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保证H.264视频通信质量的实时传输协议载荷


□ 宋 彬 秦 浩 郭春芳

  摘要:在详细研究H,264标准的网络适配层(NAL)和实时传输协议(RTP)的基础上,提出一种可以保证H,264视频通信质量的实时传榆协议(ERRTP)载荷结构,载荷结构中使用了NAL头字段和前向纠删(FEC)保护字段,在增加开销很小的情况下,支持对H,264视频码流进行FEC不等保护,同时可以保证时延在实时视频通信允许的范围内,性能分析和实验结果表明,与RTP协议相比,使用ERRTP载荷的传输效率基本没有变化,且ERRTP支持FEC不等保护,与单一FEC保护相比,在高丢包率下恢复视频质量的峰值信噪比可以提高2~9 dB,满足分组丢失环境下实时视频通信的服务质量要求。
  关键词:H,264标准;实时传输协议;服务质量;前向纠删
  中图分类号:TN919,8文献标识码:A文章编号:0253-987X(2007)12—1455-05
  
  随着第三代移动通信系统的出现和IP网络的迅速发展,视频通信已经成为通信的主要业务之一,继制定了H,261、H,263、H,263+等视频压缩标准后,ITU-T和ISO/IEC又联合制定了新的视频压缩编码标准H,264ElI,与其他视频编码标准相比,H,264标准能更加有效地提高视频编码效率和对网络的适配性。 然而,IP网络提供“尽力”传输服务,但其自身并不能保证视频信号传输的服务质量(QoS),特别是对经过高效压缩编码的H,264码流,问题更为突出,具体表现在3个方面:分组丢失、时延和时延抖动,其中,分组丢失对恢复视频的质量影响最大,由于H,264压缩编码算法使用运动估值和运动补偿技术,一旦有分组丢失存在,不仅影响当前解码图像,而且会影响后续解码图像,即误码扩散,而时延和时延抖动对实时视频通信的恢复图像质量也会造成影响。
  实时传输协议(RTP)是在IP网络上进行视频通信时采用的主要协议,它提供单播或者多播网络上端到端的实时数据传输,RTP典型的运行于用户数据报协议(UDP)之上,文献分别给出了在RTP上传输H,263、MPEG-4和H,264等不同嫦体格式的方法,但是文献中并未涉及对视频数据进行FEC保护的方法,不能保证在丢包环境下视频传输的QoS。
  本文根据RTP载荷结构和H.264网络适运层(NAL)的特点,利用NAL单元(NALU)头结构,重新构造RTP载荷,提出新的具有抗丢包能力的RTP载荷结构(ERRTP),然后,利用ERRTP载荷结构,对H,264码流使用FEC不等保护,能够保证时延在实时视频通信允许范围内,大大提高H,264视频通信的QoS。
  
  1 RTP结构和H,264的NALU
  
  1.1 RTP结构
  RTP分组由头字段和载荷两部分组成:头字段包括版本号、填充标识、扩展标识位、载荷类型以及序列号、时间戳等信息,使用基本选项时头字段占12个字节;载荷中存放有效数据信息,如视频码流等,用户可以自定义载荷的格式,从而传输不同格式的媒体流数据。
  
  1.2 NALU结构
  NAL是为了提供“网络友好性”而设计的,它有利于H,264中视频编码层(VCL)数据到传输层的适配,NAL中用NALU存放数据,它由NALU头和NALU载荷两部分组成,具体格式如图1所示。
  
  图1中禁用字段占用1 bit,在H,264编码器中设为O,如果网络节点识别该NALU中存在比特错误,则将其置1,NALU参考标识占用2 bit,其值越大,表示当前NALU越重要,NALU类型占用5bit,共32种,其中取值1~12表示不同类型,取值13~23表示保留,其他未定义。
  常规方式下,H.264视频流以简单的方式打包成RTP载荷,共有3种不同的打包模式,分别为单个NALU分组模式、聚合模式、分片模式,其中,分组模式将一个NALU装入一个RTP载荷,聚合模式将多个NALU装入一个RTP载荷,分片模式将一个NALU装入多个RTP载荷。
  上述打包方法没有考虑网络中可能存在丢包,尤其是H.264编码具有非常高的时间相关性,丢包可能导致误码扩散,大大降低了视频通信的QoS,为了解决该问题,本文提出一种新的具有抗丢包能力的载荷格式。
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