隨著各種各樣視頻服務(wù)業(yè)的飛速增長(zhǎng)，視頻編碼的目標(biāo)由單純追求高壓縮性能轉(zhuǎn)向使視頻流能夠更好地適應(yīng)各種不同的需求，如視頻會(huì)議、移動(dòng)無(wú)線視頻，以及視頻點(diǎn)播系統(tǒng)等。而在這些視頻流的應(yīng)用中，不同網(wǎng)絡(luò)的帶寬和終端用戶(hù)的處理能力是不盡相同的。同時(shí)，壓縮的視頻信號(hào)會(huì)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(gè)主要的問(wèn)題。

可伸縮視頻編碼（SVC）

SVC是Switching Virtual Circuit的縮寫(xiě)，意思是交換虛擬電路。信息包交換虛擬線路（節(jié)點(diǎn)之間只在需要傳送數(shù)據(jù)時(shí)才建立邏輯連結(jié)） 面向連接的網(wǎng)絡(luò)中，從一臺(tái)計(jì)算機(jī)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的連接。SVC是虛擬的，因?yàn)槁窂绞菑穆酚杀碇械玫降模皇墙⑽锢砭€路。SVC是交換的，因?yàn)樗馨葱枰ⅲ?lèi)似于一次電話(huà)呼叫。

作為H.264的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)可以解決無(wú)線信道中的這些問(wèn)題，它能產(chǎn)生一個(gè)高效靈活的比特流，以此滿(mǎn)足不同網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)的需要，這個(gè)單獨(dú)的比特流同時(shí)包括不同客戶(hù)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(dāng)視頻信號(hào)在信道傳輸時(shí)就要采用非均衡差錯(cuò)保護(hù)（UEP）的方法。為了提高SVC在有噪無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)馁|(zhì)量，本文提出一種新的非均衡差錯(cuò)保護(hù)方案。該方案通過(guò)控制低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）的碼率來(lái)實(shí)現(xiàn)非均衡差錯(cuò)保護(hù)，并用H.264可伸縮擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)作為其信源編碼模型。

在所提的方法中，首先根據(jù)時(shí)間、分辨率和質(zhì)量層以及峰值信噪比（PSNR）增益計(jì)算需要加入的校驗(yàn)位長(zhǎng)度，然后對(duì)信源編碼后產(chǎn)生的比特流進(jìn)行分包和信道編碼。同時(shí)本文所提方案有較低的計(jì)算復(fù)雜度，尤其適用于移動(dòng)終端設(shè)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(gè)滿(mǎn)足用戶(hù)不同需要的比特流。用戶(hù)能非常容易地從這個(gè)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(gè)碼流能同時(shí)提供多種空間、時(shí)間和質(zhì)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(zhì)量層的信息。

對(duì)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(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)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(guò)程的復(fù)雜性。2005年1月MPEG和ITUT視頻專(zhuān)家組決定共同將SVC作為H.264標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)修正。H.264的可伸縮的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)被選為SVC標(biāo)準(zhǔn)的起始點(diǎn)。SVC能夠在主比特流中丟棄一些NAL單元來(lái)抽取不同的空間、時(shí)間和分辨率的視頻信息。SVC的比特流能被分成一個(gè)基本層和很多加強(qiáng)層，每一層有不同的重要性。在無(wú)線信道中，用非均衡差錯(cuò)保護(hù)的方法來(lái)傳輸這些分層的視頻流能有效提高解碼得到的視頻質(zhì)量。

2 傳輸模型

可伸縮視頻編碼采用LDPC實(shí)現(xiàn)非均衡差錯(cuò)保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。信源編碼器使用H.264擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)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(lái)決定對(duì)每一層進(jìn)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(jié)果對(duì)信源編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行非均衡差錯(cuò)保護(hù)，把分包編碼后的數(shù)據(jù)送到無(wú)線信道中進(jìn)行傳輸。在接收端，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)過(guò)程和作用。

信源編碼器使用基于H.264的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)SVC。SVC支持時(shí)間、空間、質(zhì)量可伸縮，它提供了各種各樣的加強(qiáng)層，比MPEG-4能提供更好的伸縮性能。

2.1 非均衡差錯(cuò)保護(hù)的方法

本文所提方案采用LDPC編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)非均衡差錯(cuò)保護(hù)。LDPC碼是線性分組碼的一種，在線性分組碼中，長(zhǎng)度為k bit的信息位以一定的映射規(guī)則映射為長(zhǎng)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(duì)數(shù)據(jù)施加的保護(hù)不同，k越小，對(duì)數(shù)據(jù)施加的保護(hù)越大。

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(gè)方案，能分別對(duì)第r幀的每一層數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的保護(hù)。每一行代表了一個(gè)碼字，碼字長(zhǎng)度N bit，它是第r幀與時(shí)間、分辨率和質(zhì)量有關(guān)的特定數(shù)據(jù)。其中信息位的長(zhǎng)度為k bit，經(jīng)過(guò)LDPC編碼后包長(zhǎng)變?yōu)镹 bit。每一幀分為T(mén)個(gè)碼字，對(duì)每一幀數(shù)據(jù)，T的值是不相等的。根據(jù)時(shí)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(gè)圖像組（GoP）內(nèi)，由于分等級(jí)的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，可把每一個(gè)GoP內(nèi)所有的幀分為時(shí)間基本層和時(shí)間加強(qiáng)層。在每一幀內(nèi)，又由于分辨率可伸縮和質(zhì)量可伸縮，把每一幀數(shù)據(jù)分為基本層、空間加強(qiáng)層和質(zhì)量加強(qiáng)層。

由于加強(qiáng)層都是對(duì)基本層信息的加強(qiáng)，所以在每一幀內(nèi)，空間和質(zhì)量加強(qiáng)層的平均PSNR總是高于基本層的平均PSNR，由Q表示。

經(jīng)過(guò)信道后第r幀的PSNR總量如下：

在圖3所示的方案中，反復(fù)選取不同的Rr1,Rr2,…，RL組合，在（5）式的限制下，使由（4）式計(jì)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(duì)其他幀的數(shù)據(jù)也都采用這種方法，實(shí)現(xiàn)碼率分配方案。

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

（1）時(shí)間層：在一個(gè)GoP內(nèi)，時(shí)間層越低，重要性就越高，對(duì)它的保護(hù)就越大，碼率就越低。本方案對(duì)時(shí)間層由低到高每一幀的平均碼率相應(yīng)增加。

（2）分辨率層：分辨率層越低，重要性就越高，對(duì)它的保護(hù)也越大。

（3）質(zhì)量層：根據(jù)質(zhì)量層id，由低到高重要性越低，施加的保護(hù)越小。

（4）總量：選取每一幀內(nèi)PSNR總量最大的碼率組合。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

下面對(duì)本文所提方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中使用標(biāo)準(zhǔn)的CIF和QCIF格式的H.264序列。實(shí)驗(yàn)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(yù)測(cè)；圖像序列為標(biāo)準(zhǔn)YUV序列Foreman，City，Mobile序列；時(shí)間層分為三個(gè)層，質(zhì)量層分為兩個(gè)層，MGSVector0為16;編碼幀數(shù)設(shè)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(shè)置為200;采用BPSK方式進(jìn)行調(diào)制。

重復(fù)2 000次，統(tǒng)計(jì)每種碼率下，信號(hào)經(jīng)過(guò)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說(shuō)明了在相同的信噪比SNR條件下，隨著碼率的增加，信號(hào)經(jīng)過(guò)LDPC信道后成功接收的概率pj有逐漸下降的趨勢(shì)。說(shuō)明了保護(hù)程度越深，pj就越大。

根據(jù)如上參數(shù)設(shè)置對(duì)Foreman序列進(jìn)行編碼，按照（2）式計(jì)算每一層的平均PSNR值，統(tǒng)計(jì)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(fù)計(jì)算不同信噪比時(shí)每幀數(shù)據(jù)各種碼率組合得到的平均PSNR值。可得到不同信噪比時(shí)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(shí)每幀數(shù)據(jù)的碼率分配方法。

由表3得到信噪比為3.5時(shí)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(shí)的分包方案（本文沒(méi)有列出）。

根據(jù)上述分包方案，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻序列Foreman、City、Mobile進(jìn)行信道編碼后的視頻流進(jìn)行解碼，可得到使用本文所提非均衡差錯(cuò)保護(hù)UEP方案與只考慮時(shí)間層的UEP和只考慮質(zhì)量的UEP方案進(jìn)行比較的結(jié)果，如圖4所示的平均PSNR性能曲線圖。

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

本文提出了用LDPC信道編碼對(duì)SVC進(jìn)行非均衡差錯(cuò)保護(hù)的方案。H.264可伸縮的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的視頻流經(jīng)過(guò)信源編碼，并根據(jù)可伸縮視頻流經(jīng)過(guò)信源編碼后產(chǎn)生序列的時(shí)間、分辨率、質(zhì)量基本層和加強(qiáng)層各部分重要性的不同，分別對(duì)各部分使用LDPC進(jìn)行非均衡差錯(cuò)保護(hù)的信道編碼，再經(jīng)過(guò)加性高斯信道，最后對(duì)所得視頻序列進(jìn)行解碼。通過(guò)仿真可以看出，此方案相比其他非均衡差錯(cuò)保護(hù)的信道編碼，在性能上有很大的改進(jìn)，尤其是在信噪比小的無(wú)線信道中，此方案能顯示出明顯的優(yōu)越性。