CN103227926A - 适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置及其编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置及其编码方法，该装置包括发送终端模块与接收终端模块。发送终端模块包括视频采集、视频压缩、第一I帧数据判断、RS编码及网络发送五个子模块。接收终端模块包括网络接收、第二I帧数据判断、RS解码、视频恢复及视频显示五个子模块。在第一I帧数据判断子模块判断当前压缩码流为I帧数据时，RS编码子模块在传输前对压缩码流中的I帧进行前向纠错编码，以恢复出完整的I帧。在第二I帧数据判断子模块判断当前压缩帧数据为I帧数据时，RS解码子模块在解码到IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列。本发明还涉及该装置的编码方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种视频信号处理装置及其处理方法，具体地说是一种适用于低带宽、高误码率的无线通信信道的视频编码装置及其编码方法。
背景技术
为满足野外特定需求，需要通过无线自组网络完成数据交换，典型的自组网络包括Sub-GHz无线交换网络等，该类网络信道带宽通常较低且传输错误率高，可满足一般的文字信息传输，但在传输视频数据时，存在明显缺陷，主要体现在1）错误率高，导致丢包率高，视频接收端无法重建多数帧；3）对所有视频数据采用前向纠错码进行处理，但受限于低带宽，接收端帧频大幅降低。
目前视频技术的应用范围很广，如网上可视会议、网上可视电子商务、网上政务、网上购物、网上学校、远程医疗、网上研讨会、网上展示厅、个人网上聊天、可视咨询等业务。但是以上所有的应用都必须压缩。随着视频编码技术的不断发展，目前已发展出多类适合不同应用领域的编码方法，包括MJPEG，MPEG系列（含Mpeg1、Mpeg2、Mpeg4）以及H.26X系列。
其中H.264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验，设计简洁。H.264创造了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量（1/4、1/8）和新一代的环路滤波器，使得压缩性能大大提高，***更加完善。H.264标准的主要目标是与其它现有的视频编码标准相比，在相同的带宽下提供更加优秀的图象质量。H.264与以前的国际标准如H.263和MPEG-4相比，为达到高效的压缩，充分利用了各种冗余，统计冗余和视觉生理冗余。
针对CIF格式的视频源，不同的自然背景压缩后的h.264视频流码率一般在200kpb至400kbps，在网络传输错误率较高时（约0.1%）时通常采用前向纠错码对压缩视频流进行处理以提高抗干扰能力，通常会再增加码率50kbps左右。
目前在自组网中完成点对点的单向视频数据传输，采用的无线自组网络通信信道带宽为300kbps，传输层以20字节为一个数据包进行顺序传输，单个数据包错误率为1%，其中数据包在传输过程中不会丢失，错误的字节以0x00进行填充。整个应用的逻辑结构如图1所示。发送终端采集视频后采用开源模块X264实现h.264压缩编码，由于传输层至上没有实现IP层等类似的网络层，应用不采用RTP协议，而是直接将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输，接收端在接收到数据包并形成完整的压缩帧数据后再利用X264进行恢复、显示。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所存在的不足之处，提供一种在h.264编码的基础上通过调整视频压缩编码及冗余编码规则给出的传输效果可接受的，适合低带宽、高误码率信道通信的视频编码装置及其编码方法。
本发明是这样实现的，一种适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置，其包括：
发送终端模块，其包括：
视频采集子模块，其用于采集视频数据；
视频压缩子模块，其用于对该视频数据采用开源模块X264实现H.264压缩编码，其中，H.264压缩编码中，H.264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫I帧，参考之前的I帧生成的只包含差异部分编码的帧叫P帧，参考前后的帧编码的帧叫B帧，在H.264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束；
第一I帧数据判断子模块，其用于判断当前压缩码流是否为I帧数据；
RS编码子模块，其用于在判断当前压缩码流为I帧数据时，在传输前对压缩码流中的I帧进行前向纠错编码，以尽量恢复出完整的I帧，其中，RS编码单个符号长度选为8比特，块长度选择为512字节，消息长度选为506字节，以确保每个块可以纠错6个字节，针对B帧和P帧，不做任何冗余编码处理，以降低传输带宽需求；以及
网络发送子模块，其用于将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输；以及
接收终端模块，其包括：
网络接收子模块，其用于接收该数据包并形成完整的压缩帧数据；
第二I帧数据判断子模块，其用于判断当前压缩帧数据是否为I帧数据；
RS解码子模块，其用于在判断当前压缩帧数据为I帧数据时，在解码到IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列，其中，在H.264编码标准中，压缩视频流是一帧组的方式进行组织的，I帧是帧组中的第一帧也是IDR图像；
视频恢复子模块，其用于利用X264对该压缩帧数据进行恢复；以及
视频显示子模块，其用于显示恢复后的视频数据。
作为上述方案的进一步改进，该RS解码子模块还用于对压缩图像序列即压缩码流进行跟踪，当I帧在一段预定时间以内没有生成时，通知RS编码子模块立即生成新的I帧，以确保网络接收子模块在一次错误接收I帧数据后能短时间内重新接收I帧数据进行刷新。
优选地，该段预定时间为0.5秒。
作为上述方案的进一步改进，该第一I帧数据判断子模块判断当前压缩码流不为I帧数据时，跳转到该网络发送子模块。
作为上述方案的进一步改进，该第二I帧数据判断子模块判断当前压缩帧数据不为I帧数据时，跳转到该视频恢复子模块。
本发明还涉及一种无线通信信道视频编码方法，其包括以下步骤：
发送步骤：
采集视频数据；
对该视频数据采用开源模块X264实现H.264压缩编码，其中，H.264压缩编码中，H.264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫I帧，参考之前的I帧生成的只包含差异部分编码的帧叫P帧，参考前后的帧编码的帧叫B帧，在H.264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束；
判断当前压缩码流是否为I帧数据；
在判断当前压缩码流为I帧数据时，在传输前对压缩码流中的I帧进行前向纠错编码，以尽量恢复出完整的I帧，其中，RS编码单个符号长度选为8比特，块长度选择为512字节，消息长度选为506字节，以确保每个块可以纠错6个字节，针对B帧和P帧，不做任何冗余编码处理，以降低传输带宽需求；以及
将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输；以及
接收步骤：
接收该数据包并形成完整的压缩帧数据；
判断当前压缩帧数据是否为I帧数据；
在判断当前压缩帧数据为I帧数据时，在解码到IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列，其中，在H.264编码标准中，压缩视频流是一帧组的方式进行组织的，I帧是帧组中的第一帧也是IDR图像；
利用X264对该压缩帧数据进行恢复；以及
显示恢复后的视频数据。
作为上述方案的进一步改进，该解码过程还包括：对压缩图像序列即压缩码流进行跟踪，当I帧在一段预定时间以内没有生成时，通知编码过程立即生成新的I帧，以确保在一次错误接收I帧数据后能短时间内重新接收I帧数据进行刷新。
优选地，该段预定时间为0.5秒。
作为上述方案的进一步改进，在判断当前压缩码流不为I帧数据时，跳转到步骤：将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输。
作为上述方案的进一步改进，在判断当前压缩帧数据不为I帧数据时，跳转步骤：利用X264对该压缩帧数据进行恢复。
本发明基础上通过调整视频压缩编码及冗余编码规则给出的传输效果可接受的，适合低带宽、高误码率信道通信。
附图说明
图1为现有低带宽、高误码率的无线通信信道的视频编码方法的流程示意图。
图2为本发明较佳实施方式提供的适用于低带宽、高误码率的无线通信信道的视频编码方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对背景技术提出的问题进行分析研究并得出解决方法。
一、问题分析
在H.264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫I帧，参考之前的I帧生成的只包含差异部分编码的帧叫P帧，参考前后的帧编码的帧叫B帧。在H.264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束。完整帧I帧，采用帧内压缩技术，是一个全帧压缩编码帧，它将全帧图像信息进行JPEG压缩编码及传输。
由于在本应用中I帧采用了JPG压缩方法，其针对自然背景时数据量通常较大，约为10kb，加上帧头信息，一个I帧需要60个传输层数据包才可完整传输，那么I帧完全正确传输的概率约为54%；B帧和P帧采用帧间压缩，大小通常为100字节左右，完全正确传输的概率约为95%，由此可见在实际中约一半的I帧均不能完整接收，而B帧和P帧完整接收概率明显较高。由于I帧描述了图像背景和运动主体的详情，低接收率导致图像背景无法正确恢复；同时由于I帧是P帧和B帧的参考帧，其质量直接影响到同组中以后各帧的质量，导致B帧和P帧接收概率高变得好无意义；实际应用环境中视频图像除了运动对象几乎完全不看见，没有任何实际意义，实际环境观察结果也直接验证了该结论。
二、解决方法
针对以上问题，为了在不增加较多额外带宽的情况下提高视频传输效果，应用采用以前方法对压缩码流进行处理：
1、考虑到I帧传输错误会对造成解码错误扩散，同时I帧传输错误率较高，在传输前对压缩码流中的I帧进行前向纠错编码，以尽量恢复出完整的I帧。纠错编码采用RS（Reed-solomoncodes）编码，考虑到错误率约为1%，RS编码单个符号长度选为8比特，块长度选择为512字节，消息长度选为506字节，以确保每个块可以纠错6个字节；针对B帧和P帧，由于其压缩率较高，传输错误率较低，不做任何冗余编码处理，以降低传输带宽需求。新处理流程如图2所示。
与图2对应的适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置包括发送终端模块与接收终端模块。
发送终端模块包括视频采集子模块、视频压缩子模块、第一I帧数据判断子模块、RS编码子模块以及网络发送子模块。
视频采集子模块用于采集视频数据，执行图2中的步骤S21。
视频压缩子模块用于对该视频数据采用开源模块X264实现H.264压缩编码，其中，H.264压缩编码中，H.264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫I帧，参考之前的I帧生成的只包含差异部分编码的帧叫P帧，参考前后的帧编码的帧叫B帧，在H.264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束。视频压缩子模块执行图2中的步骤S22。
第一I帧数据判断子模块用于判断当前压缩码流是否为I帧数据，执行图2中的步骤S23。
RS编码子模块用于在判断当前压缩码流为I帧数据时，在传输前对压缩码流中的I帧进行前向纠错编码，以尽量恢复出完整的I帧，其中，RS编码单个符号长度选为8比特，块长度选择为512字节，消息长度选为506字节，以确保每个块可以纠错6个字节，针对B帧和P帧，不做任何冗余编码处理，以降低传输带宽需求。RS编码子模块执行图2中的步骤S24。
网络发送子模块用于将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输，执行图2中的步骤S25。
接收终端模块包括网络接收子模块、第二I帧数据判断子模块、RS解码子模块、视频恢复子模块以及视频显示子模块。
网络接收子模块用于接收该数据包并形成完整的压缩帧数据，执行图2中的步骤S26。
第二I帧数据判断子模块用于判断当前压缩帧数据是否为I帧数据，执行图2中的步骤S27。
RS解码子模块用于在判断当前压缩帧数据为I帧数据时，在解码到IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列，其中，在H.264编码标准中，压缩视频流是一帧组的方式进行组织的，I帧是帧组中的第一帧也是IDR图像。RS解码子模块执行图2中的步骤S28。
视频恢复子模块用于利用X264对该压缩帧数据进行恢复，执行图2中的步骤S29。
视频显示子模块用于显示恢复后的视频数据，执行图2中的步骤S30。
2、在h.264编码标准中，压缩视频流是一帧组（GOP）的方式进行组织的，I帧是帧组中的第一帧，也是IDR图像（立即刷新图像），当解码器解码到 IDR 图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列。I帧的生成间隔和背景图像的画面内容存在很大关联，当背景图像内容变化较快是，I帧生成间隔较短；当背景图像内容变化较缓慢或变化内容较小时，编码器不会生成新的I帧。当编码端长时间不发送I帧，而接收端接收的I帧数据错误率又较高时会导致一旦接收端不能正确恢复I帧，解码的视频图像序列会长时间无效。为此在本方法中，对压缩图像序列进行跟踪，当I帧在一段时间（实际中定位0.5秒）以内没有生成时，通知编码器立即生成新的I帧，以确保接收端在一次错误接收I帧数据后能短时间内重新接收I帧数据进行刷新。
三、应用结果
利用CIF格式的图像序列Template在实际无线信道中进行验证，发送帧频为15HZ，测试结果如下：
对I帧进行RS编码实验结果，信道带宽约300kbps，错误率约1%。
| 平均码率(kbps) | PSNR | 接收帧频 | |
| 无前向纠错编码 | 252 | 6 | 15bps |
| 对整个压缩码流进行前向纠错编码 | 340 | 28 | 9bps |
| 对I帧进行前向纠错编码 | 280 | 27 | 15bps |
由上表可知，在带宽有限的情况下，只对I帧进行前向纠错编码，在满足信道带宽的前提下，可大幅提升视频图像质量及流畅性。
编码器生成I帧规则调整实验结果。
由上表可知，通过调整编码器生成I帧时间规则，当选取合适的时间间隔时（约500ms），可在不显著提高码率情况下进一步提升视频图像质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置，其包括：
发送终端模块，其包括：
视频采集子模块，其用于采集视频数据；
视频压缩子模块，其用于对该视频数据采用开源模块X264实现H.264压缩编码，其中，H.264压缩编码中，H.264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫I帧，参考之前的I帧生成的只包含差异部分编码的帧叫P帧，参考前后的帧编码的帧叫B帧，在H.264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束；以及
网络发送子模块，其用于将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输；以及
接收终端模块，其包括：
网络接收子模块，其用于接收该数据包并形成完整的压缩帧数据；
视频恢复子模块，其用于利用X264对该压缩帧数据进行恢复；以及
视频显示子模块，其用于显示恢复后的视频数据；
其特征在于：
该发送终端模块还包括：
第一I帧数据判断子模块，其用于判断当前压缩码流是否为I帧数据；以及
RS编码子模块，其用于在判断当前压缩码流为I帧数据时，在传输前对压缩码流中的I帧进行前向纠错编码，以恢复出完整的I帧，其中，RS编码单个符号长度选为8比特，块长度选择为512字节，消息长度选为506字节，以确保每个块可以纠错6个字节，针对B帧和P帧，不做任何冗余编码处理，以降低传输带宽需求；
该接收终端模块还包括：
第二I帧数据判断子模块，其用于判断当前压缩帧数据是否为I帧数据；以及
RS解码子模块，其用于在判断当前压缩帧数据为I帧数据时，在解码到IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列，其中，在H.264编码标准中，压缩视频流是一帧组的方式进行组织的，I帧是帧组中的第一帧也是IDR图像。
2.如权利要求1所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置，其特征在于：该RS解码子模块还用于对压缩图像序列即压缩码流进行跟踪，当I帧在一段预定时间以内没有生成时，通知RS编码子模块立即生成新的I帧，以确保网络接收子模块在一次错误接收I帧数据后能短时间内重新接收I帧数据进行刷新。
3.如权利要求2所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置，其特征在于：该段预定时间为0.5秒。
4.如权利要求1所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置，其特征在于：该第一I帧数据判断子模块判断当前压缩码流不为I帧数据时，跳转到该网络发送子模块。
5.如权利要求1所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码装置，其特征在于：该第二I帧数据判断子模块判断当前压缩帧数据不为I帧数据时，跳转到该视频恢复子模块。
6.一种适用于低带宽无线通信信道的视频编码方法，其包括以下步骤：
发送步骤：
采集视频数据；
对该视频数据采用开源模块X264实现H.264压缩编码，其中，H.264压缩编码中，H.264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫I帧，参考之前的I帧生成的只包含差异部分编码的帧叫P帧，参考前后的帧编码的帧叫B帧，在H.264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束；以及
将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输；以及
接收步骤：
接收该数据包并形成完整的压缩帧数据；
利用X264对该压缩帧数据进行恢复；以及
显示恢复后的视频数据；
其特征在于：
该发送步骤还包括：
判断当前压缩码流是否为I帧数据；以及
在判断当前压缩码流为I帧数据时，在传输前对压缩码流中的I帧进行前向纠错编码，以尽量恢复出完整的I帧，其中，RS编码单个符号长度选为8比特，块长度选择为512字节，消息长度选为506字节，以确保每个块可以纠错6个字节，针对B帧和P帧，不做任何冗余编码处理，以降低传输带宽需求；
该接收步骤还包括：
判断当前压缩帧数据是否为I帧数据；以及
在判断当前压缩帧数据为I帧数据时，在解码到IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列，其中，在H.264编码标准中，压缩视频流是一帧组的方式进行组织的，I帧是帧组中的第一帧也是IDR图像。
7.如权利要求6所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码方法，其特征在于：该解码过程还包括：对压缩图像序列即压缩码流进行跟踪，当I帧在一段预定时间以内没有生成时，通知编码过程立即生成新的I帧，以确保在一次错误接收I帧数据后能短时间内重新接收I帧数据进行刷新。
8.如权利要求7所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码方法，其特征在于：该段预定时间为0.5秒。
9.如权利要求6所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码方法，其特征在于：在判断当前压缩码流不为I帧数据时，跳转到步骤：将压缩后的视频流连同帧头信息拆分成多个20个字节的数据包进行传输。
10.如权利要求6所述的适用于低带宽无线通信信道的视频编码方法，其特征在于：在判断当前压缩帧数据不为I帧数据时，跳转步骤：利用X264对该压缩帧数据进行恢复。
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