无线视频传输中FEC与WZ联合抗误码算法研究

王天庆，谢正光，李宏魁

(南通大学电子信息学院，江苏 南通 226019)

1 抗误码方案

无线信道带宽有限，并且具有可靠性差、易受干扰、时变的特点。传统的视频编码标准如H.264/AVC和MPEG，利用图像间的时域相关性，进行大量的运动搜索、运动补偿，使得编码端的复杂度远大于解码端，致使压缩后的视频码流对于信道误码非常敏感。为了保证视频图像的高质量传输，人们在编码端使用冗余片和灵活宏块调整技术(Flexible Macro-Block Ordering，FMO)以及多重描述编码［1-2］等，解码端使用插值、估计等方法对丢失的图像信息进行数据恢复或错误隐藏［3-4］。但这些方法在丢包较多、误码较重时差错控制效果很差;若使用前向纠错(FEC)［5］的方法，当误码率超过信道编码的纠错能力时，重建的视频质量会急速下降，呈现所谓的悬崖效应(cliff effect)。

近年来，一种新的视频编码技术——分布式视频编码［6］受到人们的关注，其思想源自20世纪70年代的Slepian-Wolf［7］和 Wyner-Ziv［8］信息理论。与传统的编解码标准不同，分布式视频编码采用独立编码、联合解码的编码方式，避免了因预测编码带来的错误扩展问题，因而本身具有天然的鲁棒性［9］。所以许多基于分布式编码的抗误码方案相继提出［10-16］。较为经典的是系统有损错误保护(Systematic Lossy Error Protection，SLEP)［14］方案。该方案有效地避免了当误码率/丢包率较高时使用FEC差错控制方法所呈现的悬崖效应。然而，当误码率/丢包率较低时却不如FEC的抗误码能力。

为此本文提出了FEC与WZ联合抗误码方案，弥补了上述两种抗误工具的不足，进一步提升了系统的抗误码性能。

2 FEC与WZ的抗误原理

图1展示了FEC抗误码结构图。将编码流打包后进行信道编码，这里使用了RS(Reed-Solomon)编码。经有损信道，若出错的信息小于或等于RS编码的纠错上限，通过RS解码即可以实现对错误信息的恢复，反之整个RS编码流将会被丢掉。理论上可以通过发送足够数量的校验比特增大RS的纠错能力来实现完美的纠错效果，但这样会耗费大量的带宽。当错误率超出了信道编码的纠错能力时，所重建的视频质量就会迅速下降，出现悬崖效应。

图1 FEC的原理框图

基于H.264/AVC的WZ编码原理如图2所示，该方案将待编码的视频分为两个部分:主要码流和冗余码流。主要码流使用传统的H.264/AVC标准进行编码，冗余部分将H.264冗余片与WZ编码相结合，采用与主要码流相同的编码方式、运动估计、参考帧。当主要码流发生丢包错误，冗余部分就会被唤醒，在解码端利用粗量化的冗余片代替丢失的主要码片进行解码。

图2 WZ的原理框图

3 FEC与WZ联合抗误及率失真分析

如图3所示，在主要码流部分:待传输的视频经过H.264编码直接由信道传输至解码端。冗余码流部分又划分为两路:一路使用H.264中的冗余片编码，经过粗量化、RS编码、有损信道传输至解码端，其中粗量化和RS编码部分组成了分布式信源编码［6］的WZ编码校验部分。为了提高传输效率，系统仅传输RS编码的校验部分。在解码端对主要码流进行再次量化，作为RS编码的边信息进行解码。与此同时，另一通路使用FEC编解码，在低误码率/丢包率的情况下使用。此外，在解码端还使用了错误隐藏技术，进一步提升系统的抗误码能力。

如果码流在传输的过程中没有发生错误，WZ编解码与FEC编解码部分将不会被使用，在解码端仅需要对码流进行逐比特解码。如果码流在传输过程中发生错误，并且当误码率/丢包率比较高时，系统会自动选择WZ编解码通路;反之，当误码率/丢包率比较低时，则选择FEC通路进行编码校验。采用到的主要技术有:

图3 提出的联合抗误码原理

1)冗余片:在编码端，宏块经冗余编码后组成冗余片［17］，并由一定数量的冗余片组成相应的冗余编码图像。为了简化WZ解码，冗余部分采用与主要码流相同的编码方式、运动估计、参考帧等，仅增加了其量化步长。

2)WZ编码:冗余片使用GF(28)的RS编码并与粗量化一起组成了WZ编码。

3)FEC编码:使用GF(28)的RS编码，且校验码片的数目依赖于所允许的容错码率。

4)解码端:包括主要码流的解码、WZ解码以及FEC解码部分。通过对主要码流的预测残差信息进行粗量化，生成RS编码的边信息，再与接收到的校验位一起进行WZ解码。

5)错误隐藏:若WZ解码成功，解码器使用运动补偿，将冗余预测信号代替主要码流中丢失的预测残差信息。

关于主要码流以及两抗误码流之间的码率分配是基于端对端失真最小原则进行的。由文献［14］可知，系统的端至端失真估计演变为

式中:p为视频数据在传播中发生错误的概率;n表示第n帧图像，，和分别为主要码流、WZ编码流、FEC编码流以及错误隐藏时的均方误差失真(MSE)。

式中:下标α可为WZ及FEC;K表示RS编码中信息位;N表示编码长度。

主要码流的率失真函数表示为

式中:Rp表示编码率;C1和C2表示更新系数;Q为量化步长;MAD为平均绝对误差。

由文献［18］可知WZ码流的MSE失真与编码率之间存在的关系为

式中:DWZ0，θWZ和RWZ0与编码序列、编码模式、参考帧等相关，RWZ表示编码率。

FEC的选择由信道的误码率决定。本方案中，当误码率较低(约为5%以下)时，选择FEC的抗误码方式，结合信道带宽，从而确定相应的编码率。

4 实验结果及性能分析

使用H.264/AVC视频编码JM11平台进行测试。根据运动快慢不同，分别使用Foreman_cif，Football_sif视频序列进行测试。在WZ编码通路中，冗余片编码率设定为主要码片的25%，WZ校验码率分别设为主要码片的10%和20%。对于FEC通路，冗余片编码率与主要码片相同，校验码率亦分别设为主要码片的10%和20%。比较它们在不同的丢包率(即3%，5%，10%，20%)下与所提出的联合抗误码方案的平均峰值信噪比(PSNR)。

由图4、图5可以看出联合抗误码方案综合了WZ与FEC的优点:在低误码率/丢包率时，平均PSNR较WZ高，在高误码率/丢包率时又避免了FEC的悬崖效应。并且对比a组和b组可以看出校验码率的增加(10% ～20%)联合抗误码方案在低误码率/丢包率时效果更加明显。

图4 Foreman CIF

图5 Football SIF

5 结束语

本文主要针对视频压缩码流中WZ与FEC两种抗误码方案的不足，提出了将两者结合起来联合抗误码方案。如何在经典视频编码与抗误码流之间进行码率分配，以及如何在WZ和FEC两抗误码流之间进行码率分配以使系统端至端失真(即公式(1))最小将是今后研究的重点。

［1］WANG Y，REIBMAN A R，LIN S.Multiple description coding for video delivery［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93(1):57-70.

［2］KAMNOONWATANA N，AGRAFIOTIS D，CANAGARAJAH C N.Flexible adaptive multiple description coding for video transmission［J］.IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2012，22(1):1-11.

［3］KOLODA J，OSTERGAARD J，JENSEN S H，et al.Sequential error concealment for video images by weighted template matching［C］//Proc.Data Compression Conference.［S.l］:IEEE Press，2012:159-168.

［4］侯艳艳.基于无线网络的H.264误码掩盖算法的改进［J］.电视技术，2011，35(13):9-12.

［5］JAE H H，MYUNG H S.New sum product algorithm using approximation method for low complexity LDPC decoding［C］//Proc.SoC Design Conference.Busan:IEEE Press，2008:29-32.

［6］GIROD B，AARON A，RANE S，et al.Distributed video coding［C］//Proceedings of the IEEE.［S.l］:IEEE Press，2005，93(1):71-83.

［7］SLEPIAN J，WOLF J.Noiseless coding of correlated information sources［J］.IEEE Trans.Information Theory，1973，19(4):471-480.

［8］WYNER A，ZIV J.The rate-distortion function for source coding with side information at the decoder［J］.IEEE Trans.Information Theory，1976，22(1):1-10.

［9］谢正光，包志华，徐晨，等.分布式视频编码在容错视频传输中的应用［J］. 电视技术，2009，33(11):24-27.

［10］SEHGAL A，JAGMOHAN A，AHUJA N.Wyner-Ziv coding of video:an error-resilient compression framework［J］.IEEE Trans.Mutimedia，2004，6(2):249-258.

［11］LIU Benjian，XU Ke.Error protection of wavelet scalable video streaming using Wyner-Ziv technique over a lossy network［C］//Proc.ICAPIE 2012.Wuhan，China:Physics Procedia，2012:1588-1594.

［12］XU Qian，STANKOVIC V，XIONG Zixiang.Layered Wyner-Ziv video coding for transmission over unreliable channels［J］.Signal Processing:Special SectiononDistributedSourceCoding，2006，86(11):3212-3225.

［13］ZHUO X，KOK K，COSMAS J，et al.Error resilient scheme for wavelet video codec using automatic ROI detection and Wyner-Ziv coding over packet erasure channel［J］.IEEE Trans.Broadcasting，2010，56(4):481-493.

［14］RANE S，BACCICHET P，GIROD B.Systematic lossy error protection of video signals［J］.IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2008，18(10):1347-1360.

［15］LIANG Liang ，SALAMA P，EDWARD J.Adaptive unequal error protection based on Wyner-Ziv coding［C］//Proc.the 27th Conference on Picture Coding Symposium.Lisbon，Portugal:IEEE Press，2007:457-460.

［16］ZHANG Y S，XIONG H K，SONG Y Y.An error resilient video coding scheme using embedded Wyner-Ziv description with decoder side nonstationay distortion modeling［J］.IEEE Circuits and Systems for Video Technology，2011，21(4):498-512.

［17］ITU-T Recommendation H.264-ISO/IEC 14496-10(AVC)joint video team(JVT)of ISO/IEC MPEG&ITU-T VCEG，advanced video coding for generic audiovisual services［S］.2003.

［18］STUHLMÜLLER K，FARBER N，LINK M，et al.Analysis of video transmission over lossy channels［J］.IEEE Areas Commun，2000，18(6):1012-1032.