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1、第五届卫星通信新业务新技术学术年会 视频图像编码技术在移动卫星通信中的应用 赵敬华北京市公安局公安交通管理局 李广鹏北京数码视讯科技股份有限公司 摘要】：当今世界已进入信息时代，人们在任何时间、任何地点获取信息的需求迅猛增长，这使 得移动无线通信蓬勃发展，各种移动无线通信技术层出不穷，移动卫星通信就是其中一种极为重要的通 信方式。面临有限的带宽资源、多样的传输数据和外界环境的严重干扰等问题，视频图像编码技术作为 移动卫星通信中采用的重要的技术，发挥着极为重要的作用 本文从卫星宽带利用率、输出码率控制、误码丢包处理和中断信号处理四方面进行分析，阐述了视 频图像编码技术在移动卫星通信中的应用 关键
2、字 ：视频图像编码技术、移动卫星通信 1 视频图像编码技术的现状与展望 视频图像编码技术是将模拟视频图像信号数字化后进行压缩处理的技术，已广泛的应用于电视电话 会议，广播电视，视频监控、网络视频传输以及多媒体信息存储等领域。 上世纪9 0 年代，国际标准化委员会( I S o I E c ) 和国际电联( I T U _ T ) 两大国际技术标准化组织分 别公布了自己的视频图像编码的标准。直到2 0 0 1 年，两大标准化组织联合组建的联合视频组( J v T ) 共 同制定了视频编码标准I - I 2 6 4 。1 1 2 6 4 最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件 下
3、，H 2 6 4 的压缩比是I 旧E G - - 4 的1 5 2 倍，在具有高压缩比的同时H 2 6 4 还拥有高质量的流畅图像。 H 2 6 4 在视频压缩效率方面比目前所有的标准都要高，而且算法结构上的分层处理使它能适应不同的传 输环境，提高传输效率。这些优点必将使其在视频通信领域得到非常广泛的应用，发展潜力巨大。 但H 2 6 4 性能的提高是以增加复杂性为代价而获得的。据估计，H 2 6 4 编码的计算复杂度大约相当 于F I 2 6 3 的3 倍，解码复杂度大约相当于1 1 2 6 3 的2 倍。但是随着芯片技术的不断发展，这个问题会逐 步得到解决。 随着技术的不断进步，新的视频图
4、像编码技术的标准会随时出现，尤其我国也成立了自己的中国数 字视音频编码标准化技术工作组( A v s ) ，正在制定自有知识产权的A V S 标准。 2 视频图像编码技术在移动卫星通信中的应用 移动卫星通信是指利用卫星转接移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信，具有覆盖面广、 通信距离远、不易受地震等重大灾害影响等许多独特的优点，与此同时移动卫星通信也存在通信费用昂 贵、通信带宽资源有限，信号传输延迟较大，易受周围物体的遮挡而中断信号传输，易受雨雪而降低信 号强度等缺点。 视频图像编码技术在移动卫星通信中的应用，则在一定程度上弥补了移动卫星通信的不足，其应用 主要体现在以下几个方面： 2
5、1 提高卫星带宽利用率 1 c r 7 第五届卫星通信新业务新技术学术年会2 0 0 9 3 采用高效视频压缩是充分利用卫星通信带宽关键，视频数据压缩率上升会直接提升整个系统的性 能，降低成本，节省出的带宽可以传输多路语音、图像等其它数据。H 2 6 4 具有最高压缩率，该标准引 入了一系列新的能够大大提高压缩性能的技术，例如：7 种宏块预测模式、帧内预测、增强的熵编码方 法，使得输出编码码率的范围增大，同等的卫星带宽可以传输多路视频信号，H 2 6 4 编码器能以低于 5 0 0 K b 的编码码率实现C I F 分辨率的图像，大大提高了带宽的利用率。 此外，压缩后的视频数据在封装时要尽量减
6、少控制数据的开销，常用的R T P 和T SO v e rI P 两种封 包方式，R T P 开销相对较小，能最大化有效数据的传输效率。 2 2 控制输出码率波动 卫星的带宽恒定，如果图像设备的输出码率抖动较大，会影响信道上其它数据的传输，同时会使很 多的图像数据丢失，造成图像出现马赛克，这就对码率控制算法提出了更高的要求。 解决输出码率波动的办法通常是增大传输延时，可以在码流输出时加入缓冲池进行平滑，或者采用 2 - p a s s 编码方式，单向传输场合一般可以接受对这类因平滑码率而造成延时，大约在2 - 5 秒。而双向 传输中对实时性的要求很高，卫星信道本身单向传输延时在2 5 0 毫秒
7、左右，双向达O 5 秒，所以编解码 造成的延时要尽可能小，保持在3 0 0 毫秒以内是较为理想的状态，同时还要保证码率的波动控制在一定 范围内，这就对码率控制算法提出了更高的要求。也可以采取一些特殊的处理方式减小码率波动，例如： 在静止的状态下预留一定的码率，从而为移动时的码率波动留出一定裕量；场景变化的区间中降低I 帧的频率；不使用B 帧特性，以降低时延，提高码率控制算法的控制精度等。同时在图像处理方面加入 了恒定码率控制技术，通过一定的算法对编码图像进行处理，保证从编码器输出恒定码率图像。 2 3 减少误码和丢包视频图像效果的影响 压缩后的视频数据在一定范围内具有高度的时间和空间相关性，体
8、现在每一帧的宏块，每一序列的 帧和码流中比特之间。某一处的数据错误会导致其后宏块，其后帧( 序列中) 都无法正确解码。移动卫 星通信中的误码和丢包表现出随机与突发的特点，严重影响视频通信质量，利用视频压缩的一些特性可 以有效减轻其影响。会议视频中经常采用伪无限长的I P P 序列结构进行编码，在解码出现错误时反馈至 编码插入一个I 帧，这能有效的提高连续场景下的编码效率。在卫星通信中，虽然仍以连续场景为主， 但这种方式却不适合，因为卫星通信中数据往返延时较大，出现错误的频率高，所以应缩短I 帧的插入 间隔，以便在出现误码或丢包后尽快恢复。 H 2 6 4 标准中提供了一系列抗误码工具，采用灵活
9、的宏块排列模式( F M OF l e x i b l eM a c r o b l o c k O r d e r i n g ，也被称为条带组S l i c eG r o u p s 技术) 和任意条带排列( A S Of o rA r b i t r a r yS l i c eO r d e r i n g ) 模式，用来更改图像编码的最基本单位一宏块的编码顺序，以增强移动卫星通信中的视频质量。 2 4 有效处理中断信号 卫星的通信链路的稳定性相对于地面链路要低很多，O O S 的保证也不是很好，可能会经常的出现信 号中断现象。一旦信号出现，屏幕上就会出现很多的马赛克，使观看人在视觉上
10、受到冲击，影响主观效 果。 通过使用静帧处理方式和画面平滑切换算法，有效的避免了马赛克的出现对于视觉的冲击。当信号 1 0 8 第五届卫星通信新业务新技术学术年会 2 0 0 9 3 中断或误码过高时，可以使画面静止到最后一帧清晰的图像，而不出现马赛克，信道恢复后，也可以平 滑的过渡到流畅的视频图像，保证不出现马赛克，最大化的保证了主观观看效果。 通过解码器检测关键帧显示实时视频图像的原理，实现信道中断再恢复后的图像显示。卫星通信信 道处于正常状态时，H 2 6 4 编码器有关键帧的固定发送频率，当H 2 6 4 编码器检测到信道中断时立刻增 加关键帧的发送频率，当信道恢复正常时，解码器可以迅
11、速检测到关键帧，正确判断出实时图像应显示 的时刻，从而实现快速恢复实时图像显示。 从系统层面来说，移动卫星通信中编码器工作环境一般为车载，使用和调试都受到一定限制，编解 终端处于系统最上层，需具备一些附加或扩展功能以方便使用。比如在编码时，可以同时输出一路解码 图像回显至本地屏幕，以便本地观察监控情况和调整摄像头角度；具有信道通断诊断和报警功能等。 3 总结 H 2 6 4 视频编解码技术在提高卫星带宽利用率、控制输出码率波动、减少误码和丢包视频图像效果 的影响、有效处理中断信号方面发挥着极其重要的作用。有效的利用视频编解码技术能充分发挥移动卫 星通信系统的通信效能以及灵活和覆盖的优势，更为高效的提升通信质量，有效的解决移动卫星通信中 存在的问题。 参考文献 1 刘峰 E 2 3余兆 3 张刚 E 4 3李白 E 5 3方德 视频图像编码技术及国际标准E M 北京邮电大学出版社，2 0 0 5 明图像编码标准H 2 6 4 技术 M 人民邮电出版社，2 0 0 6 深入浅出数字电视 M 电子工业出版社( 北京) ，2 0 0 7 萍现代通信系统 M 北京大学出版社，2 0 0 7 葵卫星数字传输与微波技术E M 中国广播电视出版社，2 0 0 5 1 0 9
