H.265在卫星动中通图像传输中的应用

贲海霞

（南京中网卫星通信股份有限公司，南京 210061）

1 动中通对编解码技术的需求

卫星动中通通信系统中卫星通道的特点决定了编解码器需具备如下能力：

（1）受动中通卫星天线增益、经纬度、地球同步轨道通信卫星自身参数、天气状况（如下雨、多云）以及卫星带宽资源有限的限制，在许多地区上行带宽超不过1.5M。结合当前动中通实际使用要求，需要编解码器在低于2M的带宽下能够传输高清晰质量的图像。

（2）由于受到隧道、涵洞、树木、山体及建筑物等物体的遮挡，卫星通道经常出现中断，这就要求图像编解码器在卫星链路恢复后，能够即时恢复图像传输。

（3）卫星链路相对于有线链路其误码率要高很多，这就给卫星动中通通信系统的编解码系统提出了更高的要求，要采取相应机制，以适应较高的误码率。

（4）卫星动中通通信系统经常需要在高速运行的环境下进行图像传输，此时图像的变化将非常剧烈，这就对编解码器的运算处理能力提出了更高的要求，这种要求远大于对室内电视会议系统图像处理能力的要求。

（5）卫星动中通通信系统一般运行在车载环境中，环境温度较高，电磁干扰较强，对编解码器的适应性和抗干扰性能都提出了很高的要求。

2 H.265是动中通图像编解码器的理想选择

2.1 H.265技术的产生与发展

图1 视频编码标准沿革示意图

H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准，标准全称为高效视频编码（High Efficiency Video Coding），如图1所示。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H.264由于算法优化，可以低于1Mb/s的速度实现标清数字图像传送；而H.265则可以实现利用1～2Mb/s的传输速度传送720P（分辨率1280×720）普通高清音视频传送。

H.265和H.264标准的核心实际上是相同的，但前者使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置，改进所带来的最大好处是，全高清视频可以在低带宽下被很快压缩并传输。

2.2 H.265可以很好地与动中通结合

作为新一代视频编码标准，HEVC（H.265）仍然属于预测加变换的混合编码框架。然而，相对于H.264，H.265 在很多方面有了革命性的变化。这些变化，将使H.265技术可以很好地与动中通系统有效地结合。

（1）具有较高的压缩效率

H.265标准具有灵活的编码结构。在H.265中，将宏块的大小从H.264的16×16扩展到了64×64，以便于高分辨率视频的压缩。同时，采用了更加灵活的编码结构来提高编码效率，包括编码单元（Coding Unit）、预测单元（Predict Unit）和变换单元（Transform Unit）。H.265编码视频流与H.264编码视频流相比，在相同的图像质量下，通过H.265编码的视频大小将减少大约39～44%。

（2）快速重建链路，实现图像即时恢复

卫星动中通通信系统经常由于受到遮挡而发生卫星链路中断的现象，在卫星信号恢复后，编解码系统要能够以最快的速度恢复图像传输。H.265为了获得更好的重建图像和参考图像，提高预测编码性能，在图像恢复编码模块中，H.265采用了包括去块滤波、样本自适应偏移技术和自适应环路滤波，来进一步恢复图像信息。H.265的帧内预测模式支持33种方向（H.264只支持8种），并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法。同时，H.265编解码器可以建立在UDP基础之上，快速重建链路。

（3）具有较强的抗误码性能

在卫星数据通信过程中，由于噪声和其他原因，误码是必然存在的。H.265使用受限帧内编码防止由编解码器不匹配的参考像素而使空间帧内预测的空域噪声扩散。允许使用IPCM对使用帧内预测的CU中的PU进行编码，与预测变换编码相比，该模式的复杂度很低，但具有很高的抗误码性能。

此外，在运行过程中，出现卫星链路中断或误码率过高时，实现了画面停留在最后清晰的一帧上，同时，实现了在信号恢复之后，画面从接收到的清晰的一帧开始。H.265技术内置的多种错误恢复工具有利于解码端进行错误掩盖，误码超过一定阈值后跳过该帧，断流后则保持在最后一正常帧的静止画面，码流恢复后从第一个正常解码的IDR帧开始显示。

（4）具有较强的抗干扰能力

动中通系统中的摄像头有时会引入较大干扰，特别在低照度的环境中干扰对图像质量有非常大的影响。根据分析主要有两种噪声会影响视频质量，一种是相邻色素之间产生的伪颜色噪声，另一种是由于信号强度而产生的泊松噪声（会影响物体的边缘清晰度）。一般滤波器的工作原理是先做低通滤波，然后再做高通滤波。从频谱上分析，物体的边缘成分在做低通的时候已经损失掉了一部分，尽管在高通后通过一定的处理可以还原大部分，但实际上它已经不能够达到最理想的效果。这些噪点随着产品型号和工作环境的不同而不同。由于视频压缩算法效率与时间上的相关性有关，这种随机噪点对视频压缩的影响非常大，有时候甚至造成码流成倍上升，将压缩算法的优点全部掩盖。H.265技术一方面使用了高级图像预处理方法，减小低照度环境下噪点影响；另一方面，通过实时滤波技术的应用，使得在压缩之前就排除了信号中的干扰，压缩还原的图像有很大提高，同时也降低了传输码率。

（5）网络适应性强

H.265在网络适应性方面，仍然保持H.264的网络适应性。其包含一个内置的互联网协议适配层，可以被映射到任何固定IP、无线IP、存储装置或广播网络中。采取了一系列切合实际的技术措施，如视频编码层和网络提取层分离、封装NALUnits、指定参数集等提高了网络适应性，增强了数据抗误码的顽健性，从而保证了视频传输后压缩视频的QoS。视频编码标准的发展更加适应各种复杂类型的网络，比如，Internet，LAN，Mobile，ISDN，GSTN，H.222.0，NGN等网络。

（6）H.265比H.264改进的特性

H.265标准在算法的复杂性上比H.264有了大幅提升，以此获得较好的压缩性能。H.265在很多特性上都做了较大的改进，如表1所示。

表1 H.265和H.264关键特性对比表

3 动中通实测H.265视频会议终端

为了验证H.265技术在卫星通信低带宽环境下传输720P格式视频的效果，特对某品牌H.265视频会议终端进行了现场测试，测试情况如表2所示。

表2 车载卫星动中通通信测试记录

从测试结果来看，虽然未达到理想水平，但已能实现窄带下的高清视频传输。相信随着技术的不断发展、算法的不断优化以及芯片处理能力的不断提高，传输高清品质图像的效果会越来越好。

4 结束语

H.265标准是在H.264标准的基础上发展起来的，纵观H.264在视频应用领域的主流地位，可以预见H.265协议在未来将会有更加广阔的发展前景。由于其在压缩效率、并行处理能力以及网络适应性方面的极大改进，它的发展和应用必将把视频编解码理论和应用推向一个新的高度，其窄带传输高清视频的技术将会成为卫星动中通系统视频传输的主流技术。

[1] 刘国梁.从H.264向H.265的数字视频压缩技术升级.铁路通信信号工程技术（RSCE）， 2011年6月，第8卷第3期

[2] 陈清.H.265 标准现状和发展应用趋势[J] .中国多媒体通信，2008(10):12-15

[3] 许路，陈光.H.264在动中通应急图像传输中的应用.通信世界，2008年第43期