H.264解碼糾錯在軟硬件協(xié)同系統中的實(shí)現

1 引言

　　H.264 視頻壓縮標準具有很高的壓縮效率和很好的網(wǎng)絡(luò )支持， 非常適應于無(wú)線(xiàn)多媒體和基于Internet 的應用。在信息傳輸的過(guò)程中，不可避免的就是噪聲。H.264 本身具有很好的抗噪聲技術(shù)，如SPS,PPS 和圖像數據的分開(kāi)打包， 一幀中可有多個(gè)Slice，靈活宏塊順序（FMO）等。但是也有很多情況錯誤無(wú)法被完全修復。H.264 具有很高的壓縮率（7～50 倍），這就意味著(zhù)圖像中的冗余已經(jīng)被大大消除，要從其余的碼流中恢復圖像有很大困難。此外，H.264 壓縮標準采用變長(cháng)編碼的CAVLC 和CABAC，一旦在這些地方出錯， 解碼器將無(wú)法判斷下一個(gè)變長(cháng)碼開(kāi)始的位置，導致錯誤的擴散。

　　在硬件方面，解碼過(guò)程中各部分的實(shí)現都有其固定的結構，如果不及時(shí)檢出錯誤，會(huì )導致如內存溢出、查表錯誤、狀態(tài)機進(jìn)入死循環(huán)等。解碼出的圖像會(huì )錯位或者變形， 更嚴重的時(shí)候整個(gè)解碼器會(huì )停止運行。

　　所以在解碼器中加入糾錯功能，及早地發(fā)現碼流噪聲并將解碼器恢復到正常的狀態(tài)是非常有意義而且非常必要的。

　　本項目的解碼器是基于SoC 的ASIC 解決方案，它具有高速、低功耗、低成本的特點(diǎn)。添加糾錯功能可以提高解碼器的適用性和穩定性，另一方面，應該盡量減少糾錯模塊對原有芯片的面積和速度的影響。

　　2 碼流結構和錯誤檢出

　　H.264 標準壓縮的碼流具有嚴格的格式。公共信息被提取出來(lái)作為SPS（序列參數集）， PPS（圖像參數集）單獨打包，與像素信息分離。SPS 和PPS 是碼流中極為重要的信息，將它們單獨打包可以在傳輸環(huán)境較差的情況下多次傳送，這在一定程度上增強了碼流傳輸的抗干擾能力。每個(gè)包被稱(chēng)作一個(gè)NAL 單元，根據NAL 類(lèi)型，各個(gè)數據包中的數據按照協(xié)議中規定的句法元素順序緊密排列。這為糾錯提供了兩點(diǎn)便利：（1）各個(gè)NAL 中的錯誤不會(huì )蔓延，即如果當前NAL 中檢測出了錯誤而且又無(wú)法確定錯誤終止的地方，那么可以將當前包丟棄，直到下一個(gè)NAL 開(kāi)始；（2）很多句法元素都有其固定的范圍。檢測解碼出的元素值是否超出范圍限制是一個(gè)非常有用的辦法，也能盡早發(fā)現錯誤，避免解碼器進(jìn)入異常狀態(tài)。

　　H.264 視頻碼流包括五個(gè)層次的信息： 序列層，圖像層，片層，宏塊層，子宏塊層，分別與NAL 類(lèi)型的SPS，PPS，Slice（包括片頭，宏塊，子宏塊信息）相對應。

　　宏塊是編解碼處理的基本單位，也是進(jìn)行錯誤修補的基本單位。H.264 視頻碼流結構如圖1 所示。

圖1 H.264 碼流結構

　　在上面的幾個(gè)層次中，每一層都具有其特定的句法元素結構，以及相應句法的處理辦法，整個(gè)錯誤檢測功能就是基于此實(shí)現的。目前可以檢測到的錯誤基于以下幾類(lèi)：

　?。?）保留位錯誤。這是最容易檢測出的錯誤。在H.264 協(xié)議中規定了一些保留位， 如NAL 起始的forbidden＿zero＿bit，SPS 中的reserved＿zero＿4bits 等。解碼器順序讀入碼流時(shí)要確定這些保留位的值是正確的，如果有誤，就應該丟棄當前的包或者標記錯誤，做進(jìn)一步的處理。

　?。?）句法元素值不在指定范圍。大多數的句法元素，尤其是在SPS 和PPS，都有一個(gè)指定的范圍。如用于計算最大幀數的log2＿max＿frame＿num＿minus4 必須在0～12 之間，如果讀入的值超出這個(gè)范圍，即可以判斷當前讀入的碼流有錯誤。

　?。?）相關(guān)句法元素矛盾。有一些句法元素讀入了一個(gè)錯誤的值，但仍然在正確的范圍內，單單通過(guò)當前語(yǔ)句是無(wú)法檢測出的。這時(shí)候就要利用句法元素之間的相關(guān)性，判斷讀出的值是否合理。例如PPS 中要指定當前圖像所引用的序列參數信息， 即PPS－＞seq＿parAMEter＿set＿id。如果當前引用的SPS 的ID 在所有收到的SPS 中不存在， 即可判斷SPS 或者當前PPS 有一方出了問(wèn)題； 對于slice＿type 的I，B，P 各種類(lèi)型，mb＿type 的查表方法也不同， 如果在I slice 中出現了幀間預測的宏塊類(lèi)型，也可以判斷出錯。

　　以上方法都是可以通過(guò)句法元素本身的值判斷出來(lái)的，可以在讀入碼流的同時(shí)處理，即在處理PPS、SPS 的相應語(yǔ)句后加入判斷，不會(huì )對原有解碼器造成太大的影響。