基于EWF的H.264视频流UEP传输方案

侯春萍，倪春亚，侯永宏

(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)

基于EWF的H.264视频流UEP传输方案

侯春萍，倪春亚，侯永宏

(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)

为提高H.264码流在无线传输中的鲁棒性，提出了一种基于数据分割和扩展窗喷泉(EWF)码的H.264视频的不等差错保护策略．通过 H.264数据分割获取重要性不同的信息比特，采用 EWF码对其进行分窗，分别采用鲁棒孤波度分布完成 LT编码，实现不等差错保护．仿真结果表明，该算法具有较好的抗误码特性，可以提高重建图像的峰值信噪比值，从而保证了视频传输的可靠性．

LT码；H.264；EWF；数据分割；不等差错保护

无线网络带宽的不断提高使得视频传输正日益成为无线通信业务的核心．相比于以往的视频编码标准，H.264[1-2]视频编码技术通过精确的帧内和帧间预测编码，压缩率更高，应用范围更广．鉴于 H.264视频码流对信道误码敏感，为保证其可靠传输，典型方法是运用前向纠错(forward error correction，FEC)技术，联合信源和信道编码，进行误码控制．文献[3-4]分别提出了基于 RS码、LDPC码的H.264视频的不等差错保护(unequal error protection，UEP)可靠传输方法．但 RS码、LDPC码中各种码率的码字生成规则不同，在编译码端需要多种编译码器，增大了系统复杂度. 文献[5]提出一种基于码率兼容打孔 Turbo码[5-6]的 CDMA系统中视频传输的有效方法，但打孔操作对Turbo码字的性能影响较大，难以达到最佳综合性能．

与传统前向纠错码相比，数字喷泉码[7-8]在设计上更加简单灵活，编码的发送端可以由k个原始分组生成任意数量的编码分组，接收端只要收到其中任意k(1+ε)个编码分组(ε为译码开销)，即可通过译码以高概率成功恢复全部原始分组，实现端到端的可靠传输；同时 DFC的码率不固定，能够适应时变信道，而且编译码均采用线性运算，算法复杂度低．Luby[8]于2002年提出了第 1种高效的喷泉码——LT码；Shokrollahi[9]针对喷泉码编译码耗时问题，提出了喷泉码Raptor码．同时，基于喷泉码的UEP多种方案也被陆续提出，例如Nazanin Rahnavard等[10]提出了一种基于LT码的UEP方案；Sejdinovic等[11]提出了一种扩展窗喷泉(expending window fountain，EWF)码，EWF码在编译码端只需要一个编码或译码器，也没有打孔造成的性能损失，具有良好的不等保护性能．

本文结合H.264数据分割和EWF编译码技术，提出了一种 H.264视频不等差错保护的可靠传输方案．通过数据分割，获取 H.264码流中重要性不同的信息比特，采用 EWF码按数据的重要性进行分窗，采用不同的鲁棒孤波度分布[8]完成 LT编码．实验结果表明，该方案提高了 H.264码流的鲁棒性，保证了传输的可靠性．

1 基于EWF的H.264视频抗误码设计

1.1 H.264数据分割

H.264编码器的网络适配层(network abstraction layer，NAL)2种工作模式分别为分割(data partition，DP)模式和不分割(non-partition，NP)模式．在 DP模式中，H.264采用了以下3种不同的分割方式．

1) A型分割

A型分割实现头信息的划分，包括宏块类型、量化参数和运动矢量等．在 H.264视频中 A分割的信息是最重要的．

2)B型分割(帧内分割)

B型分割实现帧内信息的划分，包括帧内块的编码模式和帧内相关系数．B分割有效的前提是已给分片的A分割有效．帧内信息可以阻止错误的传播，它比帧间信息更有效．

3)C型分割(帧间分割)

C型分割实现帧间信息的划分，包含帧间块的编码模式和帧间相关系数，通常是编码的码片中最大的一个分区．由于其在编码或者解码中无法提供同步信息，使其重要性最低．

鉴于 A型分割数据较 B、C型分割数据更为重要，本文将数据划分为2个部分，即A型分割数据作为重要性最高的部分(most important bit，MIB)，B、C型分割数据作为重要性最低的部分(least important bit，LIB)，本系统使用EWF码对MIB、LIB数据进行不等差错保护．

1.2 EWF编码

首先对 H.264视频编码得到的k个数据进行数据分割，将MIB数据纳入EWF码的第1个窗1w，并将 MIB及 LIB数据纳入第 2个窗2w．定义1Π为 MIB数据占总数据的比重，为LIB数据占总数据的比重，用多项式描述MIB、LIB占总数据比重的分布，用多项式 ()xΓ =描述1w、2w的选择概率分布，其中1Γ为1w的选择概率，2w的选择概率分别采用度分布进行LT编码，整个EWF码为，其编码方式如图1所示．

在 EWF编码过程中，由于1Π、1Γ的取值不同，势必对EWF码的鲁棒性能产生影响．本文采用与或树(and-or tree)分析方法[10]，对EWF码流进行l次迭代译码，则 MIB、LIB不能成功译码的概率,MIBly 、有

图1 EWF编码方式Fig.1 Encoded mode of EWF

文献[11]中，第 2个窗的度分布是固定度分布[9]，即

然而可以发现，当采用RΩ时，虽然对 MIB的数据加强了保护，但 LIB的误码率最小到10-3，大幅降低了LIB的抗误码性能．在视频信息传输过程中，往往需要对视频的所有信息都加强保护．

针对文献[11]对LIB抗误码性能太差的问题，本文提出对第 2个窗选用鲁棒孤波度分布，在保证对MIB的加强保护的同时，提高LIB的抗误码特性．

设信源符号 K=5,000，MIB=500，LIB=4,500，选用鲁棒孤波度分布Ωrs(500,0.03,0.5),分别选用和Ωrs(5000,0.03,0.5)，仿真 10,000次，进行对比实验．

图2 渐进分析EWF的BERFig.2 Asymptotic analysis of EWF code′s BER

图3 改变ε渐进分析EWF的BERFig.3 Asymptotic analysis of EWF code′s BER vsε

图4 改变ε仿真分析EWF的BERFig.4 Analysis of EWF code′s BER vs ε

1.3 系统介绍

本文提出的基于EWF码的H.264视频传输系统架构如图5所示．首先，输入视频流经过H.264编码器编码，对编码的码流按照H.264的数据分割方法获得重要性不同的A、B、C 3种RTP码流．然后，采用EWF进行前向纠错编码，分别采用鲁棒孤波度分布对1w和2w进行LT编码，完成分割码流的不均等差错保护，并调制成 BPSK 信号在加性高斯白噪声(additive white Gaussion noise，AWGN)信道上传输；在接收端，对收到的数据进行 BPSK解调及相应的EWF解码，将还原的A、B、C码流送至 H.264解码器中进行解码，实现视频重建及质量评价．

图5 基于EWF的H.264视频传输系统Fig.5 H.264 video transmission system based on EWF

2 仿真实验

使用 Qcif格式的foreman视频测试序列，序列长度为300帧，帧率为30,帧/s，采用JM15.1软件，量化参数为28，采用IPPP帧结构，GOP为16，最大的运动搜索范围为±32个像素点，码率为45,kb/s，以一个 GOP作为 EWF编码单元，经数据分割得到总数据 9,764个字节，A、B、C分割字节数分别为 4,780、202和 4,782，MIB字节数为 4,780，LIB字节数为4,984，则采用 EWF码为进行信道编码，可接受的 ε∈ (0,1)，令 Ω(1)为鲁棒孤波度分布Ωrs( 2500,0.03,0.5)[8]，采用Ωrs(5,000， 0.03，0.5)．

然后，本文针对加性高斯白噪声的无线信道环境，设计如下4组实验．

实验1 (EWF-UEP) 对编码得到的A、B、C数据进行不等差错保护，选取采用EWF码为进行信道编码．

实验 2 (LDPC-UEP) 将文献[4]所提出的基于LDPC-UEP算法作为对比实验，对A、B码流保护级别最高，采用输出码率为0.33的LDPC编码．C码流则采用码率为0.75的LDPC编码．

实验 3 (LDPC-EEP) 将文献[4]所提出的基于LDPC-EEP算法作为对比实验，采用码率为 1/2的LDPC码对 A、B、C分割数据进行重要性相同的保护．

实验 4 (Turbo-EEP) 采用码率为 1/2的二维Turbo码进行信道编码，迭代次数为 4，删余矩阵为g=[111，101]，解码方法为log-MAP，对A、B、C分割数据进行重要性相同的保护．

表1、图6和图7分别反映了4组实验在不同信噪比下的误码率和重建的视频序列 Y分量 PSNR值的变化情况．在实验 1中，对于同一，MIB的BER明显小于LIB的BER，因为MIB更多地参与了 LT编码，成功译码的概率相应增加，使得 LIB成功译码的概率相对减小，从而很好地实现了对不同重要性数据的不等差错保护；相比于实验2的仿真结果，EWF的UEP特性要明显强于文献[4]的 LDPC；相比于实验 3和实验 4的仿真结果，在同一时，采用 EWF算法进行不等差错保护的误码率相对较低，时，MIB的误码率已为 0，有效地对A分割即头信息数据进行加强保护．图7中，实验1重建视频的Y分量的PSNR值也明显高于实验2～实验4．

表1 EWF-UEP、LDPC-UEP、LDPC-EEP及Turbo-EEP 的BER比较Tab.1 Comparison of BER among EWF-UEP，LDPC-UEP，LDPC-EEP and Turbo-EEP

图6 4种算法的BER比较Fig.6 BER comparison of four kinds of algorithm

图7 4种算法重建视频的Y-PSNR比较Fig.7 Comparison of reconstructed images′ Y-PSNR of four kinds of algorithm

3 结 语

针对 H.264码流在无线传输中鲁棒性较弱的问题，提出了一种基于数据分割和 EWF码的不均等差错保护策略，使用 EWF码对重要性不同的数据进行分窗，采用鲁棒孤波度分布及输出节点度分布进行LT编码，实现对H.264码流的不等差错保护．仿真实验证明了所提方案能够有效地对重要的数据给以更强的保护，从而降低了AWGN信道误码的影响，并改善了视频传输质量．同时，本文算法复杂度低且码率不固定，适用于无线时变信道中的视频传输．

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Unequal Error Protection Transmission Scheme for H.264 Video Streams Based on EWF

HOU Chun-ping，NI Chun-ya，HOU Yong-hong
(School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to improve the robustness of H.264 coded video streams over wireless channel，an unequal error protection scheme was proposed on the basis of data partition and expanding window fountain(EWF)codes. Through H.264 data partitioning，differently important information bits were obtained and divided into different windows by using EWF codes. LT coding was completed with robust soliton distribution to implement the unequal error protection. Simulation results showed that the coding algorithm had excellent error-robustness and improved the peak signal-tonoise ratio(PSNR)of reconstructed images，thus ensured the reliable transmission of video over wireless channel.

LT code；H.264；expending window fountain；data partition；unequal error protection

TN919.85

A

0493-2137(2012)04-0309-05

2011-05-28；

2011-09-01.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA011507，2009AA01A336)；国家自然科学基金资助项目(60932007)；国家科技重大专项资助项目(2009ZX03004-006).

侯春萍（1957— ），女，教授，博士，hcp@tju.edu.cn．

侯永宏，houroy @tju.edu.cn.