HEVC在乘客信息系统中的应用研究

2013-08-06赵俣钧安晓峰孙同庆汪晓臣

铁路计算机应用 2013年7期

赵俣钧，安晓峰，孙同庆，汪晓臣

（1.中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国联合网络通信有限公司山东分公司，济南 250001）

作为城市轨道交通领域里新兴的系统，乘客信息系统依托现代成熟可靠的网络技术、多媒体技术和图像显示等技术，向城市轨道交通乘客传递有关信息（如列车到发、首末班车时刻表、运营公告信息、出行引导等信息）。乘客信息系统不仅是乘客乘车出行引导的信息服务系统，而且是城市轨道交通的重要窗口。

目前乘客信息系统中视频流行的压缩格式主要有H.264和MPEG-2，存在着网络资源占用相对较多等局限性。而HEVC作为最新的压缩格式，具有更高压缩比和更低带宽需求等特点，因此必将受到乘客信息系统厂商的重视。

本文简要介绍乘客信息系统及其视频压缩技术，通过比较HEVC在H.264基础上做出的改革，以乘客信息系统对H.264视频流的处理模式为参考，提出了对HEVC高清视频流在无线网络里传输的解决方案。

1 乘客信息系统

乘客信息系统（PIS）是城市轨道交通的重要组成部分，它依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站、车载LED屏和LCD屏等显示终端为媒介向乘客提供相关信息的服务。该系统主要运营中以向乘客提供列车到发、首末班车时刻表、运营公告、出行引导等信息，同时肩负向乘客提供出行参考、赛事直播、媒体新闻、广告等实时动态的多媒体信息的责任。PIS由线网播控中心、线路控制中心子系统、车站子系统、网络子系统和车载子系统组成。

2 乘客信息系统中的主要压缩技术

MPEG-2压缩技术是在乘客信息系统中使用最为成熟的压缩技术，其工作原理主要利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。一帧图像内的任何一个场景都是由像素点构成的，因此相邻像素之间在亮度和色度上必然存在一定的关系，这种关系就是空间相关性；一段视频中某一场景一般都是有若干帧连续图像排列成图像序列形成的，图像序列中前后帧图像之间必然也存在一定的关系，这种关系就是时间相关性。由于这两种相关性的存在，图像中势必存在大量的在传输当中多余的冗余信息。MPEG-2压缩技术就是能将这些冗余信息去除，只保留少量非相关信息进行传输，从而节省传输频带。MPEG-2解码端利用这些非相关信息，按照提前约定好的解码算法，恢复原始图像，同时还可以保证一定的图像质量。

目前，在乘客信息系统中应用最广泛的视频压缩技术应该就是H.264/AVC（Advanced Video Coding/AVC）进阶视频编码，该技术能够提供更高的视频压缩比和稳定性。

H.264/AVC 相对以前的编码方法，以MPEG-2 为例，在图像内容预测方面提高编码效率，改善图像质量的主要特点如下：（1）可变块大小运动补偿；（2）1/4 采样精度运动补偿；（3）运动矢量可跨越图像边界；（4）多参考图像运动补偿；（5）消除参考图像顺序和显示图像顺序的相关性；（6）消除参考图像与图像表示方法的限制加权预测；（7）改善“跳过”和“直接”运动推测；（8）帧内编码直接空间预测；（9）循环去块效应滤波器；

H.264/AVC 除改善预测方法外，其他改善编码效率的特性如下：（1）小块变换；（2）分级块变换；（3）短字长变换；（4）完全匹配反变换；（5）基于上下文的熵编码。

H.264/AVC 具有强大的纠错功能和各种网络环境操作灵活性，主要特性如下：（1）参数集结构；（2）NAL 单元语法结构；（3）灵活的像条大小；（4）灵活宏块排序（FMO）；（5）任意像条排序；（6）冗余图像；（7）数据划分。

3 HEVC技术优势

作为在H.264基础上发展起来的新一代视频编码标准，HEVC仍然使用预测加变换的混合编码框架。不过，相对于前身H.264，HEVC 在很多方面有了很多突破。HEVC新技术特点如下。

3.1 更为灵活的编码结构

在HEVC中，将宏块的大小从H.264的16×16扩展到了64×64，在数量级上提高了16倍，从而实现更高分辨率视频的压缩。同时，为提高编码效率HEVC采用了更加灵活的编码结构，包括编码（Coding）、预测（Predict）和变换（Transform）3种不同功能单元。如图1所示。

图1 3种不同功能单元示意图

其中，编码单元（PU）与H.264中的宏块相类似，以其为单位进行视频压缩；预测单元从H.264的亚像素预测、加权预测和帧内预测基础上独立出来，是进行预测的基本单位；变换单元是进行各种变换（如二级变换和整型变换等）和量化的基本单位。这3个单元的分离和独立，使得编码、预测和变换各个视频处理环节更加灵活有效。

3.2 更灵活的块结构

量化树变换（Residual Quad-tree Transform，RQT）剩余是一种自适应程度非常高的变换技术，这种思想是在H.264/AVC中适应性块变换（Adaptive Block-size Transform，ABT）技术的基础上延伸和扩展得来的。对于帧间编码，它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小和帧内预测残差的特性进行自适应的调整。虽然块的尺寸越大，就越能提供更好的能量集中效果大块，并在量化后保存更详细的图像细节，但是在量化后产生了更多的振铃效应。因此，根据当前块信号的特性，自适应的选择变换块大小，可以得到能量集中、细节保留程度以及图像的振铃效应3者最优的折中，如图2所示。

3.3 采样点自适应偏移

在编解码环路内，为了减少压缩后视频失真，采样点自适应偏移（Sample Adaptive Offset，SAO）SAO在Deblock之后，对重建图像进行分类，对分类后图像的像素值进行加减一个偏移，从而提高压缩率，减少码流。

在压缩中采用SAO，可以在保证编码器和解码器性能的前提下，可以提高视频的压缩率（平均可以减少2%～6%的码流,而编码器和解码器的性能消耗仅仅增加了约2%）。

3.4 自适应环路滤波

在编解码环路内，自适应环路滤波（Adaptive Loop Filter，ALF）位于Deblock和SAO之后，用于恢复重建图像以达到重建图像与原始图像之间的均方差（MSE）最小，从而减少重建图像与原始图像之间的差别。ALF的系数是在帧级计算和传输的，因此不但整帧可以应用ALF，对于基于块或基于量化树的部分区域也可以进行ALF，不过基于部分区域的ALF，必须传递指示区域信息的相关信息。

3.5 并行化设计

随着科技发展的日新月异，当前芯片架构已经实现从单核性能逐渐往多核并行方向发展，因此为了充分发挥并行化程度非常高的芯片的性能，HEVC编解码中加入了很多并行运算的优化思路，主要包括：（1）Tile：用垂直和水平的边界将图像划分为一些行和列，划分出的矩形区域为一个Tile，每一个Tile包含整数个LCU（Largest Coding Unit）， Tile之间可以互相独立，以此实现并行处理；（2）Entropy slice：允许在一个slice内部再切分成多个Entropy Slices，每个Entropy Slice可以独立的编码和解码，从而提高了编解码器的并行处理能力；（3）WPP（Wavefront Parallel Processing）：上一行的第2个LCU处理完毕，即对当前行的第1个LCU的熵编码（CABAC）概率状态参数进行初始化。因此，只需要上一行的第2个LCU编解码完毕，即可以开始当前行的编解码，以此提高编解码器的并行处理能力。

4 HEVC在乘客信息系统中的应用

目前，国内外城市轨道交通车载子系统利用WLAN无线宽带技术，可以实现列车与地面之间的双向高速实时通信。车载设备通过接收无线传输的信息经处理后实时地在列车车厢LCD显示屏进行播放。国内城市轨道交通要求乘客信息系统提供不低于6 Mb/s带宽的传输通道用于将1路标清数字视频信息（MEPG－2 TS流或H.264 TS流）传送给车辆。

如果使用HEVC技术利用相同的带宽完全可以传递高清数字视频信息，但是由于车地无线网络自身特性，无可避免的在传递信息流的时候存在丢包的现象，同时由于HEVC技术压缩比非常高，丢包将会造成大量数据丢失，因此必须建立补包机制，减少数据的丢失，补包流程如图4。