海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)優(yōu)化應(yīng)用研究＊

（海司信息化部 北京 100841）

1 引言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展和國際環(huán)境的深刻變化，推動世界新軍事革命進(jìn)程不斷加快。面對新形勢，海軍裝備建設(shè)為了適應(yīng)海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型需要，正在構(gòu)建海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)，在海軍現(xiàn)役各通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)海軍通信網(wǎng)絡(luò)一體化，為用戶提供多手段、多業(yè)務(wù)、多路徑、自動高效、隨遇接入的綜合信息保障，提升基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力。海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)需依托各類無線通信資源，在岸海空天等各類平臺之間傳送實(shí)時畫面，為指揮控制、情報偵察、遠(yuǎn)程醫(yī)療、后勤保障等應(yīng)用提供了更為豐富和準(zhǔn)確的信息，極大地提升了海軍信息化應(yīng)用能力。海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)連接關(guān)系

由于海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)需要建立岸基指揮所、艦船、飛機(jī)和各類偵察設(shè)備之間的通信連接，涉及的平臺數(shù)量多，每個平臺分配到的無線通信資源有限；同時，海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用已經(jīng)不是點(diǎn)對點(diǎn)視頻業(yè)務(wù)，需要在岸海空天等多個平臺之間以網(wǎng)狀方式傳送多路視頻信號，因此每路視頻信號的傳輸帶寬非常有限。另一方面，由于無線信道存在著信道被干擾的可能性，因此實(shí)時視頻通信必須考慮丟包和誤碼的情況。綜上所述，如何在海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，依托窄帶無線通信資源，進(jìn)行多路網(wǎng)狀高質(zhì)量視頻圖像傳輸成為了當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。

圖2 視頻編碼的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，為了解決這一問題，研究人員不斷地提出效率更高的視頻編碼工具［1～2］和差錯掩藏工具［3～4］，在編解碼兩端優(yōu)化視頻圖像質(zhì)量。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)計人員往往還是采用通用的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信源壓縮。H．264標(biāo)準(zhǔn)通過多模式編碼和1／4像素運(yùn)動估計等高復(fù)雜度編碼工具，其編碼效率較MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)提升了一倍，是目前實(shí)用的編碼效率最高的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。在不改變H．264編碼結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)視頻編碼場景的特點(diǎn)合理的分配碼率資源，成為在實(shí)際應(yīng)用中提升視頻編碼質(zhì)量的有效手段。本文針對海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻通信特點(diǎn)，提出了基于信息效用的宏塊級碼率分配方法，有效地提升了視頻編碼質(zhì)量。

2 海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻失真分析

在H．264 標(biāo)準(zhǔn)中，編碼資源的合理分配離不開率失真函數(shù)的優(yōu)化。在視頻編碼傳輸中，宏塊端到端的失真包括信源編碼失真和信道傳輸失真。由于信源失真和信道失真相互獨(dú)立，端到端的失真D（n，i）可以寫成：

其中Ds（n，i）、Dc（n，i）分別表示第n幀中第i個宏塊的信源失真和信道失真。Ds（n，i）主要是由視頻編碼中的有損編碼環(huán)節(jié)所帶來的，例如量化編碼。Dc（n，i）主要是信道的丟包、誤碼所帶來的。進(jìn)一步而言，Dc（n，i）又可以表示成誤碼擴(kuò)散失真Dep（n，i）和差錯掩蓋失真Dec（n，i）。

其中，Dep（n，i）指在解碼端正確接收信號時，由已解碼圖像的誤碼錯誤所導(dǎo)致的擴(kuò)散誤差。Dec（n，i）則指在發(fā)生傳輸錯誤時，解碼端采用差錯掩蓋算法時的掩蓋失真。

文獻(xiàn)［5］指出，在基于RTP、UDP和IP的傳輸環(huán)境和打包策略下，IP 包中每個像素的丟失率和數(shù)據(jù)包的丟失率相等，因此端到端的宏塊失真可以表示成：

其中，p代表信道的丟包率。在得到了無線信道下的失真函數(shù)后，我們將其代入H．264的率失真函數(shù)，從而得到無線信道條件下的率失真模型。

由于Dec（n，i）是錯誤掩蓋失真，與編碼無關(guān)，則可得到等價的率失真函數(shù)：

其中λ1是Lagrange乘子，其等于H．264中的Lagrange乘子λ除以（1-p）。當(dāng)λ1增大的時候，代表碼率對于代價函數(shù)的影響更大，因此通常會使用幀間編碼等編碼碼率較小的編碼模式；反之，當(dāng)λ1減小的時候，說明碼率對于代價函數(shù)的影響變小，選擇幀內(nèi)編碼模式的機(jī)會就增加了。同時，λ1減小表明，代價函數(shù)偏向于失真更小的編碼模式，因此能夠改善圖像的編碼質(zhì)量。

需要指出的是，對于幀內(nèi)編碼模式的宏塊而言，其解碼的過程中不依賴已解碼的圖像，因此不存在誤碼擴(kuò)散失真Dep（n，i）。而對于幀間編碼模式的宏塊而言，解碼過程會將原先解碼圖像的誤差擴(kuò)散到當(dāng)前解碼塊，增加解碼圖像的失真。因此，對于無線視頻通信而言，減小λ1值可以增加選擇幀內(nèi)編碼模式的機(jī)會，進(jìn)而有效的降低圖像的誤碼擴(kuò)散失真。

3 海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻編碼優(yōu)化

在海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)視頻圖像屬于背景固定的監(jiān)控類圖像。對于使用視頻的工作人員而言，背景圖像對于使用者的作用很小。使用者所關(guān)心的圖像信息一般只存在于視頻圖像的某一部分區(qū)域，因此可以根據(jù)使用者的實(shí)際需求，針對重點(diǎn)監(jiān)控的區(qū)域增加碼率分配，減小關(guān)鍵區(qū)域的誤碼擴(kuò)散，從而提升圖像的可用性。

一般而言，海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)中的視頻監(jiān)控點(diǎn)往往固定，因此可以通過人為設(shè)置重點(diǎn)區(qū)域的方式確定畫面的關(guān)鍵區(qū)域。如果想要得到更為精確的劃分，也可以通過關(guān)注度自動提取［6］等方法預(yù)先提取出人眼視覺所關(guān)注的區(qū)域，再通過人工判別的方法標(biāo)注出重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。

在獲取的監(jiān)控畫面的重點(diǎn)區(qū)域之后，本文根據(jù)宏塊的重要程度來調(diào)整宏塊的量化系數(shù)和率失真函數(shù)的斜率。如圖3所示，本文首先根據(jù)圖像塊對工作人員的效用，將宏塊劃分成四種類型，其中灰色宏塊為背景區(qū)域的宏塊，藍(lán)色區(qū)域的宏塊為過渡帶宏塊，紅色區(qū)域的宏觀為普通感興趣區(qū)域宏塊，而白色宏塊代表邊緣感興趣區(qū)域宏塊。其中，感興趣區(qū)域中的邊緣宏塊對于描述物體輪廓進(jìn)而認(rèn)知物體起到核心作用，因此對此類宏塊應(yīng)該分配較多的編碼碼率，而背景區(qū)域則可以分配較少的編碼碼率。

圖3 感興趣區(qū)域量化系數(shù)設(shè)置示意圖

首先，本文根據(jù)宏塊的類型來調(diào)整其量化系數(shù)。假設(shè)背景區(qū)域的量化值為QP1，重點(diǎn)區(qū)域的量化初始值為QP2，紅色宏塊的量化值為QP3，白色宏塊的量化值為QP4，過渡帶的量化值分別為Qi（圖中，i＝1，2，藍(lán)色區(qū)域）。首先過渡帶的量化系數(shù)值為

其中，DISi為過渡帶宏塊到重點(diǎn)區(qū)域邊界的最短距離，width為過渡帶的寬度。白色宏塊的量化系數(shù)為QP4＝QP2，紅色宏塊的量化系數(shù)為QP4＝（QP3＋max｛Qi｝）／2。

同時，本文還調(diào)整了重點(diǎn)區(qū)域的λ1值和背景區(qū)域的λ1值，讓重點(diǎn)區(qū)域的宏塊以更精細(xì)的編碼模式編碼。而背景區(qū)域使用大的λ1值，降低編碼碼率。具體而言，λ1縮放權(quán)重的取值范圍是［0．5，2］。

最后，對于重點(diǎn)區(qū)域中的宏塊，所有的DCT 系數(shù)都會被如實(shí)編碼，而背景區(qū)域的宏塊會將一部分DCT 系數(shù)置成0，再進(jìn)行編碼，從而進(jìn)一步降低編碼碼率。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文在H．264的參考代碼平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測試序列為：通用測試序列中的Hall、Foreman、Claire和Carphone，以 及AVS［7］中的監(jiān)控測試序列中的Subway，Crosss＿street，Night＿static，Substation。其測試的條件設(shè)置如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)編碼器設(shè)置

部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示：上面是整幀RD 性能曲線圖，而下面是重點(diǎn)區(qū)域的RD 曲線圖。

圖4 Subway整幀RD 性能曲線和重點(diǎn)區(qū)域RD 性能曲線

圖5 Night＿static整幀RD 性能曲線和重點(diǎn)區(qū)域RD 性能曲線

圖6 foreman整幀RD 性能曲線和重點(diǎn)區(qū)域RD 性能曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：大部分序列可以做到在有效碼率內(nèi)（一般小于2M）改善重點(diǎn)區(qū)域的編碼質(zhì)量。與H．264 參考模型的編碼器相比，在相同碼率下，重點(diǎn)區(qū)域的客觀編碼質(zhì)量提升了0．5dB～1dB；與此同時，整幀平均的PSNR 值不下降或者略微下降（一般小于0．1dB）。同時，重點(diǎn)區(qū)域質(zhì)量提升的效果和重點(diǎn)區(qū)域的大小相關(guān)，重點(diǎn)區(qū)域劃分得越精確，則重點(diǎn)區(qū)域編碼質(zhì)量提升的效果越好。

與此同時，我們還模擬了無線環(huán)境下的傳輸丟包，并比較本方法和H．264 的解碼圖像。本文利用VCEG 中的無線傳輸參考模型MobileIP［8］進(jìn)行丟包仿真，然后將接收到的錯誤的JM 碼流進(jìn)行解碼。如圖7所示，左側(cè)圖像為H．264的解碼圖像，右側(cè)圖像為本方法的解碼圖像。可以看到本方法的誤碼擴(kuò)散所帶來的視覺誤差更小。

圖7 Claire無線信道的主觀對比圖

最后需要指出的是，本方法并未增加編碼環(huán)節(jié)，時間復(fù)雜度并未增加。同時，因?yàn)橐鎯陦K的類型，需要增加一定的內(nèi)存開銷。

5 結(jié)語

針對海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)中窄帶無線通信系統(tǒng)如何提高視頻圖像傳輸質(zhì)量的問題，本文針對海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用的特點(diǎn)，根據(jù)宏塊的重要程度來調(diào)整宏塊的量化系數(shù)和率失真函數(shù)的斜率，進(jìn)而有效地提升了海上柵格化信息網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)中關(guān)鍵區(qū)域的編碼質(zhì)量。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，本方法與H．264參考模型的編碼器相比，在碼率相同和整幀PSNR 相同的條件下，重點(diǎn)區(qū)域的客觀編碼質(zhì)量提升了0．5dB～1dB。同時，對于信道丟包誤碼，本方法具有更好的抗誤差擴(kuò)散的能力。

［1］ISO／IEC JTC1／SC29／WG11 N4668：Overview of the MPEG-4Standard［S］．2002．

［2］畢厚杰．新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)-H．264［M］．北京：人民郵電出版社，2005．

［3］S．K．Bandyopadhyay，Z．Wu，P．Pandit，et al．Frame loss error concealment for H．264／AVC［R］．Joint Video Team（JVT）of ISO／IEC MPEG and ITUT VCEG，JVT-P072，2005．

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［6］L．Itti．Automatic Foveation for Video Compression using A Neurobiological Model of Visual Attention［J］．IEEE Transactions on Image Processing，2004，13（10）：1304-1318．

［7］中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T20090．2．-201X 信息技術(shù)-先進(jìn)音視頻編碼 第2部分：視頻（第二次修訂版）［S］．2012．

［8］Viktor Varsa，Marta Karczewicz．Common Test Conditions for RTP／IP over 3GPP／3GPP2，VCEG-N80［C］／／VCEG Fourteenth Meeting，Santa Barbara，CA，USA，2001．