HEVC在乘客信息系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

趙俁鈞，安曉峰，孫同慶，汪曉臣

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 山東分公司，濟(jì)南 250001）

作為城市軌道交通領(lǐng)域里新興的系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)依托現(xiàn)代成熟可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和圖像顯示等技術(shù)，向城市軌道交通乘客傳遞有關(guān)信息（如列車到發(fā)、首末班車時(shí)刻表、運(yùn)營公告信息、出行引導(dǎo)等信息）。乘客信息系統(tǒng)不僅是乘客乘車出行引導(dǎo)的信息服務(wù)系統(tǒng)，而且是城市軌道交通的重要窗口。

目前乘客信息系統(tǒng)中視頻流行的壓縮格式主要有H.264和MPEG-2，存在著網(wǎng)絡(luò)資源占用相對較多等局限性。而HEVC作為最新的壓縮格式，具有更高壓縮比和更低帶寬需求等特點(diǎn)，因此必將受到乘客信息系統(tǒng)廠商的重視。

本文簡要介紹乘客信息系統(tǒng)及其視頻壓縮技術(shù)，通過比較HEVC在H.264基礎(chǔ)上做出的改革，以乘客信息系統(tǒng)對H.264視頻流的處理模式為參考，提出了對HEVC高清視頻流在無線網(wǎng)絡(luò)里傳輸?shù)慕鉀Q方案。

1 乘客信息系統(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)（PIS）是城市軌道交通的重要組成部分，它依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車站、車載LED屏和LCD屏等顯示終端為媒介向乘客提供相關(guān)信息的服務(wù)。該系統(tǒng)主要運(yùn)營中以向乘客提供列車到發(fā)、首末班車時(shí)刻表、運(yùn)營公告、出行引導(dǎo)等信息，同時(shí)肩負(fù)向乘客提供出行參考、賽事直播、媒體新聞、廣告等實(shí)時(shí)動態(tài)的多媒體信息的責(zé)任。PIS由線網(wǎng)播控中心、線路控制中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)組成。

2 乘客信息系統(tǒng)中的主要壓縮技術(shù)

MPEG-2壓縮技術(shù)是在乘客信息系統(tǒng)中使用最為成熟的壓縮技術(shù)，其工作原理主要利用了圖像中的兩種特性：空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個(gè)場景都是由像素點(diǎn)構(gòu)成的，因此相鄰像素之間在亮度和色度上必然存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系就是空間相關(guān)性；一段視頻中某一場景一般都是有若干幀連續(xù)圖像排列成圖像序列形成的，圖像序列中前后幀圖像之間必然也存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系就是時(shí)間相關(guān)性。由于這兩種相關(guān)性的存在，圖像中勢必存在大量的在傳輸當(dāng)中多余的冗余信息。MPEG-2壓縮技術(shù)就是能將這些冗余信息去除，只保留少量非相關(guān)信息進(jìn)行傳輸，從而節(jié)省傳輸頻帶。MPEG-2解碼端利用這些非相關(guān)信息，按照提前約定好的解碼算法，恢復(fù)原始圖像，同時(shí)還可以保證一定的圖像質(zhì)量。

目前，在乘客信息系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的視頻壓縮技術(shù)應(yīng)該就是H.264/AVC（Advanced Video Coding/AVC）進(jìn)階視頻編碼，該技術(shù)能夠提供更高的視頻壓縮比和穩(wěn)定性。

H.264/AVC 相對以前的編碼方法，以MPEG-2 為例，在圖像內(nèi)容預(yù)測方面提高編碼效率，改善圖像質(zhì)量的主要特點(diǎn)如下：（1）可變塊大小運(yùn)動補(bǔ)償；（2）1/4 采樣精度運(yùn)動補(bǔ)償；（3）運(yùn)動矢量可跨越圖像邊界；（4）多參考圖像運(yùn)動補(bǔ)償；（5）消除參考圖像順序和顯示圖像順序的相關(guān)性；（6）消除參考圖像與圖像表示方法的限制加權(quán)預(yù)測；（7）改善“跳過”和“直接”運(yùn)動推測；（8）幀內(nèi)編碼直接空間預(yù)測；（9）循環(huán)去塊效應(yīng)濾波器；

H.264/AVC 除改善預(yù)測方法外，其他改善編碼效率的特性如下：（1）小塊變換；（2）分級塊變換；（3）短字長變換；（4）完全匹配反變換；（5）基于上下文的熵編碼。

H.264/AVC 具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)功能和各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境操作靈活性，主要特性如下：（1）參數(shù)集結(jié)構(gòu) ；（2）NAL 單元語法結(jié)構(gòu)；（3）靈活的像條大小 ；（4）靈活宏塊排序（FMO）；（5）任意像條排序 ；（6）冗余圖像；（7）數(shù)據(jù)劃分。

3 HEVC技術(shù)優(yōu)勢

作為在H.264基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，HEVC仍然使用預(yù)測加變換的混合編碼框架。不過，相對于前身H.264，HEVC 在很多方面有了很多突破。HEVC新技術(shù)特點(diǎn)如下。

3.1 更為靈活的編碼結(jié)構(gòu)

在HEVC中，將宏塊的大小從H.264的16×16擴(kuò)展到了64×64，在數(shù)量級上提高了16倍，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率視頻的壓縮。同時(shí)，為提高編碼效率HEVC采用了更加靈活的編碼結(jié)構(gòu)，包括編碼（Coding）、預(yù)測（Predict）和變換（Transform）3種不同功能單元。如圖1所示。

圖1 3種不同功能單元示意圖

其中，編碼單元（PU）與H.264中的宏塊相類似，以其為單位進(jìn)行視頻壓縮；預(yù)測單元從H.264的亞像素預(yù)測、加權(quán)預(yù)測和幀內(nèi)預(yù)測基礎(chǔ)上獨(dú)立出來，是進(jìn)行預(yù)測的基本單位；變換單元是進(jìn)行各種變換（如二級變換和整型變換等）和量化的基本單位。這3個(gè)單元的分離和獨(dú)立，使得編碼、預(yù)測和變換各個(gè)視頻處理環(huán)節(jié)更加靈活有效。

3.2 更靈活的塊結(jié)構(gòu)

量化樹變換（Residual Quad-tree Transform，RQT）剩余是一種自適應(yīng)程度非常高的變換技術(shù)，這種思想是在H.264/AVC中適應(yīng)性塊變換（Adaptive Block-size Transform，ABT）技術(shù)的基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展得來的。對于幀間編碼，它允許變換塊的大小根據(jù)運(yùn)動補(bǔ)償塊的大小和幀內(nèi)預(yù)測殘差的特性進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整。雖然塊的尺寸越大，就越能提供更好的能量集中效果大塊，并在量化后保存更詳細(xì)的圖像細(xì)節(jié)，但是在量化后產(chǎn)生了更多的振鈴效應(yīng)。因此，根據(jù)當(dāng)前塊信號的特性，自適應(yīng)的選擇變換塊大小，可以得到能量集中、細(xì)節(jié)保留程度以及圖像的振鈴效應(yīng)3者最優(yōu)的折中，如圖2所示。

3.3 采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移

在編解碼環(huán)路內(nèi)，為了減少壓縮后視頻失真，采樣點(diǎn)自適應(yīng)偏移（Sample Adaptive Offset，SAO）SAO在Deblock之后，對重建圖像進(jìn)行分類，對分類后圖像的像素值進(jìn)行加減一個(gè)偏移，從而提高壓縮率，減少碼流。

在壓縮中采用SAO，可以在保證編碼器和解碼器性能的前提下，可以提高視頻的壓縮率（平均可以減少2%～6%的碼流,而編碼器和解碼器的性能消耗僅僅增加了約2%）。

3.4 自適應(yīng)環(huán)路濾波

在編解碼環(huán)路內(nèi)，自適應(yīng)環(huán)路濾波（Adaptive Loop Filter，ALF）位于Deblock和SAO之后，用于恢復(fù)重建圖像以達(dá)到重建圖像與原始圖像之間的均方差（MSE）最小，從而減少重建圖像與原始圖像之間的差別。ALF的系數(shù)是在幀級計(jì)算和傳輸?shù)模虼瞬坏麕梢詰?yīng)用ALF，對于基于塊或基于量化樹的部分區(qū)域也可以進(jìn)行ALF，不過基于部分區(qū)域的ALF，必須傳遞指示區(qū)域信息的相關(guān)信息。

3.5 并行化設(shè)計(jì)

隨著科技發(fā)展的日新月異，當(dāng)前芯片架構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從單核性能逐漸往多核并行方向發(fā)展，因此為了充分發(fā)揮并行化程度非常高的芯片的性能，HEVC編解碼中加入了很多并行運(yùn)算的優(yōu)化思路， 主要包括：（1）Tile：用垂直和水平的邊界將圖像劃分為一些行和列，劃分出的矩形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)Tile，每一個(gè)Tile包含整數(shù)個(gè)LCU（Largest Coding Unit）， Tile之間可以互相獨(dú)立，以此實(shí)現(xiàn)并行處理；（2）Entropy slice：允許在一個(gè)slice內(nèi)部再切分成多個(gè)Entropy Slices，每個(gè)Entropy Slice可以獨(dú)立的編碼和解碼，從而提高了編解碼器的并行處理能力；（3）WPP（Wavefront Parallel Processing）：上一行的第2個(gè)LCU處理完畢，即對當(dāng)前行的第1個(gè)LCU的熵編碼（CABAC）概率狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行初始化。因此，只需要上一行的第2個(gè)LCU編解碼完畢，即可以開始當(dāng)前行的編解碼，以此提高編解碼器的并行處理能力。

4 HEVC在乘客信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外城市軌道交通車載子系統(tǒng)利用WLAN無線寬帶技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)列車與地面之間的雙向高速實(shí)時(shí)通信。車載設(shè)備通過接收無線傳輸?shù)男畔⒔?jīng)處理后實(shí)時(shí)地在列車車廂LCD顯示屏進(jìn)行播放。國內(nèi)城市軌道交通要求乘客信息系統(tǒng)提供不低于6 Mb/s帶寬的傳輸通道用于將1路標(biāo)清數(shù)字視頻信息（MEPG－2 TS流或H.264 TS流）傳送給車輛。

如果使用HEVC技術(shù)利用相同的帶寬完全可以傳遞高清數(shù)字視頻信息，但是由于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)自身特性，無可避免的在傳遞信息流的時(shí)候存在丟包的現(xiàn)象，同時(shí)由于HEVC技術(shù)壓縮比非常高，丟包將會造成大量數(shù)據(jù)丟失，因此必須建立補(bǔ)包機(jī)制，減少數(shù)據(jù)的丟失，補(bǔ)包流程如圖4。

圖4 補(bǔ)包流程

補(bǔ)包是為了在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下，通過有目的的利用單播的方式索取相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，然后按照既定順序?qū)⑵渑帕械揭呀邮盏降慕M播視頻中，將排列后的視頻流向指定終端播放，最大限度的保證播出視頻效果，同時(shí)又不會太多占用有限的網(wǎng)絡(luò)資源的一種折中機(jī)制。

5 結(jié)束語

HEVC是下一代最先進(jìn)的視頻壓縮技術(shù)，其會帶來更高清晰度、更高幀率、更高壓縮率視頻應(yīng)用。如果將其利用到PIS系統(tǒng)中，也終將會提升該系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，也更有利于乘客出行獲得相關(guān)信息、宣傳城市軌道交通和傳播城市文化等。

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