动态图像编解码技术在应急卫星通信中的应用.pdf

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1、动态图像编解码技术在应急卫星通信中的应用动态图像编解码技术在应急卫星通信中的应用-北京数码视讯科技股份有限公司 2008 年，在我国南方大部分省市发生了较大规模的冰雪灾害，四川省汶川又发生了 30 年来中国最严重的地震，在灾害面前，救灾指挥部门要在最快时间内及时地建立通信链路并传递现场信息，只有这样，才能保证救灾工作的快速、有效进行。但是，当大的自然灾害发生时，有线链路会因为灾害受到较大的损害，因此无法完成通信任务，移动微波有时也会因为机站的损害而瘫痪，这时，建立在卫星通信基础上的应急指挥系统就成了唯一可靠的通信链路。在灾害发生时，如果能通过卫星通信将灾害现场的动态图像传送到指挥中心，这将会对

2、指挥的决策提供极大帮助，能让决策更加清晰明确。但是卫星通信虽然及时快速，也有一定的不利因素，例如带宽资源有限、卫星接收会受到天气和地形的影响出现波动等等。在面临这些干扰因素和影响时，怎样让动态图像在卫星传输时更加清晰流畅，让指挥决策更加准确。这样动态图像编解码技术作为应急卫星通信中采用的重要技术，在卫星应急通信中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、中断信号处理三方面进行分析，阐述了动态图像编解码技术在应急卫星通信中的应用。一、视频编解码技术的现状及展望 H.264 技术发展现状：目前国际上的两大技术标准化组织：国际标准化委员会（ISO/IEC）和国际电联（ITU-T）分别

3、公布了自己的视频编解码压缩的标准。国际标准化委员会的是 MPEG 系列的编解码压缩算法（MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4 等），而国际电联公布的是 H 系列的编码压缩算法（H.261，H.263，H.264 等）。H.264 是一种高性能的视频编解码技术，是由上文提到的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（Advanced Video Coding，AVC），而且它将成为 MPEG-4 标准的第 10 部分。1H.264 最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质

4、量的条件下，H.264 的压缩比是 MPEG-2 的 2 倍以上，是 MPEG-4 的 1.52 倍。和 MPEG-2和 MPEG-4 等压缩技术相比，H.264 在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。H.264 与 MPEG-2 压缩码率比较 CIF HD1 D1 H.264 0.5Mb/s 1Mb/s 1.2Mb/s MPEG-2 2Mb/s 2.5Mb/s 4Mb/s H.264 技术的发展展望：H.264.技术在视频压缩效率方面比目前所有的视频压缩标准都要高，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，例如实时

5、视频通信、因特网视频传输、视频流媒体服务、压缩视频存储、视频数据库等。其具有广阔的应用前景，发展潜力巨大。但 H.264 性能的提高是以增加复杂性为代价而获得的。据估计，H.264 编码的计算复杂度大约相当于 H.263 的 3 倍，解码复杂度大约相当于 H.263 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。二、卫星通信特性 卫星通讯在应急通信方面具有许多独特的优点：1.卫星通信范围。只需三颗静止同步轨道卫星就能覆盖到地球的每一个角落，这种三维空间无缝隙的覆盖能力是卫星通讯方式所独有的。在边远地区、山区、海岛、远洋船只和远航飞机等特殊、极端的应用场合具有独特的优越性。只要

6、卫星发射的波束覆盖到的范围，地面接收站的信号强度都一样，通讯成本对连接距离不敏感。2.卫星通信不易受地震、冰冻等重大灾害影响，即使受到破坏能给也能很快恢复，给紧急救灾提供快速可靠的通讯保障。2008 年汶川大地震中，灾区与外界的首次通信联络靠的就是卫星电话,卫星通信保证了救灾工作的快速、顺利进行。3.卫星通信容量大。卫星通信一般使用 110GHz 的微波波段，有很宽的带 2宽，可传输多路电视和大容量的电话，国际上实验室中使用信道容量可达 1Gbps，资料传输率超过 622Mbps，而商用非同步传输模式服务可达 45Mbps，实用中采用的信道容量一般在 1M 到 10M 之间。这些特点使得移动卫

7、星通信具有大范围的可移动性，独特的灵活性及普及通讯能力，在诸多领域得到了应用，比如广泛使用在远程教育、公安和军事方面的卫星通信系统。与此同时移动卫星通信也存在一些缺点：1.卫星带宽利用率较低。卫星通信中带宽资源十分宝贵，一方面卫星发射费用很高，另一方面使用的频带资源紧张。L 波段的卫星通信的频率资源和轨位资源极为紧缺，且通信费用昂贵。C 波段的应用最广泛,业务繁多，但卫星通信在这一波段易受地面信号的干扰。Ku 波段的天线波束尖细，同一频率可以同时提供给许多卫星通信系统使用，其通信费用大大低于 L 波段，但设备天线制造成本高昂。2.输出码率易波动。卫星通信系统的带宽恒定且非常有限，当同时传输多路

8、视频或语音等其他数据时，视频一般采用恒定码率的压缩方式。而在场景大面积变化或者由静止转为快速移动变时，输出的码率会产生一定波动，波动大小视码率控制算法优劣而定，因而会挤占其他业务传输带宽，造成数据丢失。3.信号易受外界影响。卫星移动通信系统中，通信地点多变，信号会因周围物体的遮挡而中断，因物体遮挡、反射和折射引起多径效应而衰弱，另外降雨，降雪也会影响信号强度，这些因素共同作用使视频数据在卫星信道传输过程极易产生误码和丢包，造成客户端出现大面积马赛克，花屏，让观看者难以忍受。三、动态图像编解码技术在应急卫星通信中应用优势 动态图像编解码技术在应急卫星通信中的应用，则在一定程度上弥补了应急卫星通信

9、的不足，其应用主要体现在以下三个方面：1.提高卫星带宽利用率 采用高效视频压缩标准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、图像等其他数据。常用 MPEG2、MPEG4 和 H.264 等视频压缩标准中，H.264 具有最高压缩率，3该标准引入了一系列新的能够大大提高压缩性能的技术，并能够同时在高码率端和低码率端大大超越以前的诸标准，在正常情况下，H.264 的压缩比是 MPEG-2的 2 倍以上，是 MPEG-4 的 1.52 倍，同样的卫星带宽可以传输多路视频信号，数码视讯编码器能以低于 500K 的编码码率实现 CIF

10、 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少控制数据的开销，常用的 RTP和 TS Over IP 封包方式中，RTP 开销相对较小，传输效率高，可以通过 RTCP来监测网络状况，便于对业务 QOS 控制。使用 RTP/RTCP 进行数据封装时，可以采用 SDP 描述流建立连接，除去序列和图像参数集在大部分时间内的重复传递，灵活组合使用其中的单一包、聚合包、拆分包等封包方式，最大化有效数据的传输效率。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

11、算法提出了更高的要求。数码视讯的编解码器在图像处理方面加入了均衡码率控制技术，保证图像码率的稳定，不影响卫星信道的正常使用。3.有效处理中断信号，保证视觉效果 卫星的通信链路的稳定性相对于地面链路要低很多，QOS 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，是观看人在视觉上受到冲击，影响主观效果。当卫星信号长时间中断时，编解码一方面要在信道正常后尽快恢复，另一方面要在信道中断前保持在良好状态。数码视讯 H.264 编解码器(如下图所示)在图形处理方面使用了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。当信号中断或误码过高时

12、，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图像，保证不出现马赛克，最大化的保证了主观观看效果。在卫星信号恢复后，编解码器要能够以最快的速度恢复图像编解码，从而使 4整体系统恢复运行。H.264 编解码器把关键信息分离出来，减少断流再恢复的同步时间。数码视讯 H.264 编解码器是建立在 UDP 基础上的，能够快速重建链路，并在 0.5 秒恢复中断编解码。四、实际应用案例 凭借一流的技术和产品优异的性能，数码视讯 H.264 编解码产品已经在北京市公安局通信处、北京市政府应急办、天津市政府应急办、国家某单位应急通信处、总参某部、海军某部通信处等多个单位应用，并在 2008 年奥运其间使用，为以上单位在奥运其间的保障提供了很好的技术应用支持。以往案例示意图如下所示：案例概述：应急卫星通信车将收集的视频等数据，传入 H.264 编码器进行编码处理后，经由卫星传至地面站，通过专网，传至用户端 H.264 解码器进行解码处理，并将图像显示在电视墙上。五、小结 H.264 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、有效处理中断信号，保证视觉效果方面发挥着极其重要的作用。有效的利用视频编解码 5 6技术能充分发挥应急卫星通信系统的通信效能以及灵活和覆盖的优势，以提升通信品质，更为有效的解决突发事件中通信问题。