关于H.264视频编码传输的QoS特性分析

三、H.264的视频编码层的错误恢复[1，4]

　　在H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4中，许多错误恢复工具已经得到了很好的应用：图像分割的不同形式（片、块组），I模式宏块，片和图像的内插，参考图像选择（带有和不带反馈、图像级别、GOB/SLICE或MB级别），数据分割等。

　　H.264标准继承了以前视频编码标准中某些优秀的错误恢复工具，同时也改进和创新了多种错误恢复工具。这里主要介绍H.264的错误恢复工具，包括参数集、灵活的宏块排序和冗余片RS等。

　　1. 参数集

　　参数集是H.264标准的一个新概念，是一种通过改进视频码流结构增强错误恢复能力的方法。H.264的参数集又分为序列参数集和图像参数集。其中，序列参数集包括一个图像序列的所有信息，即两个IDR图像间的所有图像信息。图像参数集包括一个图像的所有分片的所有相关信息，包括图像类型、序列号等，解码时某些序列号的丢失可用来检验信息包的丢失与否。多个不同的序列和图像参数集存储在解码器中，编码器依据每个编码分片的头部的存储位置来选择适当的参数集，图像参数集本身也包括使用的序列参数集参考信息。

　　众所周知，一些关键信息比特的丢失（如序列和图像的头信息）会造成解码的严重负面效应，而H.264把这些关键信息分离出来，凭借参数集的设计，确保在易出错的环境中能正确地传输。这种码流结构的设计无疑增强了码流传输的错误恢复能力。

　　参数集具体实现的方法也是多样化的：（1）通过带外传输，这种方式要求参数集通过可靠的协议，在首个片编码到达之前传输到解码器；（2）通过带内传输，这需要为参数集提供更高级别的保护，例如发送复制包来保证至少有一个到达目标；（3）在编码器和解码器采用硬件处理参数集。

　　2. 片、片组和FMO

　　一幅图像由若干片组成，每片包含一系列的宏块（MB）。MB的排列可按光栅扫描顺序，也可不按扫描顺序。每个片独立解码，不同片的宏块不能用于自身片中作预测参考。因此，片的设置不会造成误码扩散。

　　灵活的宏块排序FMO是H.264的一大特色，适用于H.264的基本档次和扩展档次的应用。

图像内部预测机制，例如帧内预测或运动矢量预测，仅允许用同一片组里的空间相邻的宏块。FMO通过宏块分配映射技术，把每个宏块分配到不按扫描顺序的片中。FMO模式划分图像的模式各种各样，重要的有棋盘模式、矩形模式等。当然FMO模式也可以使一帧中的宏块顺序分割，使得分割后的片的大小小于无线网络的MTU尺寸，经过FMO模式分割后的图像数据分开进行传输。

　　所有的MB被分成了片组0和片组1，相应地分别采用黄色和白色表示。当白片丢失时，因为其周围的宏块都属于其他片的宏块，利用邻域相关性，黄片宏块的某种加权可用来代替白片相应宏块。这种错误隐藏机制可以明显提高抗误码性能。实验证明，在CIF图像的视频会议中，在丢包率达10%时，视频失真低到需要训练有素的眼睛才能识别。使用FMO的代价是稍微降低了编码效率（因为它打破了原先非邻居MB之间的预测），而且在高度优化的环境中，有较高的时延。

　　3. 数据分割

　　通常情况下，一个宏块的数据是存放在一起而组成片的，数据划分使得一个片中的宏块数据重新组合，把宏块语义相关的数据组成一个划分，由划分来组装片。H.264视频编码标准使用了三种不同类型的数据分割。

　　（1）A型分割

　　A型分割是头信息划分，包括宏块类型、量化参数和运动矢量，这个信息是最重要的。

　　（2）B型分割

　　B型分割是帧内信息划分，包括帧内CBPs和帧内系数。帧内信息可以阻止错误的传播，该型数据分割要求给定分片的A型分割有效，相对于帧间信息，帧内信息能更好地阻止漂移效应，因此它比帧间分割更为重要。

　　（3）C型分割

　　C型分割是帧间信息划分，包括帧间CBPs和帧间系数，一般情况下它是编码分片的最大分区。帧间分割是最不重要的，它的使用要求A型分割有效。

　　当使用数据分割时，源编码器把不同类型的分割安排在3个不同的缓冲器中，同时分片的尺寸必须进行调整以保证小于MTU长度，因此是编码器而不是NAL来实现数据分割。在解码器上，所有分割用于信息重建。这样，如果帧内或帧间信息丢失了，有效的帧头信息仍然能用来提高错误隐藏效率，即有效的宏块类型和运动矢量，保留了宏块的基本特征，从而仍可获得一个相当高的信息重构质量，而仅仅丢失了细节信息。

　　4. 冗余片方法

　　H.264中参考图像的选择与以前在H.263中的一样，在基于反馈的系统中，解码器接收到丢失或被破坏的图像信息时，选择参考图像序列中正确的参考宏块，来进行错误恢复；而对于无反馈的系统，H.264提出了冗余分片编码。

　　冗余分片允许编码器把在同一个码流中添加同一MB的一个或更多冗余表示。需要注意的是这些冗余片的编码参数与非冗余片的编码参数不同，例如主片可用低QP（高质量）来编码，而冗余信息中能用一个高QP（低质量）的方式来编码，这样质量粗糙一些但码率更低。解码器在重构时，首先使用主片，如果它可用就抛弃冗余片；而如主片丢失（比如因为包的丢失）冗余片也能被用于重构。冗余片主要用于支持高误码的移动环境。

　　5. 帧内编码

　　H.264中帧内编码大体上类似于以往的视频编码标准，但也进行了重要的改进，主要体现在：

　　（1）H.264中帧内预测宏块的参考宏块可以是帧间编码宏块，帧内预测宏块并不像H.263中的帧内编码一样，而采用预测的帧内编码比非预测的帧内编码有更好的编码效率，但降低了帧内编码的重同步性能，可以通过设置限制帧内预测标记来恢复这一性能。

　　（2）只包含帧内宏块的片有两种，一种是帧内片（I Slice），一种是立即刷新片（IDR Slice）。立即刷新片需存在于立即刷新图像（IDR Picture）中。与短期参考图像相比，立即刷新图像有更强壮的重同步性能。

为了更适用无线IP网络环境中的应用，H.264通过采用率失真优化编码和设置帧内预测标志，来提高帧内图像的重同步性能。