浅谈3G视频通信中容错技术的应用

摘要：随着第三代数字无线移动通信网络以及多媒体信息服务的迅猛发展，3G视频通信的高可用性已成为业界关注的一个新的焦点。作为一个新型的通信技术，3G视频通信有很多新的特点，所有这些新的特点对传统容错技术带来新的挑战。H.264／AVC视频编码标准本身提供了许多容错工具，可以很好的解决易差错信道的视频容错传输。本文以如何提高3G视频通信的可用性为目标，对3G视频通信中关键的容错技术(包括错误隐藏技术，Slice结构及参数集等)的应用进行了初步探讨。
关键词：3G  视频通信  H.264/AVC  容错技术
        0 引言
        传统的视频编码标准都是围绕比特流的概念组织的。实际上用于传送数字视频的大多数网络体系结构并不适合直接传输比特流。在许多网络体系结构中，比特流需要拆分为数据分组。这些分组的特性，如最小/最大尺寸、相关开销和差错属性等在网络体系结构间、甚至在某个给定的网络体系结构内也是很不相同的。假如视频编码器自身能和网络特性很好的匹配，将能够获得更好的视频QoS。问题是如何容错地支持易差错的无线移动网络？为了解决无线移动信道视频的容错传输，我们将采用如前向纠错编码及支持差错复原的视频压缩编码技术来解决。H.264编解码器可以很好的解决易差错信道的视频容错传输。在3GPP/3GPP2的传输环境下通过选择适当的条带长度使H.264编解码器和无线移动信道的网络特性得到很好的匹配，实现无线移动信道视频的容错传输。H.264标准适用于无线网络传输的主要原因之一就是在概念上分为两层:视频编码层VCL(Video Coding Layer)和网络抽象层NAL(Net work Abstraction Layer)，其中VCL负责高效的视频内容表示，它被设计成尽可能独立的网络，NAL负责对编码信息进行打包封装并通过指定网络进行传输。H.264中还定义了两种新的帧编码类型，即SP帧和SI帧来完成不同流的切换，可以根据传输网络和用户终端的具体情况自适应地在不同码率的视频流之间切换，这大大改善了视频流对3G网络的适应性。
        1 3G视频通信中容错技术的应用
        3G通信技术的出现使对话式无线视频业务成为可能，虽然3G网络在移动环境下的带宽可达384kbps，在静止环境下的带宽可以达到2Mbps，但是由于信道衰减、建筑物遮挡、终端移动、多用户干涉等原因影响，使得信道是时变且高误码的，因此，在3G网络上传输视频流时，仅仅追求高的压缩效率是不够的，必须有一定的容错和错误掩盖措施。最新的3GPP/3GPP2标准要求3G终端支持H.264/AVC视频编解码技术，同时由于硬件的限制，3G终端只支持部分H.264/AVC的容错工具。H.264中虽然提供了一些容错工具，但是它们有各自不同的用途和目的，即在不同的场合需要选择不同的组合来使用。
        1.1 错误隐藏技术 由于错误隐藏技术能够利用接收到的数据来恢复丢失的数据，因此一般都应用在解码器端。在无线网络环境中，解码器的这种能力尤其重要，因为无线网络环境中误码率高，很多RTP包在传输中被网关或者路由器丢弃，而这些丢失的数据又必须在解码器端根据空间和时间上的相关性来恢复。错误隐藏技术的实现方法也很多，在JVT参考软件中，就使用了一种空间相关性的方法，即使用被丢失宏块周围的4个宏块来恢复被丢失的数据，其选用的标准是使恢复后边缘数据的SAD(sum ofabsolute difference)差最小。这种方法的效果虽不是最好，但是计算简单有效。
        1.2 2Slice结构 为了满足MTU大小的要求，在3G网络视频传输中对视频进行分片压缩显得尤其重要。经过分片压缩后的视频中每个RTP包中包含一个片，一般每个slice中包含一个或者几个宏块，并以RTP包的大小满足MTU的要求为准。
        1.3 帧内编码块刷新 由于帧内编码不依赖时间上相邻帧的数据，所以帧内编码块能有效地阻止由于包丢失甚至帧丢失而引起的错误传播。对于对话式视频业务来说，由于实时性要求高，而且I帧刷新的频率较低，因此可以用帧内编码块来部分代替I帧的作用。H.264／AVC提供了两种帧内编码块刷新(intrablockrefreshing)模式；其中，一种是随机模式，即用户可以选择帧内编码块的数目，而由编码器随机决定哪些哪些位置上的宏块实行帧内编码；另一种是行刷新模式，即编码器在图像中依次选择一行进行帧内编码，但图像分辨率大小不同，每次需要帧内编码块的数目也不同，例如在QCIF格式图像中，每次需要选择一行，即11个宏块进行帧内编码，而在CIF格式图像中，这个数字变成22。
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        1.4 参数集(Parameter Sets) H.264标准中，取消了序列层和图像层，将原本属于序列和图像头部的大部分句法元素分离出来形成序列参数集SPS(Sequence Parameter Set)和图像参数集PPS(Picture Parame2ter Set)。序列参数集包括了与一个图像序列有关的所有信息，如编码所用的档次和级别、图像大小等，应用于视频序列。图像参数集包含了属于一个图像的所有片的信息，如嫡编码方法、FMO，宏块到片组的映射方式等，应用视频序列中的一个或多个独立的图像。多个不同序列参数集和图像参数集被解码器正确接收后，被存储于不同的己编码位置，解码器依据每个己编码片的片头的存储位置选择合适的图像参数集来使用。
        1.5 冗余片(Redundant Slice) H.264编码器除了对片内的宏块进行一次编码外，还可以采用不同的编码参数对同一个宏块进行一次或多次编码，生成冗余片，冗余片的信息也被编码进同一个视频流中。解码器在能够使用主片的情况下会抛弃冗余片，反之如果主片丢失，也可以通过冗余片来重构质量。
        1.6 灵活的宏块排序(FMO) FMO技术通过片组(slicegroup)技术来实现。片组是由一个或者多个片组成，而每个片中通常包括一系列的宏块。采用FMO进行视频编码的好处在于，可以使因信道传输而引起的错误分散。具体实施方法是:帧图中的宏块可以组成一个或几个片组，每一个片组单独传输，当一个片组发生丢失时，可以利用与之临近的已经正确接收到的另一片组中的宏块进行有效的错误掩盖。片组组成方式可以是矩形方式或有规则的分散方式(例如，棋盘状)，也可以是完全随机的分散方式。采用FMO提高了码流的容错能力，却使编码效率有所降低，同时也会增加编码延迟时间。
        2 结论
        通信技术的飞速发展，第三代数字无线移动通信网络以及多媒体信息服务(MMS)的兴起为无线移动环境下的多媒体通信业务(特别是视频)提供了应用和发展的需求．多媒体业务是3G的基本业务之一，然而视频通信业务对3G网络还是一种挑战，这是由于无线网络是一种易错网络，容易受到多径干扰、阴影衰落等多种条件的影响，致使视频传输流中的RTP包会大量丢失，因此对于3G无线网络中的视频通信业务，容错技术是不容忽视的。H.264／AVC视频编码标准本身提供了许多容错工具，可以很好的解决易差错信道的视频容错传输，提高3G视频通信的可用性。
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