基于h264压缩格式的数字视频传输技术研究 大学毕业论文.docx

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基于h264压缩格式的数字视频传输技术研究大学毕业论文

河南科技学院

2009届本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

基于H.264压缩格式的数字视频传输

技术研究

学生姓名：

田利乐

所在院系：

信息工程学院

所学专业：

计算机科学与技术

导师姓名：

白林峰

完成时间：

2009-05-25

毕业论文（设计）任务书

题目名称：

基于单片机的三车道交通信号系统的设计

学生姓名

田利乐

所学专业

计算机科学与技术

班级

053班

指导教师姓名

白林峰

所学专业

计算机

职称

高级实验师

完成期限

2009年2月5日至2009年5月15日

一、论文（设计）主要内容及主要技术指标

主要内容：

论文主要研究了基于H.264压缩格式的数字视频传输技术。

包括三大部分：

1、H.264视频压缩标准及其编解码的分析；

2、基于H.264的视频传输抗误码技术的研究：

（1）数字视频传输技术；

（2）基于H.264的抗误码技术的研究；

（3）应用设计及结果分析；

3、H.264视频流传输模型设计。

二、毕业论文（设计）的基本要求

（1）毕业设计报告或论文一份；

（2）不少于2000汉字的与本专业有关的翻译资料一份；

（3）开题报告和中期检查表一份。

三、毕业论文（设计）进度安排

2009年2月16日起收集与课题相关的文献资料

2009年3月6日前交论文开题报告

2009年3月9日起做毕业设计

2009年4月20日进行毕业设计中期检查

2009年5月5日开始写毕业论文

2009年5月22日提交毕业论文

河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告

题目名称：

基于H.264压缩格式的数字视频传输技术研究

学生姓名

田利乐

专业

计算机科学与技术

学号

20051014316

指导教师姓名

白林峰

所学专业

计算机

职称

高级实验师

完成期限

2009年2月5日至2009年5月22日

一、选题的目的意义

近年来，随着数字通信技术和各种网络技术的迅猛发展以及宽带Internet在全球的迅速普及，尤其是第三代移动网络和未来的带宽无线网络的使用，使得多媒体通信越来越成为人们研究的热点。

因此，各种视频技术的研究和应用一直吸引着国内外广大科技人员的关注。

由于信道噪声的影，视频信息在传输过程中会发生改变或丢失，这种传输误码会一导致视频重建质量严重下降。

因此视频传输中的抗误码技术的研究是一个十分重要的课题。

二、国内外研究现状

AVS是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准。

AVS视频当中采用了一系列技术来达到高效率的视频编码，包括帧内预测、帧间预测、变换、量化和嫡编码等。

由于包含了目前最新的视频压缩技术，从压缩效率比较:

AVS与H.264/AVC相当，是MPEG-2的两倍以上。

AVS适用的范围有数字地面电视广播（DTTB）、有线电视（CATV）、交互存储媒体、直播为卫星电视、分组网络的多媒体业务（MSPN），实时通信业务（视频会议、可视电话等）等等。

视频压缩编码的国际标准主要有MPEG系列标准和H系列标准。

。

目前，MPEG系列标准主要包括:

MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7等。

它主要应用于视频存储（DVD）、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。

H系列标准是由ITU-T的视频编码专家组制定的视频压缩标准，包括H.261、H.263以及H.264/AVC。

它主要应用于实时视频通信领域。

三、主要研究内容

1、研究H.264标准及其编解码的方法；

2、研究视频传输技术；

3、研究H.264的抗误码技术。

四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线

分析H.264标准及其编解码的方法找出更好的数字视频传输方法。

分析现有数字视频传输技术，找出适合H.264标准的技术。

并研究H.264的抗误码技术。

五、主要参考文献与资料

[1]沈兰荪，卓力，田栋，汪孔桥.视频编码与低速率传输[M].电子工业出版社，2001:

17-50

[2]黄贤武等.数字图像处理与压缩编码技术[M].电子科技大学出版社，2000:

449-456

[3]毕厚杰.新一代视频压缩编码标准一H.264/AV[M].北京:

人民邮电出版社，2005

[4]钟玉琢等.基于对象的多媒体数据压缩编码国际标准[M].科学出版社，2000:

14-36

[5]沈兰荪等.视频编码与低速率传输[M].电子工业出版社，2001.

[6]艾达,常义林,罗忠等.基于对象的H.264视频编码抗分组丢失方法[J].西安电子科技大学学报,2006,33（4）:

524-528.

[7]齐谊娜，徐海龙，王晓月.H.264与MPEG一4压缩编码标准的分析与比较[J]，计算机测量与控制，2006（14）:

1720-1722

[8]魏聪颖等.基于实时流媒体传输系统的H.264组包算法研究.计算机科学，2007（34）:

41-44

[9]王健，毕厚杰.H.264视频编码传输的QoS特性分析[J].中国多媒体视讯，2005（l）:

61-65

[10]陆晓鹏，王鹰，王寿武.H.261视频数据流的RTP封装[J].微电子学与计算机，2005（22）:

166-169

六、指导教师审批意见

签名：

年月日

摘要

本文基于H.264标准分析了视频压缩、视频传输、抗误码等技术。

由于H.264标准主要面对IP和无线环境的，抗误码性能也就成了关键问题，所以本文对基于H.264标准的视频传输抗误码技术进行了分析。

本文首先对视频图像编码发展史、视频图像压缩编码技术及视频编码国际标准作了简单介绍，并给出了图像/视频编码领域的基本概念、发展历史和当前状况，着重介绍了视频编码国际标准H.264的发展情况，及其目前相关研究动态。

并且进一步阐明了本文选题的理论依据，并为随后展开深入的分析提供了线索与思路。

最后分析了基于H.264的视频传输抗误码技术，提出了在H.264中引入了基于算术编码的具有连续检错和自动重传能力的综合抗误码方案，以获得较好的压缩效果和抗信道误码能力。

关键词H.264标准,整数变换,视频传输,抗误码技术

DigitalvideotransmissiontechnologybasedonH.264

compressionformat

Abstract

BasedonH.264standards，thisarticleanalysesvideocompression,videotransmission,errorresilienttechniques.H.264standardsmainlyduetothefaceofIPandwirelessenvironment,errorresilienttechniqueswillbecomekeyissues,sothisarticleBasedH.264standardserrorresilientvideotransmissiontechnologyisanalyzed.First，ThisarticleMadeabriefintroductiontohistoryofthedevelopmentofvideocoding,videocodingvideocompressionvideocodingtechnology,internationalstandards.ANDgivestheimage/videocodingfieldofthebasicconcepts,historyandcurrentstatusofdevelopment,focusedoninternationalstandardsforvideocodingthedevelopmentofH.264,anditscurrentresearchdevelopments.Andfurthersetsouttheoreticalbasisforthisarticletopics,andthentoconductin-depthanalysisofthecluesandideas.Finally,ananalysisofH.264-basederrorresilientvideotransmissiontechnology,putforwardintheintroductionofH.264basedarithmeticcodingforerrordetectionwithARQcapacityandintegratederrorresilientprogramtoobtainbettercompressioneffectsandtheabilityoferrorresilienttechniques.

KeywordsH.264standards,integertransform,videocommunication,Errorresilienttechniques

目录

1绪论1

1.1技术研究背景1

1.1.1国内的研究现状1

1.1.2国外研究2

1.2论文研究目的与意义2

2H.264视频压缩标准3

2.1H.264编码新特性4

2.1.1帧内编码预测4

2.1.2帧间编码预测4

2.1.3整数变换和量化5

2.1.4熵编码6

2.1.5H.264的分层设计6

2.2H.264的视频编码、解码7

2.2.1H.264的视频编码器7

2.2.2H.264的视频解码器8

3基于H264的视频传输抗误码技术的研究8

3.1数字视频传输技术8

3.1.1TCP／IP协议8

3.1.2IP组播技术9

3.1.3多媒体通信模型10

3.2基于H.264的抗误码技术的研究10

3.2.1传输误码的分类及抗误码的基本方法10

3.2.2基于上下文的二进制算术编码（CABAC）12

3.2.3基于AC的具有CED的ARQ方案13

3.3应用设计及结果分析14

4H.264视频流传输模型设计17

4.1视频传输的一般模型17

4.2RTP/RTCP协议分析17

4.2.1实时传输协议RTP17

4.2.2实时传输控制协议RTCP18

4.2.3RTP工作机制18

4.3H.264视频流实时传输方案19

总结21

致谢22

参考文献23

目录

1绪论1

1.1技术研究背景1

1.1.1国内的研究现状1

1.1.2国外研究2

1.2论文研究目的与意义2

2H.264视频压缩标准3

2.1H.264编码新特性4

2.1.1帧内编码预测4

2.1.2帧间编码预测4

2.1.3整数变换和量化5

2.1.4熵编码6

2.1.5H.264的分层设计6

2.2H.264的视频编码、解码7

2.2.1H.264的视频编码器7

2.2.2H.264的视频解码器8

3基于H264的视频传输抗误码技术的研究8

3.1数字视频传输技术8

3.1.1TCP／IP协议8

3.1.2IP组播技术9

3.1.3多媒体通信模型10

3.2基于H.264的抗误码技术的研究10

3.2.1传输误码的分类及抗误码的基本方法10

3.2.2基于上下文的二进制算术编码（CABAC）12

3.2.3基于AC的具有CED的ARQ方案13

3.3应用设计及结果分析14

4H.264视频流传输模型设计17

4.1视频传输的一般模型17

4.2RTP/RTCP协议分析17

4.2.1实时传输协议RTP17

4.2.2实时传输控制协议RTCP18

4.2.3RTP工作机制18

4.3H.264视频流实时传输方案19

总结21

致谢22

参考文献23

1绪论

随着全球跨入数字化、网络化、全球一体化的信息时代，人们之间的信息交流越来越频繁，方式越来越多样。

从原始的纸笔书信，到传统的语音通信，再到新兴的数字通信，无不体现着人们对通信方式多样化的追求。

视觉是人类获取信息的最重要的方式，这使得通信的可视化需求越来越高。

视频通信刚起步之时，仅仅是少数人能够享受的奢侈品，设备昂贵、成本高，产品再好，人们也只能望而却步。

而计算机技术、多媒体技术的迅猛发展以及互联网的日趋普及，让这个尴尬的问题迎刃而解。

1.1技术研究背景

近年来，随着数字通信技术和各种网络技术的迅猛发展以及带宽Internet在全球的迅速普及，尤其是第三代移动网络和未来的带宽无线网络的使用，使得多媒体通信越来越成为人们研究的热点。

因此，各种视频技术的研究和应用一直吸引着国内外广大科技人员的关注。

同时，作为多媒体通信系统中的一个关键技术--视频压缩编码技术，它可广泛应用于视频存储、会议系统、视频点播、监控系统、远程教学、IPTV等方面。

视频信息经过数字化后，其数据量是十分巨大的，它给信息的存储和传输带来很大困难。

因此，如何有效对视频数据进行压缩编码并使其标准化是多媒体通信中的一个关键问题。

从1984年CCITT公布第一个视频压缩编码国际标准以来，国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU-T）相继推出了一系列图像、视频压缩编码国际标准，如:

JPEG、H.26l、H.263、MPEG-l、MPEG-2、MPEG-4等等，分别针对不同的应用场合（静止图像或活动视频、广播电视或桌面视频）。

虽然这些视频编码技术可以较好的满足各自应用领域的需求，大大推进了视频通信和数字电视广播的发展，但是随着多媒体、无线通信技术的发展，这些视频编码技术又面临着新的挑战，如:

要求码率更低、容错性更高。

于是，2003年3月，ISO和ITU-T再次联手，推出了新一代视频压缩标准--H.264/AVC，其主要目标就是提高编码效率和网络适应性。

在相同的图像质量下，与H.263或MPEG-4相比，其编码比特率可以节省一倍左右。

H.264/AVC标准不仅吸取了以往视频编码标准中的经验，而且在此基础上研究开发和采用了许多先进的技术，对于今后的网络视频传输（无线网络和Internet网络），数字电视等领域带来深远的影响。

同时，H.264/AVC标准可以支持各种视频应用，如:

低延迟模式的视频会议、高清晰度电视（HDTv）、高处理延迟的视频存储等。

可以这样说，H.264/AVC标准在许多方面已经超越了现有的所有视频编码标准，在工业界得到广泛应用已经成为大势所趋。

1.1.1国内的研究现状

AVS是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准全称是数字音视频编解码技术标准工作组，该工作组是由国家信息产业部科学技术司于2002年6月批准成立。

该工作组的任务是面向我国的信息产业需求，联合国内外企业和科研机构，制（修）定数字音视频的压缩、解压缩、处理和表示等共性技术标准，为数字音视频设备与系统提供高效经济的编解码技术，服务于高分辨率数字广播、高密度激光数字存储媒体、无线带宽多媒体通讯、互联网带宽流媒体等重大信息产业应用。

AVS视频当中采用了一系列技术来达到高效率的视频编码，包括帧内预测、帧间预测、变换、量化和嫡编码等。

帧间预测使用基于块的运动矢量来消除图像间的冗余;帧内预测使用空间预测模式来消除图像内的冗余。

再通过对预测残差进行变换和量化消除图像内的视觉冗余。

最后，运动矢量、预测模式、量化参数和变换系数用嫡编码进行压缩。

由于包含了目前最新的视频压缩技术，从压缩效率比较:

AVS与H.264/AVC相当，是MPEG-2的两倍以上。

由于AVS是我国自主开发的音视频编码标准，收费低廉，且它注意了与国际标准的共存，所以得到了广大设备厂商、运营商的青睐，增加了产品的竞争力。

Avs适用的范围有数字地面电视广播（DTTB）、有线电视（CATV）、交互存储媒体、直播为卫星电视、分组网络的多媒体业务（MSPN），实时通信业务（视频会议、可视电话等）等等。

1.1.2国外研究

视频压缩编码的国际标准主要有MPEG系列标准和H系列标准。

MPEG是在1988年由国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC联合成立的专家组，负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。

目前，MPEG系列标准主要包括:

MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7等。

它主要应用于视频存储（DVD）、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。

H系列标准是由ITU-T的视频编码专家组制定的视频压缩标准，包括H.261、H.263以及H.264/AVC。

它主要应用于实时视频通信领域。

目前，MPEG系列和H系列的后续标准制定工作仍在进行当中。

1.2论文研究目的与意义

由于信道噪声的影，视频信息在传输过程中会发生改变或丢失，这种传输误码会一导致视频重建质量严重下降。

因此视频通信中的抗误码技术的研究是一个十分重要的课题。

H.264标准采取了一些抵御传输差错的措施，视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像刷新来完成，空间同步由条结构编码（slicestructuredcoding）来支持。

同时为了便于误码以后的再同步，在一幅图像的视频数据中还提供了一定的重同步点。

另外，帧内宏块刷新和多参考宏块允许编码器在决定宏块模式的时候不仅可以考虑编码效率，还可以考虑传输信道的特性。

然而，由于H.264的高效率编码，使得视频码流对信道误码率非常敏感，即使单个原发性错误，也可能会造成重构视频质量的急剧下降。

并且H.264标准中采用普通的可变长码（UVLC）和基于上下文的二进制算术编码（CABAC）的方法来编解码。

在视频传输中一旦遇到桑声干扰、出现传输误码，就会造成误码扩散，将严重影响重建视频的质量。

因此从宏块嫡编码模式出发，帧内编码宏块的抗误码性能需要较大的增强。

本文在H.264编码算法基础上，采用视频抗误码方法，来保证恢复图像的质量。

根据H.264编解码的特点，在H.264测试版中引入了一种基于算术编码（AC）能连续检错（CED）的自动重传请求（ARQ）方案，使得当H.264码流在有噪信道中传输时，加入新的检错机制后能连续检错并能发出重传请求，这大大提高了H.264在视频传输时的抗误码能力，并在增加冗余量和提高检错性能之间取得较好的折衷，获得较好的压缩效果和抗信道误码能力。

2H.264视频压缩标准

H.264视频压缩标准，是由ITU-TVCEG和IS0/IECMPEG成立的联合视频专家组共同开发的新一代的视频压缩标准。

H.264的编解码框架与以前提出的标准，如H.261，H.263及MPEG-1/2/4并无显著变化，也是基于混合编码的方案。

但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263更好的压缩性能;加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理;应用目标范围较宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。

技术上，它集中了以往标准的优点，并吸收了标准制定中积累的经验。

与H.263v2（H.263+）或MPEG-4简单类相比，H.264在使用与上述编码方法类似的最佳编码器时，在大多数码率下最多可节省50%的码率。

H.264在所有码率下都能持续提供较高的视频质量。

H.264能工作在低延时模式以适应时实通信的应用（如视频会议），同时又能很好地工作在没有延时限制的应用，如视频存储和以服务器为基础的视频流式应用。

H.264提供包传输网中处理包丢失所需的工具，以及在易误码的无线网中处理比特误码的工具。

在系统层面上，H.264提出了一个新的概念，在视频编码层（VideoCodingLayer,VCL）和网络提取层（NetworkAbstractionLayer,NAL）之间进行概念性分割，前者是视频内容的核心压缩内容之表述，后者是通过特定类型网络进行递送的表述，这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。

NAL引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输。

H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。

H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。

H.264能适应于不同网络中的视频传输，网络亲和性好。

H.264定义了3个档次:

基本档次、主档次、扩展档次。

基本档次主要包含低复杂度、低延时的技术特征，利用I片和P片支持帧内和帧间编码，不支持加权预测方式。

它选择用CAVLC而不是以CABAC对变换量化后的残差数据进行嫡编码。

它最多支持将一帧分成8个片组，这样在网络上传输时，对每个片组分别打包可使一个包丢失时不会引起整个帧的丢失。

主要用于可视电话、会议电视、无线通信等实时视频通信。

主要档次主要针对更高编码效率的应用，不支持多个片组、任意片序、数据分割、冗余图像这.些可用于对付网络丢包的措施。

支持基于上下文的自适应的算术编码（CABAC）。

主要用于数字广播电视和数字视频存储。

扩展档次主要针对流媒体的应用，除了不能支持上下文自适应二进制算术编码外，其支持的范围最为广泛，包括对数据分割，SI/SP的支持，以及所有的容错技术。

因此，对网络视频电话以及视频会议这类对实时交互性要求高的应用而言，使用基本档次是最好、最自然的选择。

对于实时性要求相对宽松的网络流媒体而言，选择扩展档次较为合适，既提供抗丢包措施，又可利用B类型预测帧获得更高压缩效率。

而对于DVD、高清晰度数字电视等不通过包交换网络传输的高码率应用，利用主档次支持的上下文自适应二进制算术编码技术可获得最高的压缩效率。

2.1H.264编码新特性

2.1.1帧内编码预测

在以往标准中，预测编码主要用于帧间。

H.264在帧内编码方面，提出了帧内预测技术，与变换编码一起用于减少空间冗余。

对于亮度块，提供了Intra4X4和Intra16X16两种帧内编码模式，前者对每个4X4亮度块分别进行预测，适于表现图像细节部分;后者对整个16Xl6亮度块进行预测，适合平滑图像区.

2.1.2帧间编码预测

帧间预测是H.264相对于以前编码标准压缩效率提高最大的一个模块，对许多现有技术进行了改进。

P帧利用前面己编码的帧作为参考图像，B帧利用双向的参考图像进行预测。

对于实时视频传输系统，由于编码速度的要求，一般只选择I帧和P帧，不采用B帧，所以仅分析P帧的帧间预测工具和方法。

第一种方法是树状结构运动补偿。

每个P宏块按照一定的方式划分，用于运动补偿预测。

图2.1说明了亮度块的划分情况。

这种分区下的运动补偿，称为树状结构运动补偿。

每个分区或子块都有独立的运动补偿。

宏块的色度成分为相应亮度的一半，采用和亮度块相同的分区方式，只是尺寸减半。

如图2.1所示。

第二种方法是亚像素运动矢量。

H264标准中采用亮度1/4像素精度，色度1/8像素精度的运动矢量，这一技术进一步提高了运动估计的精确度。

亚像素位置的亮度和色度像素在参考图像中并不存在，需要利用邻近整像素点进行内插获得。

第三种方法是H264支持多图像运动补偿预测，也就是说，运动补偿可以参考多个已编码图像，如图2.2所示。

多参考帧运动补