保障低码率无线信道传输高质量视频信号的方法

摘要

一种保障低码率无线信道传输高质量视频信号的方法，包括将视频信号输入设备将数据传输给远端主机编解码器，远端主机编码器将得到的视频信号数据进行宏块分组，进行数据分割处理，对于重要数据进行加入具有纠错功能的校验算法，一般重要数据加入具有检错功能的校验算法，非重要数据不需要加入检验码；然后这些数据通过协议栈，将数据传输信道，本地主机解码器对于通过信道接收的数据进行解码前，对于重要数据、一般重要数据、非重要数据处理、解码后播放该数据。本发明解决了低码率无线信道终端在高误码率环境下，没有足够信道重传视频帧时，视频质量很差或是无法传送视频信号的问题，保障本地主机依然能够获得高质量视频信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高视频信号质量的方法，尤其是一种应用于低码率无线信道终端在高误码率环境下，没有足够信道重传视频帧时，视频质量很差或是无法传送视频信号时，以保障传输高质量视频信号的方法。属于通信技术领域。

背景技术

由于无线信道带宽的增加，特别是3G网络即将投入运营，越来越多的移动终端采用大数据量的视频应用，比如视频电话，流媒体，无线电视直播。由于用户可接受的价格的限制，又不可能为用户提供无限的带宽给视频应用：比如3G网络可以提供高达384K的无线信道，但是一般只使用64K信道来承载视频电话业务。

然而，3G业务中规定误码率可以达到10^-4到10^-6，在边缘地区，或是高速运动的情况下误码率将达到10^-3。在这种情况下图象质量几乎不能接受。为了保证图象质量，必须在图象数据中加入纠错码或是重传图象帧。可是由于信道的限制这两点都很难实现。因此现有技术在信道误码率比较高的情况不能开展视频业务。比如把视频电话降格为音频电话不再传输视频。

下面以视频电话业务为例介绍现有技术的问题：

现行技术方案由国际电信联盟ITU组织的3G324协议规定。协议中建议采用64K信道传输，采用MPEG4或是H.263做为视频编解码器，G.723.1或是AMR做为音频编解码器。然而在64K信道条件下video通道的信道只有40K左右(其余留给语音信道和命令信道)。采用MPEG4或是H.263作为视频编解码器编解码QCIF图象尺寸，每秒15帧图象(标准情况)需要耗用40K信道。

因此为了解决信道有错误的情况下图象质量下降的问题，3G 324协议族中，采用了差错校验和重传机制。H.223协议中对数据单元加入校验码，由于信道的限制，只是加入了CRC校验码它只能查错不能纠错。当CRC查到错误时要求远端终端重发该帧。如果误码率很低(小于10^-5)的情况下还是可以的，但是当误码率很高时(10^-3到10^-4)的情况下就根本不可能。因为一个视频帧平均大小为2.5k左右。假如误码率是10^-5，那么平均每40帧有一个错误，在每秒钟传送15帧的情况下，64K信道平均每秒需要重传一个大小为1K的错误帧，这没有问题。但是如果误码率是10^-4，那么，64K信道平均每秒就要重传10K的错误帧。64K信道根本做不到。因此误码率是＞10^-4时64K信道已经不可能完成重传，只能丢弃带有错误的图象帧或是强制解带有错误数据的图象帧。

现有技术把无线网络能够提供的带宽几乎耗尽，在信道误码率不高的情况下可以偶尔重传一帧，但是在高误码率的情况下没有多余信道来重传数据。由于视频压缩的特性是：时间相关性很高，一帧和后面连续(高达16帧)几帧都有关联，一帧错误，必须重传该帧，不然图象会影响长达1秒的时间，所以在信道误码率比较高(10^-4到10^-5)的情况下无线终端图象质量非常差，在信道误码率比较高(10^-3到10^-4)的情况下不能启动视频业务。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种保障低码率无线信道传输高质量视频信号的方法，它解决低码率无线信道终端在高误码率环境下，没有足够信道重传视频帧时，视频质量很差或是无法传送视频信号的问题，保障本地主机依然能够获得高质量视频信号。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：

一种保障低码率无线信道传输高质量视频信号的方法，它包括视频信号输入设备将数据传输给远端主机编码器，编码器将数据编码后通过协议栈，将数据传输给3G信道，本地主机解码器对于通过3G信道接收的数据进行解码，随后播放该数据，还包括如下步骤：

步骤1，远端主机编码器将得到的视频信号数据进行宏块分组。如将一帧的数据变成宏块或是微宏块，对其打上标识，再对于预定数量的宏块和微宏块进行分组；对于分组包要打上分组包头，标识该分组包、包的大小以及包内数据情况；

步骤2，对每一个宏块组进行数据分割处理，把数据分成重要数据、一般重要数据、非重要数据三类；

步骤3，对于重要数据加入具有纠错功能的校验算法比如SRC校验码，一般重要数据加入具有检错功能的校验算法比如CRC校验码，对于其他非重要数据加入CRC校验或者不作校验处理；

步骤4，把上述数据一起发送进入信道进行传输。如在低码率无线信道进行传输；

步骤5，本地主机解码器将接收到的重要数据、一般重要数据和非重要数据分别进行处理；使得重要数据得到可靠传输，一般重要数据和非重要数据则根据相应的阈值确定具体的处理；

步骤6，本地主机按照错误数据的重要类型，和错误数据发生的具体区域发送重传信令，远端主机将错误数据重新传输。

当本地主机解码器将接收到的数据后，重要数据错误不是很多，纠错码校验码可以发现错误并且更改错误后，将数据发送给解码器进行解码；如果错误比例大于预定的阈值，无法进行纠错时，不对该数据将该数据发给解码器进行解码，而是向高层发送错误报告，高层通过协议向远端主机要求重传该数据。

如果检错码发现一般重要数据发生错误，在错误率不是小于预定的阈值时，将数据直接发给解码器进行解码，如果检错码校验出错的比例大于预定的阈值，则向上层报告错误，不对数据进行解码。

对于非重要数据则不作处理，或者在误码率远远超过设定非重要数据的阈值时，要求远端重传宏块组内错误数据的类型和错误数据的具体区域。

进一步地，本发明的方法还包括将宏块分组和数据分割以后要把数据送入协议栈的协议，在送入高层前储存一窗口的数据，进行数据备份，以备接收方要求数据重传。

当移动用户的环境改变，误码率变大时，重传信令通知远端主机把宏块组变小后，再重新传输。具体地，变小的步骤是根据在第一步中进行宏块分组，多少宏块一组是一个与信道环境相匹配的预设定值，远端主机得到对方把宏块组变小的请求信令后把每一组的宏块数目降低就可以了。

根据本发明提供的技术方案可知：

1、采用编码效率更高的视频编解码算法将数据按照重要性进行分类，比如可以采用H.264代替MPEG4或是H.263。对于视频帧中的重要信息采用带有纠错功能的纠错码比如SRC，减少重传次数。非重要数据可以采用CRC校验码，校验出错误帧的数量。

2、改进重传机制。由于视频业务不需要保证数据完全正确，所以只需要重传重要数据即可，非重要数据如果错误量不是很大就不需要重传，从而保障在信道误码率较高的环境下，能够正常启动视频业务。

附图说明

图1为本发明设备、协议以及信道系统构架框图；

图2为本发明数据处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步地详细说明。

以视频电话业务为例，采用ITU组织的3G324协议来实现视频电话业务，本发明采用H.264视频算法代替MPEG4或是H.263视频算法，在H.264算法流程最后加上宏块分组和数据分割算法；改进H.223(以下简称EH.223)协议，采用SRC和CRC混合校验码来校验错误；对于数据分割以后的重要视频数据采用SRC，一般重要数据和非重要数据采用CRC算法；改进H.245算法，加入重传宏块组的消息，加入重传重要信息、一般重要信息、非重要信息的消息。

具体地，本发明方法的详细流程如下：

宏块分组：经过H.264编码以后的数据，对每一帧里面的宏块(16×16block)或是微宏块(macroblock)进行分组。编码器把一帧的数据变成宏块或是微宏块以后会对它们打上标识，然后对于一定数量的宏块和微宏块进行分组。比如每512个象素为一组，那么就是2个16×16b1ock一组，一个16×16block和4个4×4macroblock一组，8个macroblock一组等等。具体多少象素为一组要看信道大小，和信道误码率的情况决定。对于分组包要打上分组包头，标识这是分组包，包的大小，包内数据情况。

数据分割：然后对每一个宏块组进行数据分割处理，也就是把信息分成A类(重要数据)，B类(一般重要数据)，C类(非重要数据)三类，然后把各种级别的数据放到一起发送。H.223收到数据后进行处理。依据H.264编码的数据具体分割方法：

1、不同大小和形状的宏块分割。对每一个16×16像素宏块的运动补偿可以采用不同的大小和形状，H.264支持7种模式，如图2所示。小块模式的运动补偿为运动详细信息的处理提高了性能，减少了方块效应，提高了图像的质量。这就可以满足前面所说的宏块分组条件。

2、H.264中还常利用数据分割的方法来应对信道码率的变化。从总体上说，数据分割的概念就是在编码器中生产具有不同优先级的视频数据来支持网络中的服务质量QoS。例如采用基于语法的数据分割(syntax-baseddata partitioning)方法，将每帧数据按其重要性分为几部分，允许在缓冲区溢出时丢弃不太重要的信息。还可采用类似的时间数据分割(temporaldata partitioning)方法，通过在P帧和B帧中使用多个参考帧来完成。

本发明实施例采用语法分割把数据分成几类，对重要数据进行校验。具体参见H.264标准规定。

数据备份：宏块分组和数据分割以后要把数据送入3G 324协议栈的EH.223协议。在送入高层前储存一个窗口(4-8帧)的数据，以防对方要求重传。

加入校验码：在H.223中一般采用CRC对于AL-SDU进行校验，由于CRC校验码不能纠错，所以本发明采用SRC校验码(详见下面SRC描述)。SRC校验码数据率和冗余率为1∶4，然而信道有限，在64K信道里面不可能全部数据采用SRC编码，所以要采用SRC和CRC混合编码方法。因此，本发明中，在EH.223adapter层不再采用的AL3格式传送数据，而是采用新的传输格式(定义为AL4格式)对数据进行组织。

本发明的一个实例中的AL4格式如下表所示：

  (1)  控制字段(0，1，2或是3byte)  (2)  AL-PDU(宏块信息2-4byte)  (3)  AL-PDU(宏块重要数据段N byte)  (4)  SRC字段  (5)  AL-PDU(宏块一般重要数据和非重要数据段)  (6)  CRC字段

在AL4格式中，控制字段、宏块信息、宏块重要数据段、SRC字段、宏块一般重要数据和非重要数据段以及CRC字段；其中，各个字段的内容如下：

a)控制字段

  (1)  PT序列类型  (2)  SN序列号(指示帧号)  (3)  CSN子序列号(指示宏块组号)

b)AL-PDU(宏块信息2-4byte)

指示宏块组信息。包括指示多少byte一个宏块组，每个宏块组里面宏块和微宏块的数量和排列情况。

c)AL-PDU(宏块重要数据段N byte)

把数据分割以后的重要信息放在这里。让下面的SRC校验码对其纠错。

d)AL-PDU(宏块一般重要数据和非重要数据段)

把数据分割以后的非重要信息放在这里。让CRC校验码发现错误情况。

AL4格式中对于重要信息进行SRC编码，对于不重要的信息进行CRC编码。这样可以保证重要的数据可以纠错，不重要的数据可以发现错误。

发送重传信令：在本地主机端的解码器，对于接收的数据进行解码时，如果重要数据错误不是很多，SRC校验码可以发现错误并且更改错误。如果错误很多已经不能纠错，向高层发送错误报告，高层通过H.245向远端主机要求重传该宏块组中的重要数据。所以要把现有方案中整个包重传的方法改为重传宏块组或是宏块组内重要数据。如果CRC发现一般重要数据发生错误但它有没有纠错能力，在错误率不是很高的情况下直接发给解码器进行解码，如果错误很高，如果是错误率很高则向上层报告错误(错误率很高是指，协议连续发现很多小包CRC校验出错，或者小包CRC校验出错的比例大于一定的阈值)。上层通过EH.245要求远端主机重传宏块组内错误数据的类型和错误数据的具体区域，例如传输宏块组内的对方要求重传的数据区域。EH.245能够配合EH.223发送重传命令，指示远端需要重传的数据是数据哪一个帧，哪一个宏块组，是重要数据还是非重要数据。因此EH.245要加入重传消息，消息中要详细描述重传哪一个帧中哪一个宏块组，是重传重要数据还是非重要数据。比如：本地主机检测到编号为10的帧第一个宏块组一般重要的数据发生错误，并且错误率较高，它就可以发送信令通知远端主机重传数据，信令后面紧跟要求重传数据的信号位置信息一(1)编号为10的帧(2)第一个宏块组(3)一般重要数据。

另外当移动用户的环境改变，误码率变大时，EH.245应该具有通知远端主机把宏块组变小有利于重传的能力。实现方法为：本地主机发现远端主机传来的数据误码率在一段时间内都比较大，它就发出改变宏块大小的命令给远端主机.远端主机收到该命令以后，把宏块大小变小，这样可以每次重传的数据量变小。不足之处是包的数目会增多，这会增加包的额外数据消耗。反之，本地主机发现远端主机传来的数据误码率在一段时间内都比较小，它就发出改变宏块大小的命令给远端主机。远端主机收到该命令以后，把宏块大小变大减少包的额外数据消耗。

本发明的可行性分析为：

A类数据，B类数据，C类数据的比例大致为1∶1∶3；即：A类占用4K信道，B类占用4K信道。C类占用12K信道。

对于A类数据采用SRC校验；由于SRC校验码rate＝1/4，所以A类数据占用20K信道。B类和C类数据都采用CRC校验，占用信道不变。

所以视频总共占用36K信道，音频占用平均8K信道，信令占用4K信道；64K信道还有16K信道富余，可以用来重传出错的帧。SRC算法不但能够检查错误，而且还能够纠错。

依据本发明视频帧宏块分组和数据分割后的采用带有纠错功能的校验码校验重要数据和采用带有检测功能的校验码检错，而且能够在高误码率信道中根据不同校验码的结果选择重传重要数据或是非重要数据的方法，可保障在高误码率环境下的低速率信道中开展视频业务，并且视频图象的质量得以显著提高。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。