關于H.264視頻編碼傳輸的QoS特性分析
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在過去的20年里，Internet、移動通信和多媒體通信獲得了前所未有的發(fā)展，并獲得了巨大的商業(yè)成功。移動通信和多媒體技術的融合正在加速進行，諸如網絡架構、低功耗的集成電路、功能強大的數字信號處理芯片、高效的壓縮算法等方面的研究成果不斷涌現。面向無線網絡和因特網的視頻圖像編碼與傳輸技術已成為當今信息科學與技術的前沿課題。
2003年，ISO/IEC的運動圖像專家組（MPEG）與ITU-T的視頻編碼專家組（VCEG）聯(lián)手制定了最新的第三代視頻編碼標準H.264/AVC[1]。其主要目的就是為了提供更高的編碼效率和更好的網絡適應性。在相同重構圖像質量下，與H.263+和MPEG-4 ASP標準相比，能節(jié)約50%的碼流；采用分層模式，定義了視頻編碼層（VCL）和網絡提取層（NAL），后者專為網絡傳輸設計，能適應不同網絡中的視頻傳輸，進一步提高網絡的“親和性”。H.264引入了面向IP包的編碼機制，有利于網絡中的分組傳輸，支持網絡中視頻的流媒體傳輸；具有較強的抗誤碼特性，特別適應丟包率高、干擾嚴重的無線視頻傳輸的要求。
二、視頻通信容錯算法的回顧
目前視頻編碼壓縮標準主要有MPEG-x和H.26x兩大系列，這些壓縮算法都是基于宏塊的[2]，分別從三個方面改善編碼效率：
（1）運動估計/運動補償（MP/MC）消除視頻時間冗余；
（2）圖像差值的離散余弦變換（DCT）消除空間冗余；
?。?）量化系數的可變長編碼（VLC）消除統(tǒng)計冗余。
實踐表明，通過上述方法，視頻編碼標準獲得了極高的壓縮效率。但壓縮后的碼流在Internet，特別是無線信道上的傳輸仍然存在著一些棘手的問題，其中比較突出的一點是：一方面，這些壓縮后的碼流對信道比特誤碼非常敏感；而另一方面，無線信道由于多徑反射和衰落引入了大量的隨機誤碼和突發(fā)誤碼，影響了碼流的正常傳輸。尤其是當采用了VLC方案后，碼流更加容易受到誤碼的影響，結果在解碼端將失去與編碼端的同步，導致在遇到下一個同步碼字之前無法對VLC 碼字進行正確的解碼；同時預測編碼技術會將錯誤擴散到整個視頻序列中，極大地降低重建圖像的質量。因此，為了實現良好質量的視頻傳輸，必須結合實際應用信道的傳輸特性，采取一定的容錯措施。
根據在視頻傳輸系統(tǒng)中位置的不同，容錯算法[3]主要可分為基于編碼器的容錯算法，基于解碼器的容錯算法和基于反饋信道的容錯算法。其中：
?。?）基于編碼器的容錯算法，通過再編碼比特流中添加冗余信息，這些冗余信息被添加在信源或信道編碼器中，降低了編碼的效率，增加了實現的復雜度，以換取編碼的容錯性能，大致包括：分層編碼、多描述編碼、獨立分段編碼、再同步編碼和前向糾錯編碼（FEC）等。
?。?）基于解碼器的容錯算法，是指利用被損壞的宏塊與其相鄰的宏塊之間的相關性來完成恢復工作的，這部分工作包括錯誤檢測和錯誤恢復。對于錯誤的檢測，一般采用針對語法的檢錯和嵌入數據的檢錯；對于錯誤恢復，可采用時域和空域的錯誤隱藏方法。
?。?）基于反饋信道的容錯算法，指利用解碼器獲得誤碼信息，并通過反饋信道，傳送給編碼器進行誤碼處理的一種方式。主要包括：誤碼跟蹤，有條件的ARQ，幀內/幀間編碼模式選擇和參考圖像選擇模式等。
與此同時，在信源編碼器中，從視頻碼流結構上研究其抗誤碼性能，成為近兩年來研究的一個熱點。H.264/AVC作為最新的視頻編碼標準，采取了一系列切合實際的技術措施，提高了網絡適應性，增強了數據抗誤碼的頑健性，從而保證了視頻傳輸后的壓縮視頻的QoS。與以往的視頻編碼標準不同的是，H.264/AVC標準從系統(tǒng)層面定義了視頻編碼層（VCL，Video Coding Layer）和網絡提取層（NAL，Network Abstraction Layer）。其中，視頻編碼層獨立于網絡，主要包括核心壓縮引擎和塊、宏塊和片的語法句法定義。通過引入一系列新特性，不但使H.264的編碼壓縮效率提升了近1倍，而且多種錯誤恢復工具又增強了視頻流的頑健性。網絡提取層的主要功能是定義數據的封裝格式，把VCL產生的比特字符串適配到各種各樣的網絡和多元環(huán)境中。涉及片級別以上的語法定義，包括獨立片解碼所要求的數據表示，類似以往視頻壓縮標準中的圖像和頭部順序數據；防止競爭的編碼；附加的增強信息以及編碼片的比特字符串。
H.264從框架結構上將NAL與VCL分離，主要有兩個目的：首先，可以定義VCL視頻壓縮處理與NAL網絡傳輸機制的接口，這樣允許視頻編碼層VCL的設計可以在不同的處理器平臺進行移植，而與NAL層的數據封裝格式無關；其二，VCL和NAL都被設計成工作于不同的傳輸環(huán)境，異構的網絡環(huán)境并不需要對VCL比特流進行重構和重編碼。下面分別就VCL和NAL對于視頻傳輸的QoS進行分析。
三、H.264的視頻編碼層的錯誤恢復[1，4]
在H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4中，許多錯誤恢復工具已經得到了很好的應用：圖像分割的不同形式（片、塊組），I模式宏塊，片和圖像的內插，參考圖像選擇（帶有和不帶反饋、圖像級別、GOB/SLICE或MB級別），數據分割等。
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