H．264在动中通应急图像传输中的应用

ITU

动中通系统对编解码技术的需求

动中通系统的卫星通道的特点决定了编解码器要具备如下能力。

第一，受动中通卫星天线增益、经纬度、地球同步轨道通信卫星自身参数以及天气状况（如下雨、多云）的限制，在许多地区上行带宽超不过1.5Mbit/s。结合我公安实战要求，需要编解码器在低于1.5Mbit/s的带宽下能够传输清晰的D1质量的图像。

第二，由于受到树木、山体及建筑物等物体的遮挡，卫星通道经常出现中断，这就要求图像编解码器在卫星链路恢复后，能够即时恢复图像传输。

第三，卫星链路相对于有线链路其误码率要高很多，这就给动中通系统的编解码系统提出了更高的要求，要采取相应机制，以适应较高的误码率。

第四，动中通系统经常需要在高速运行的环境下进行图像传输，此时图像的变化将非常剧烈，这就对编解码器的运算处理能力提出了更高的要求，这种要求远大于对室内电视会议系统图像处理能力的要求。

第五，动中通系统一般运行在车载环境中，环境温度较高，电磁干扰较强，对编解码器的适应性和抗干扰性能都提出了很高的要求。

    H.264技术是动中通图像 编解码器理想的选择

    1.H.264技术的产生与发展

图1  视频编码标准沿革示意图

    H.264是一种高性能的视频编解码技术。它是由两大标准化组织联合组建的联合视频组（JVT）共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码（AdvancedVideoCoding，AVC），而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。

    2.H.264技术可以很好地适应动中通卫星通道的特点，与动中通系统有效地结合。

    (1）具有较高的压缩效率

    H.264编码视频流与H.263或MPEG-4Simple Profile编码视频流相比，平均可节省39％的比特率。通过引入一系列新特性，H.264的压缩率提升近1倍,节省了卫星的传输带宽。目前，国内的H.264编解码器厂商可以在1.2Mbit/s的编码码率下实现D1（720×576）分辨率的连续清晰图像。

表1  H.264与MPEG-2压缩码率比较

    (2）基于UDP，实现图像即时恢复

由于受到遮挡，动中通系统经常发生卫星链路中断的现象，在卫星信号恢复后，编解码系统要能够以最快的速度恢复图像传输。H.264可以把关键信息分离出来，减小断流再恢复的同步时间，同时，H.264编解码器可以建立在UDP基础之上，能够快速重建链路，目前国内的编解码器厂商已经实现图像即时恢复。

    (3）具有较强的抗丢包和抗误码性能

在卫星数据通信过程中，由于噪声和其它原因，误码是必然存在的。H.264标准的参数集和片的使用、FMO、冗余片等关键技术可以提高系统的抗丢包和抗误码性能。H.264定义了视频编码层（VLC）和网络提取层（NAL），并在框架结构上进行了分离，可以在异构网络环境中使用。H.264把关键信息分离出来，凭借参数集的设计，确保在易出错的环境中正确地传输它们，也增强了码流传输的错误恢复能力。H.264技术中定义了灵活片组（FMO）、数据分割等错误恢复工具，方便解码端实行错误掩盖。

此外，在运行过程中，出现卫星链路中断或误码率过高时，实现了画面停留在最后清晰的一帧上，同时，在实现了在信号恢复之后，画面从接收到的清晰的一帧开始。H.264技术内置的多种错误恢复工具有利于解码端进行错误掩盖，误码超过一定阈值后跳过该帧，断流后则保持在最后一正常帧的静止画面，码流恢复后从第一个正常解码的IDR帧开始显示。

    (4）具有较强地抗干扰能力

动中通系统中的摄像头有时会引入较大干扰，特别在低照度的环境中干扰对图像质量有非常大的影响。根据分析主要有两种噪声会影响视频质量，一种是相邻色素之间产生的伪颜色噪声，一种是由于信号强度而产生的泊松噪声（会影响物体的边缘清晰度）。一般滤波器的工作原理是先做低通滤波，然后再做高通滤波。从频谱上分析，物体的边缘成分在做低通的时候已经损失掉了一部分，尽管在高通后通过一定的处理可以还原大部分，但实际上它已经不能够达到最理想的效果。这些噪点随着产品型号和工作环境的不同而不同。由于视频压缩算法效率与时间上的相关性有关，这种随机噪点对视频压缩的影响非常大，有时候甚至造成码流成倍上升，将压缩算法的优点全部掩盖。H.264技术一方面使用了高级图像预处理方法，能够减小低照度环境下噪点影响；另一方面，通过实时滤波技术的应用，使得在压缩之前就排除了信号中的干扰，压缩还原的图像有很大提高，同时也降低了传输码率。

    (5）网络适应性强

    H.264包含一个内置的互联网协议适配层(InternetProtocolAdaptiveLayer)，所以，H.264可以被映射到任何固定IP、无线IP、存储装置或广播网络中，而这就是电信企业和消费性电子厂商都准备支撑H.264的原因。H.264作为最新的视频编码标准，采取了一系列切合实际的技术措施，如视频编码层和网络提取层分离、封装NALUnits、指定参数集等提高了网络适应性，增强了数据抗误码的顽健性，从而保证了视频传输后压缩视频的QoS。

    3.在动中通卫星系统中H.264编解码器经受住了实战的洗礼。

北京奥运安保中大量地启用了平板式相控阵动中通卫星通信车，该类卫星车具有技术先进、机动灵活、操作简单、锁星效果好、性价比高等诸多优点，但也有其难以弥补的不足——上行带宽低。在北京地区只有1.5Mbit/s左右，在原有MPEG-2或MPEG-4SimpleProfile编解码器下，很难实现动中通条件下D1（720×576）分辨率的清晰图像连续传输。为此，有关方面技术人员对多种编解码器做了大量的实验、对比以及改进，最终选择了H.264编解码器。在奥运安保期间，它实现了在1.2～1.5Mbit/s的视频码率下传输清晰的D1图像，圆满完成了奥运安保尤其是火炬接力、公路自行车赛、马拉松赛等线路型赛事的图像传输任务。

目前，国内的有关技术机构已经开始着手较窄带宽下适合无线移动传输的基于H.264技术的高清编解码器的研发工作。随着技术的不断发展、整体结构的不断完善、算法的不断优化以及芯片处理能力的不断提高，相信不久便可以看见国产的H.264编解码器在较窄的卫星带宽下实现高清品质的图像传输。