)紋理差錯(cuò)隱蔽較好時(shí)，運(yùn)動(dòng)和輪廓數(shù)據(jù)的隱蔽會(huì)使得圖像失真較大。當(dāng)序列運(yùn)動(dòng)量大，幀間的視頻內(nèi)容會(huì)變化較大，也使得在解碼端很難實(shí)現(xiàn)隱藏。若比特流誤碼率不高，紋理數(shù)據(jù)的損傷對(duì)可視失真影響很小。

　　2、FEC中的RCPC(速率兼容的收縮卷積碼)

　　速率兼容的收縮卷積碼(RCPC碼)用于多速率信道的差控。此技術(shù)必須伴隨高速反饋信道指示機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)更新編碼器。卷積編碼器以僅發(fā)送母碼開始而不加保護(hù)位。如果FEC解碼器由于出錯(cuò)不能解釋母碼，那么就通過反向信道通知編碼器，從而相應(yīng)提高保護(hù)率。四個(gè)寄存器的卷積編碼器可提供四種不同速率，編碼器先設(shè)定的速率為1作為起始，再按需要來降低速率。對(duì)降級(jí)的信道條件，信道編碼器必須為輸出信號(hào)分配較大數(shù)目的保護(hù)比特，以增強(qiáng)信道解碼器的糾錯(cuò)能力，然后速率保持逐漸降級(jí)，直到解碼器能維持無檢測(cè)差錯(cuò)重構(gòu)母碼比特為止。當(dāng)已達(dá)最后速率而解碼器仍未能糾正差錯(cuò)信號(hào)時(shí)，解碼器就剔除當(dāng)前像塊而轉(zhuǎn)向下一個(gè)像塊。因此，卷積編碼器的速率依據(jù)糾正損壞比特的能力而變化，所需速率越高，為獲得較好的差錯(cuò)保護(hù)而對(duì)輸出信號(hào)添加的冗余比特就越多。這種多速率的差錯(cuò)保護(hù)編碼被稱作截?cái)啻a。RCPC技術(shù)主要用于延遲敏感的視頻應(yīng)用，由于反饋信息和對(duì)損傷信號(hào)的重傳可能會(huì)引入過多的時(shí)延，對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用不是很適合。RCPC和反向信道指示經(jīng)常組合使用，來實(shí)現(xiàn)MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的差錯(cuò)彈性恢復(fù)。

　　3、AIR(自適應(yīng)INTRA幀更新技術(shù))

　　AIR是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中Annex E所規(guī)定的技術(shù)，與對(duì)VOP中所有MB進(jìn)行統(tǒng)一的INTRA編碼的循環(huán)INTRA更新(CIR)截然不同，它包括在每個(gè)VOP中發(fā)送限定數(shù)目的INTRA宏塊。AIR進(jìn)行INTRA編碼的宏塊數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于每VOP或每幀的總宏塊數(shù)。根據(jù)通過標(biāo)記運(yùn)動(dòng)宏塊位置得到的更新映射圖，AIR對(duì)每幀中固定和預(yù)定的宏塊數(shù)目，有選擇地進(jìn)行INTRA編碼。通過對(duì)MB的絕對(duì)誤差和(SAD)與其門限值(SADth)進(jìn)行比較，來得到運(yùn)動(dòng)估值，SAD是通過MB和在先前VOP中空間相應(yīng)的MB間計(jì)算得到，SADth是先前VOP中全部宏塊的平均SAD值，如果某一宏塊的SAD超過了SADth，編碼器就判定該MB屬于高運(yùn)動(dòng)區(qū)域，也就是對(duì)傳輸差錯(cuò)敏感的區(qū)域，從而標(biāo)志該MB要進(jìn)行INTRA編碼。如果標(biāo)志INTRA編碼的宏塊數(shù)超過了設(shè)定的數(shù)目，那么視頻編碼器就以垂直掃描方向下移幀來編碼INTRA MB，直到預(yù)定數(shù)目的MB被INTRA編碼。對(duì)于下一幀，編碼器從相同的地方開始，并對(duì)INTRA宏塊開始編碼，包括在先前幀中標(biāo)志要進(jìn)行INTRA編碼的宏塊。編碼宏塊的數(shù)目要基于視頻應(yīng)用需求的比特率和幀率來確定。然而，為了提高差錯(cuò)健壯性，宏塊的數(shù)目可以根據(jù)每個(gè)視頻幀運(yùn)動(dòng)特征來動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于圖像運(yùn)動(dòng)區(qū)域通常以INTRA模式編碼，就可能快速更新?lián)p壞的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。

　　顯然，增加每幀中更新的宏塊數(shù)目可以加速差錯(cuò)恢復(fù)，但在給定目標(biāo)比特率時(shí)，會(huì)降低無差錯(cuò)時(shí)的視頻質(zhì)量。這是由于為了獲得目標(biāo)比特率，而采用了粗量化過程。然而，在相同的目標(biāo)比特率下，AIR比常規(guī)INTRA更新技術(shù)能提供更好更持久的客觀無差錯(cuò)質(zhì)量，因此，要進(jìn)行INTRA編碼的宏塊數(shù)目是在健壯性和比特速率、無差錯(cuò)視頻質(zhì)量間的權(quán)衡。

　　4、雙向解碼及RVLC

　　雙向解碼是來降低視頻流中有效誤碼率的差錯(cuò)彈性技術(shù)，比特差錯(cuò)對(duì)感覺視頻質(zhì)量損傷最大，也導(dǎo)致了解碼器端丟失同步。在這種情況下，會(huì)忽略數(shù)據(jù)流中該差錯(cuò)之后的部分，直到檢測(cè)到無差錯(cuò)的同步碼字。然而，拋棄的視頻數(shù)據(jù)可無差錯(cuò)接收，從而明顯增強(qiáng)感覺質(zhì)量，拋棄的比特?cái)?shù)是差錯(cuò)位置和下一個(gè)無差錯(cuò)同步字位置間距離的函數(shù)。結(jié)果，實(shí)際誤碼率的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際信道比特差錯(cuò)率。為了僅將損傷限制在受影響區(qū)域，并節(jié)省無差錯(cuò)接收的比特，雙向解碼還可進(jìn)行反向解碼�；谇跋驒z測(cè)到的差錯(cuò)，解碼器會(huì)停止其搜索下一個(gè)同步字。當(dāng)解碼器在同步碼字處恢復(fù)了同步時(shí)，再由反向恢復(fù)操作，對(duì)前向操作中跳過的數(shù)據(jù)段解碼。

　　為了實(shí)現(xiàn)雙向路解碼，須采用可逆VLC(即RVLC)�？赡娲a字是變長(zhǎng)編碼，可以前向和后向解碼，產(chǎn)生同樣的輸出�？刹捎靡韵聨讉�(gè)技術(shù)產(chǎn)生可逆VLC碼(Takashima，Wada and Murakami，1995；Watanabe，1996)：其一是生成恒重碼(二進(jìn)制序列中1的數(shù)目)，另一種生成恒重RVLC碼表的方法是，利用一個(gè)碼字第一符號(hào)的固定數(shù)目，或者說，如果解碼器從0開始解碼，則在碼字中搜索固定長(zhǎng)度的0，反之亦然。

　　由于在每個(gè)碼字中第一個(gè)被檢測(cè)到的符號(hào)數(shù)目可以確定，這些碼字都能雙向解碼，除了恒定碼重策略，其他生成RVLC表的方法是在每個(gè)碼字中分配固定數(shù)目的0、1。在這種情況下，RVLC碼可能的設(shè)定由01、10、0011、1100、001011、000111、110100等組成。相比于優(yōu)化的Huffman碼，雙向可解碼的編碼比特率增加2～3個(gè)百分點(diǎn)。

　　5、EREC(差錯(cuò)彈性的熵編碼)

　　盡管雙向解碼算法提高了抑制同步丟失的效率，但是相關(guān)聯(lián)的可逆VLC碼字在編碼比特流中引入了不必要的開銷，EREC通過在各種視頻參數(shù)的連續(xù)傳輸間提供轉(zhuǎn)換，顯著提高了編碼視頻流的差錯(cuò)彈性。視頻通信中差錯(cuò)最具破壞性的作用是使解碼器丟失同步，這源于視頻參數(shù)的變長(zhǎng)碼和兩個(gè)連續(xù)同步字之間參數(shù)的可變數(shù)目。EREC試圖使用定長(zhǎng)的時(shí)隙結(jié)構(gòu)來重組變長(zhǎng)碼，使得每個(gè)VLC碼的起始總是跟定長(zhǎng)時(shí)隙起始位置相一致。定長(zhǎng)時(shí)隙長(zhǎng)短由編碼器決定，并在傳送該時(shí)隙之前，放在視頻塊首發(fā)送給解碼器。如果解碼器檢測(cè)到VLC碼中有比特差錯(cuò)，同步總在下一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)恢復(fù)，因此限制了受損時(shí)隙中的比特差錯(cuò)損傷。

　　三、組合的誤碼彈性工具

　　除了前述獨(dú)立的差錯(cuò)彈性機(jī)制，在視頻編碼算法中還可以使用組合技術(shù)來優(yōu)化差錯(cuò)彈性。彈性技術(shù)具有多種選擇，為了獲得擬選的優(yōu)化視頻質(zhì)量，我們應(yīng)選擇特定分組段。例如，分組的第一部分是由所包含宏塊的輪廓和運(yùn)動(dòng)編碼數(shù)據(jù)組成的，尚包含有關(guān)的管理數(shù)據(jù)，如COD標(biāo)志和MCBPC。第二部分包含變長(zhǎng)的DCT數(shù)據(jù)和某些符合標(biāo)準(zhǔn)的控制數(shù)據(jù)，如CBPY和差分量化步長(zhǎng)(DQUANT)。為了在差錯(cuò)發(fā)生時(shí)，解碼器能在重要的第一部分中自動(dòng)恢復(fù)同步，采用EREC將編碼的運(yùn)動(dòng)矢量放入定長(zhǎng)時(shí)隙。使用HEC(信頭擴(kuò)展碼)標(biāo)志，對(duì)每個(gè)視頻幀中重要的頭部數(shù)據(jù)，在視頻分組中被復(fù)制，來減少在視頻序列中剔除的幀數(shù)。進(jìn)一步說，第二部分的TCOEFF系數(shù)(DCT數(shù)據(jù))采用RVLC碼字而便于后向解碼，減少了由于同步丟失而拋棄的DCT數(shù)據(jù)。第一部分的運(yùn)動(dòng)矢量也可采用可雙向解碼的編碼方式，但是EREC則取消了可逆VLC碼介入的開銷。實(shí)驗(yàn)表明組合差錯(cuò)彈性技術(shù)所改善的客觀質(zhì)量(以110kbit/s和25f/s的速率采用MPEG-4編碼的Suzie序列)。首先，應(yīng)用數(shù)據(jù)分割將幀中編碼的運(yùn)動(dòng)矢量(第一部分)和紋理數(shù)據(jù)(第二部分)分開，對(duì)第一部分的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)用EREC；而當(dāng)解碼器標(biāo)志第二部分出錯(cuò)時(shí)，DCT數(shù)據(jù)采用可逆的VLC碼，可對(duì)DCT系數(shù)雙向解碼；進(jìn)而，采用半碼率的Turbo碼來保護(hù)第一部分的頭部數(shù)據(jù)。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　差控策略用來減輕傳輸差錯(cuò)對(duì)解碼視頻質(zhì)量的影響，策略的選擇依賴于很多因素，如在雙向和多點(diǎn)通信中介入的延遲、誤碼恢復(fù)技術(shù)帶來的比特率開銷、處理過程的復(fù)雜度等，這是任何系統(tǒng)應(yīng)用需要設(shè)計(jì)的問題。

　　信道差錯(cuò)對(duì)感覺視頻質(zhì)量有著決定性影響，可以有各種形式。然而，最有破壞性的信道差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致解碼端的同步丟失。由于在視頻編碼算法中應(yīng)用了時(shí)間和空間預(yù)測(cè)，差錯(cuò)會(huì)在視頻序列范圍內(nèi)從時(shí)間和空間上迅速傳播。為了限制這種差錯(cuò)傳播并減輕其影響，采用了差控機(jī)制來滿足用戶需求和期望。最簡(jiǎn)單的差控技術(shù)是當(dāng)受到傳輸差錯(cuò)影響，需要隱蔽出現(xiàn)在視頻內(nèi)容中的“馬賽克”。這些技術(shù)基于解碼器，則在壓縮視頻流中不必增加開銷。另一類差控技術(shù)包含一些力圖阻止差錯(cuò)在時(shí)空間累積的機(jī)制。這類技術(shù)中最典型的代表是INTRA更新，該技術(shù)以規(guī)則的時(shí)間間隔發(fā)送INTRA幀。改進(jìn)后的自適應(yīng)INTRA更新(AIR)是以INTRA模式發(fā)送預(yù)定數(shù)目的運(yùn)動(dòng)宏塊，每幀發(fā)送一次。

　　由于AIR在更規(guī)則的間隔上更新視頻場(chǎng)景中最活躍的部分，比INTRA更新獲得更穩(wěn)定的視頻質(zhì)量。再一類差控機(jī)制是致力于檢測(cè)到差錯(cuò)時(shí)恢復(fù)同步的機(jī)制，這類差錯(cuò)彈性機(jī)制的例子有EREC和雙向解碼。EREC將變長(zhǎng)碼放到預(yù)置的定長(zhǎng)時(shí)隙中，當(dāng)解碼器不能完成對(duì)當(dāng)前VLC碼解碼時(shí)，其能在下一時(shí)隙起始處恢復(fù)同步。這樣就減少了由于丟失同步而拋掉的比特?cái)?shù)目。當(dāng)編碼視頻流遇到傳輸差錯(cuò)時(shí)，雙向解碼是最小化有效誤碼率的高效算法。雙向解碼是解碼器能對(duì)比特流雙向解碼，來恢復(fù)全部或部分在前向解碼中扔掉的比特流。為了使解碼器能反向解碼，在比特流中采用了可逆碼字。

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