一种非可靠信道下H.264码流控制方法

王琰 于大海 沈霁 郑璧青 袁杰

摘要：H.264视频压缩技术在传输过程中由于物理信道的的损伤会引入噪声，本文通过纠错控制机制提高H.264编解码的适应性。本方法适合在空间信道不稳定、码流易丢易错的情况下使用，便于硬件实现。

关键词：H.264;加解扰;码流控制;BPM算法

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0062-02

0 引言

图像因为直观生动作为最常见的信息传输方式和表现形式，能提供比其它形式数据更多的信息，在航天系统中也必不可少。在航天应用中，由于空间环境造成无线信道的不稳定性，在传输图像数据时会因为信道损伤导致比特流数据错误或丢失，引入很多的噪声，从而导致传输视频时发生误码、丢包以及延迟等现象，无法满足卫星等高可靠性产品的要求。而航天产品需要面对恶劣的空间环境，因而在设计时必须考虑非可靠信道下的图像编解码问题。

因为像素数据间的相关性，图像压缩具有可行性。H.264视频压缩技术作为新一代视频压缩国际标准，具有目前视频标准中最好的压缩效率。为适应运载火箭的信道特点、追求更好的压缩性能，本文在H.264编解码的基础上改进，对数据流进行加解扰和帧率控制的措施，从而降低信道误码的概率并减小误码、丢包带来的影响。控制流程图如图1。

1 码流加解扰

1.1 加扰措施

数字通信中的数据中免不了有长串的连“0”和连“1”，会导致数据流中有相当大的低频成分的能量，并且不利于解码时数据流中时钟信号的提取。加扰是对对信号码元作有规律的随机化处理，它可以减少连“0”或连“1”长度，保证接收机能提取到位定时信号，使加扰后的信号频谱更能适合基带传输。它的原理是以能产生伪随机序列的线形反馈移位寄存器理论为基础。它以数据输入和线性反馈输出的模二加为加扰器的输出，输出由数据输入和移位寄存器的状态决定。这样就改变了输入数据的形式。本文使用一个10级移位寄存器构成的加扰器，它的级联多项式是一个本原多项式：

硬件结构原理图如图2所示。对编码后的码流进行加扰后，码流中不再出现连“0”或连“1”的信号，保证接收机能提取到位定时信号，使加扰后的信号频谱更能适合基带传输。

1.2 解扰恢复码流

解扰是加扰的逆过程，在接收端实施。它的工作原理和加扰器的工作原理刚好相反。由于加扰器用的是10级移位寄存器，所以解扰器用的也是10级移位寄存器。

2 帧率控制策略

2.1 帧率预测

在易失信道中，可能会发生丢包问题而造成图像码流传输中发生丢帧或误帧引起视频不连续的现象。为解决此问题，本文在解码的同时，进行帧率控制。根据帧计数判断图像的连续性，当发生丢帧或误帧的情况时，采用插值算法对丢失或错误图像进行预测，确保输出图像的连续性。

预测方法如下：

（1）首先判断缺失的图像帧数，当连续缺失帧数大于5帧时，预测因为不精确变得没有意义，则采用持续播放前一帧数据的策略。（2）当连续缺失帧数小于等于5帧时，每25帧图像分为一组，进行一次预测。预测出的运动矢量将在下一组图像中使用。假设每组图像的第一帧为参考帧，在相邻两帧图像间采用位平面匹配（Bit Plane Matching， BPM）算法。（3）以参考帧和上一组图像估计出的运动矢量对缺失帧进行预测，确保输出图像的连续性。

2.2 BPM算法

BPM算法是一种块匹配算法，其基本流程如下：统计当前块中各像素点灰度值的平均值，并将之与当前块和搜索窗口中像素点灰度值的大小相比较，将它们转换成由0和1构成的位平面（Bit Plane，BP），在位平面中进行搜索匹配。

BPM算法通过计算当前块和待匹配块对应的2个位平面中不同元素的个数（NNMP）衡量两者是否匹配，当NNMP小于阈值Ta时，认为两者是匹配的，保留当前块，用于后面的处理;否则，认为这2个块是不可能匹配的。

式中，N表示块的大小;Bblock（i，j）表示当前块对应的位平面中（i，j）位置的元素值，Bsw（m+i，n+j）表示搜索窗中（m，n）位置待匹配块对应的位平面中（i，j）位置的元素值。满足NNMP匹配条件的位置很多，从中找出真正的匹配块，要进行SAD计算，选取SAD最小的位置作为最佳匹配位置，计算运动矢量。每组25帧图像求出的运动矢量求均值，作为下一组有缺失的图像中使用。

3 实验结果分析

下面是信道出现丢帧或误帧时，实验分别采用本文提出的帧率控制算法，和原始H.264编解码两种方案，进行的恢复图像效果比较。原始H.264解码器输出图像发生丢帧现象，出现黑屏直至下一次解码正确，如图3所示，采用本文的帧率控制方法后，可以对缺失的图像进行预测，预测图像有效，减小了视频流卡顿的现象，实现了提高图像在空间信道传输的可靠性的目的。

4 结语

本文通过加解扰和帧率控制来进行纠错控制，提供了一种基于H.264图像压缩标准的非可靠信道下的图像编解码方法，达到了提高数据可靠性的目的。适用于在信道不稳定的情况下传输图像，提高了运载火箭图像传输的可靠性。

参考文献

[1] 薛漪，马伍新.基于TMS320DM642芯片H.264编码器的设计[J].计算机工程与设计，2005（05）：1158-1160+1163.

[2] 吕治国.基于FPGA的加擾解扰设计[J].福建电脑，2010，26（07）：134+123.

[3] 姜峰，尚书林，梁利平.基于DSP的H.264/AVC解码器运动补偿模块的优化[J].微电子学与计算机，2012，29（10）：85-88+93.

[4] 高放，赵杰.一种改进的线性图像插值算法[J].电子设计工程，2012，20（15）：12-14+17.

[5] 李进伟，陈更生，尹文波.一种改进的位平面匹配运动估计算法[J].计算机工程，2012，38（02）：259-260+263.