無線視頻監(jiān)控傳輸技術(shù)的研究

張源峰

摘 要:結(jié)合無線視頻技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用需求,通過分析無線視頻傳輸技術(shù),指出當前一些技術(shù)的不足之處。針對無線視頻傳輸中帶寬資源有限和視頻數(shù)據(jù)量大的問題,研究一種基于帶寬[CD*2]失真模型的無線視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂茩C制,來避免由于不必要重傳而帶來的帶寬資源浪費,提高系統(tǒng)帶寬使用效率,并通過實驗對所提機制進行測試,結(jié)果表明該機制能有效地降低傳輸需用的帶寬。

關(guān)鍵詞:無線視頻系統(tǒng);監(jiān)控;容錯傳輸機制;ARQ

中圖分類號:TP274

0 引 言

近年來,圖像監(jiān)視成為監(jiān)視領(lǐng)域所應(yīng)用的主要手段,以往的有線圖像監(jiān)視系統(tǒng)往往面臨著需要鋪設(shè)大量的地上、地下設(shè)備線路,成本高,施工周期長等諸多問題。隨著計算機通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為計算機網(wǎng)絡(luò)中一個至關(guān)重要的組成部分。在這個背景下,圖像傳輸無線化打破了傳統(tǒng)同軸電纜和光纖圖像監(jiān)視受制于硬件連接的不利局面,具有更強的靈活性和方便性,基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)運而生。無線視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展已對無線移動網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和協(xié)議產(chǎn)生了深遠的影響,但由于無線信道帶寬資源有限,干擾因素多,而視頻信號數(shù)據(jù)量大,實時性要求高等問題。因此如何在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高效地傳輸視頻成為人們的研究熱點。

1 無線視頻傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著信息社會的發(fā)展,人們對安防監(jiān)控的要求越來越高,除集中地黨政機關(guān)、企事業(yè)單位外,如在海上、山地、礦井、地下室等復(fù)雜的環(huán)境而無法實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)的地方,都需要實現(xiàn)安防視頻監(jiān)控,這就需要用到無線視頻傳輸技術(shù)。

目前,市場上無線視頻傳輸技術(shù)大多采用GPRS和CDMA技術(shù)。而GPRS傳輸帶寬不足,傳輸視頻每秒只有幾幀,且出現(xiàn)應(yīng)急事件時容易出現(xiàn)斷點和無線接收的死角。CDMA傳輸同樣存在這樣的缺陷,其下行帶寬是153 kb/s,上行帶寬是70~80 kb/s,因而傳輸流暢的視頻基本上不可能實現(xiàn)。由于圖像只有幾幀,以抓圖的形式來傳輸,并且為小畫面尺寸。顯然,這樣不能夠滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時應(yīng)用需求。對于微波(數(shù)字微波、擴頻微波),無線局域網(wǎng)(WLAN,802.11(a,b,g))等技術(shù)的其他較高的無線傳輸方案,其實現(xiàn)視頻編碼以MPEG[CD*2]2/4,H.264等為主。但它們大多都存在共同的問題,即只能做到通視傳輸、定向傳輸,并且難以支持移動傳輸,從而限制了在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用,無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)控系統(tǒng)一般采用低傳輸幀率而保證傳輸?shù)那逦?因為只有MPEG[CD*2]4的CIF以上的圖像清晰度才可以滿足調(diào)查取證的需要。因此,無線傳輸技術(shù)要在監(jiān)控系統(tǒng)中得到充分的發(fā)揮絕對優(yōu)勢,應(yīng)該滿足:能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用;適于高速移動中無線傳輸實時圖像;適于傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻;有優(yōu)異的抗干擾、抗衰落能力。實際中,無線視頻實時傳輸主要有兩個概念:一是移動中傳輸;二是寬帶傳輸。因此,研制能夠?qū)㈩l帶很寬的高清晰度視頻進行穩(wěn)定的無限視頻傳輸系統(tǒng),數(shù)據(jù)傳輸機制優(yōu)化是需要解決的關(guān)鍵問題之一,無限鏈路的帶寬資源有限,這種局限性在海量視頻傳世中體現(xiàn)尤為明顯。在此,針對無線視頻傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸機制的容錯性展開相應(yīng)的研究,旨在解決無線視頻傳輸中帶寬資源有限和視頻數(shù)據(jù)量大這一矛盾,充分利用視頻信號的時空相關(guān)性來節(jié)省由于不必要的重傳而帶來的帶寬資源浪費。通過利用帶寬[CD*2]失真代價函數(shù)的概念來評價無線視頻傳輸系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上進一步給出基于帶寬[CD*2]失真代價最小化準則的部分重傳錯誤控制機制,進而提高帶寬的利用率,并進行相應(yīng)的實驗分析。

2 無線視頻傳輸機制分析與容錯傳輸技術(shù)

可靠信道上信號傳輸研究的目的是充分利用信道的帶寬資源;而對于不可靠信道,傳輸中研究的重點則是充分利用帶寬資源來實現(xiàn)可靠傳輸,即容錯傳輸技術(shù)。這里討論在無線信道上的視頻傳輸機制,其主要的研究點是容錯傳輸控制。容錯傳輸控制技術(shù)根據(jù)其控制方式的不同可以分為三大類:即前向錯誤控制、基于反饋的ARQ和信源信道聯(lián)合編碼。前向錯誤控制(Forward Error Control,FEC)包括信道糾錯編碼技術(shù)、交織打包技術(shù)和優(yōu)化的包調(diào)度機制等?；诜答伒腁RQ技術(shù)包括利用多幀參考機制的參考幀選擇(Reference Picture Selection,RPS)機制、混合ARQ(Hybrid,HARQ)機制和基于ARQ的反饋錯誤跟蹤技術(shù)。由于基于ARQ的容錯傳輸控制技術(shù)具有優(yōu)良的性能,所以在此重點介紹ARQ相關(guān)的傳輸控制技術(shù),并討論現(xiàn)有視頻容錯傳輸機制存在的不足。

前向錯誤控制采用前向糾錯編碼的方式來克服信道錯誤。在信道出錯概率波動比較劇烈的情況下(如現(xiàn)有的移動信道),為了獲得一定的傳輸質(zhì)量,前向糾錯編碼必須根據(jù)當前估計的最差情況來增加冗余校驗比特,這會導(dǎo)致帶寬資源的浪費。對帶寬資源本來就有限的無線信道而言,顯然是不能滿足要求的。為此,考慮把ARQ技術(shù)和前向錯誤控制結(jié)合起來,稱為HARQ技術(shù)。HARQ分為兩類:I類HARQ中,發(fā)送端的前向編碼要具有一定的糾錯能力,當接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后,首先利用前向糾錯編碼來糾正錯誤。如果錯誤被糾正,則向發(fā)送端傳送一個當前包接收成功的反饋信息(ACK),反之則發(fā)送接收失敗消息(NACK)。發(fā)送端如果收到ACK,則繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包,否則,則重發(fā)出錯的數(shù)據(jù)包。由此可見I類ARQ需要較強的前向糾錯編碼,在錯誤率較低的應(yīng)用場合會導(dǎo)致帶寬資源的浪費,但在錯誤率高的環(huán)境下能夠獲得比其他類型ARQ機制更好的吞吐效率。Ⅱ類ARQ中只要求前向糾錯編碼具有檢錯能力即可,根據(jù)關(guān)于信道編碼糾錯能力的理論可知,這可以起到節(jié)約帶寬的作用。當接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后,發(fā)送重傳請求;發(fā)送端只傳送出錯數(shù)據(jù)對應(yīng)的具有糾錯能力的校驗碼。當接收端收到后,如果仍然不能糾正錯誤,則繼續(xù)發(fā)送重傳請求,發(fā)送端可以選擇重傳整體出錯數(shù)據(jù)和校驗碼,也可以選擇發(fā)送更強糾錯能力的校驗碼,具體因控制策略不同可有所調(diào)整。

鑒于無線信道錯誤率高,具有反饋信道的無線傳輸通常采用HARQ[CD*2]I。圖2顯示了采用HARQ[CD*2]I的無線視頻傳輸系統(tǒng),圖中虛線框代表了傳輸中錯誤控制的流程。根據(jù)HARQ[CD*2]I的設(shè)計原理,接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后,首先進行前向錯誤糾正(圖中第一層錯誤屏障),如果不能糾正且當前系統(tǒng)滿足時延限制,則發(fā)送ACK請求來讓發(fā)送端重傳出錯部分的數(shù)據(jù)(第二層錯誤屏障)。這樣的重傳可以重復(fù)到接收端收到正確的數(shù)據(jù)或者重傳延遲超出系統(tǒng)時延限制為止。如果重傳結(jié)束后仍然不能得到正確的數(shù)據(jù)包,在接收端就會用錯誤隱藏技術(shù)來進行錯誤恢復(fù)(第三層錯誤屏障)?？梢钥闯?這種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術(shù)來恢復(fù)錯誤,所以這里將其命名為“盡力而為”ARQ機制(Best EffortARQ,BEARQ)。由于視頻信號具有較強的時空相關(guān)性,而且編碼端并不能完全去除這種相關(guān)性,使得解碼端能夠利用這些殘留的相關(guān)來恢復(fù)一定質(zhì)量的視頻?；謴?fù)的質(zhì)量還和被恢復(fù)部分的紋理以及運動密切相關(guān),一般而言,對紋理比較平緩和運動比較單一的部分,恢復(fù)效果要好于其他情況。在這種情況下,如果利用BEARQ來重傳這部分視頻,顯然會造成帶寬上的浪費。

為了克服這種帶寬上的浪費,在實際應(yīng)用中,由于信道的錯誤率和重傳次數(shù)有密切的關(guān)系,而每次重傳都要耗費一定帶寬,所以成功傳輸一個數(shù)據(jù)包需要的帶寬和信道錯誤率相關(guān)。考慮到這個因素,利用帶寬[CD*2]失真代價函數(shù)的概念,其核心思想是:在一定的丟包率、信道帶寬和傳輸延遲限制條件下,終端視頻的接收質(zhì)量和傳輸中所用的帶寬不僅和視頻信源的率失真性能相關(guān),而且還和信道的錯誤率(丟包率)以及終端錯誤恢復(fù)技術(shù)相關(guān)。將其作為衡量視頻包是否應(yīng)當予以重傳的準則。在此基礎(chǔ)上,采用優(yōu)化的端對端傳輸機制,該機制中通過在編碼端根據(jù)當前信道狀況和解碼端所采用的錯誤隱藏算法,預(yù)先判定每一部分的出錯恢復(fù)模式,解碼端根據(jù)這個模式信息來決定采取ARQ還是錯誤恢復(fù)。這樣就有效避免了由于不必要重傳而帶來的帶寬資源浪費,提高了系統(tǒng)帶寬使用效率。

在文中提出了有損信道視頻傳輸中的帶寬[CD*2]失真(Bandwidth[CD*2]Distortion,B[CD*2]D)模型,該模型是R[CD*2]D模型在考慮了信道錯誤后的對偶模型,有著和R[CD*2]D相近的形式。一個視頻傳輸系統(tǒng),其性能主要從兩個方面來衡量:吞吐效率和接收端重建失真。對吞吐效率,其形式表示如下:

式中:r玸表示信源編碼得到的比特;B玸表示成功傳輸r玸比特信源數(shù)據(jù)實際耗用的帶寬資源。對一幀編碼好的視頻圖像,其源編碼比特已經(jīng)確定,所以,式(1)中的吞吐效率將只取決于所耗用的帶寬資源B玸。Ф越郵斬酥亟ㄊд,由于在傳輸出錯的情況下可能會采取重傳和解碼端后處理恢復(fù)的手段,最終的失真將依賴于信道本身。對于吞吐效率和接收端重建失真之間的關(guān)系,理論上可以得到如下幾個關(guān)系式:

(2)И

式中:d玹表示最終終端接收的失真;d玸П硎駒幢嗦朧д妗

式中:И玃r(?)表示概率大小;p為信道某時刻的平均丟包率。式(2)說明了對于任意錯誤率小于1的信道,只要帶寬資源(包含了允許延遲)足夠大,終端就可實現(xiàn)無錯接收。式(3)說明了在一定錯誤率pШ鴕歡ù輸機制前提下,終端接收失真和所耗用的帶寬呈反向增長。對于視頻傳輸系統(tǒng)而言,優(yōu)化的主要目標是吞吐率盡可能高的同時使得終端失真盡可能小。而從上面兩個方面的分析可以看出,這兩個方面呈反比例增長[7]。顯然,只考慮其中任何一方都不能實現(xiàn)傳輸性能上的最優(yōu),因而需要提供一種新的評價方法來折衷它們二者的關(guān)系。綜合以上分析,采用B[CD*2]D代價函數(shù)來綜合以上兩個方面的因素來評價視頻傳輸系統(tǒng),相應(yīng)的B[CD*2]D關(guān)系可以表述為:

式中:Е,σ是與信源本身相關(guān)的統(tǒng)計量,對特定的視頻圖像,它們可以視作常量。圖像按照理想意義下的逐步精細編碼方式編碼,這里理想是指比特流按照率失真性能重要性進行從高到低排序,并且隨處截斷均滿足理想率失真關(guān)系,即:

式中:d璱是r璱比特解碼后得到重建圖像的失真。不失一般性,假設(shè)壓縮后的圖像數(shù)據(jù)按照相等大小的包進行發(fā)送,對某時刻的信道而言,每個包的丟包率為p,б桓靄的平均重傳次數(shù)可以計算為:

式中:r玤是指出錯的部分被正確重傳到接收端的比特數(shù)。當r0≥(1-p)r+pr/(1-p)時,所有出錯的比特都實現(xiàn)了重傳,所以終端接收失真等于編碼端失真。否則,則按照式(7)中的兩個關(guān)系式,即可得到d0關(guān)于r0У謀澩錸┦(5)。確立了上述關(guān)系后,結(jié)合相關(guān)的容錯平臺,設(shè)計出基于B[CD*2]D Cost的反饋重發(fā)機制,其原理框圖如圖3所示。

3 無線傳輸容錯控制機制性能測試分析

針對上節(jié)提出的重發(fā)機制和算法原理,為了評估方便,不失一般性,在實驗中假設(shè)最大重傳次數(shù)為1。從上文可知,允許重傳次數(shù)越多,則對同樣的終端接收失真而言,BEARQ機制從B[CD*2]D性能來看也就會越差,而這里設(shè)計的重發(fā)機制相對于BEARQ的B[CD*2]D性能提高也就越明顯。

為了更全面評價本算法的性能,對不同測試序列在同樣丟包率情況下對本章的機制進行性能測試。考慮到影響本章算法性能的包括序列的紋理復(fù)雜程度以及運動劇烈程度。這里利用運動較為劇烈但紋理相對較單一的Foreman序列,紋理復(fù)雜程度較高的Mobile以及運動程度較低的Akiyo序列作為評測序列。表1是對這三個測試序列在QP=14,16,20,22,丟包率為3%的情況下前100幀做的統(tǒng)計,其中出錯Slice個數(shù)為24,則出錯宏塊總數(shù)為24×11=264。令NMB=264,則根據(jù)模式判決結(jié)果,即可得到對重發(fā)率的統(tǒng)計。

從表1中可以看出:對同一序列,不同QP(也就是不同碼流率)下重發(fā)率不同,QP越大,則其重發(fā)率呈下降趨勢,這和前面實驗中在低比特率情形下性能好這一結(jié)果相吻合;對不同序列,重發(fā)率之間存在著很大的差別,這也意味著在相對于BEARQ算法,本文提出的機制在B[CD*2]D性能上的提高,不同特性的序列之間存在著較大的差別。為了進一步驗證實驗結(jié)論,進一步針對該測試結(jié)果下的B[CD*2]D性能做統(tǒng)計分析,結(jié)果如┩4～圖6所示。

將圖4~圖6對比可以看出,對于運動程度很低且紋理相對平緩的Akiyo序列來說,相對盡力而為ARQ機制,本文的機制在3%的丟包情形下可以節(jié)省20%以上的帶寬。而對運動較為劇烈的Foreman序列來說,則只能節(jié)省4%的帶寬。對紋理很復(fù)雜的Mobile序列,本文的算法相對于BEARQ,帶寬僅節(jié)省不到1%。從表1的重發(fā)率和圖4~圖6的對應(yīng)關(guān)系不難看出,重發(fā)率越高,則對應(yīng)B[CD*2]D性能的改善程度就越低。因此可以說實驗仿真表明了本文提出的傳輸控制算法,能夠在保證視頻接收質(zhì)量的同時,有效降低傳輸所用帶寬。

4 結(jié) 語

這里對所提無線視頻監(jiān)控傳輸機制進行性能測試和評價。從實驗結(jié)果可以看出,該機制相對于其他方法而言,在保證終端接收質(zhì)量基本不變的情況下,能有效地降低傳輸需用的帶寬。此外,從對不同序列的測試結(jié)果可以看出,本文所提機制對運動較為平緩,紋理相對單一的序列的傳輸更為有效,尤其是目前帶寬嚴重受限的無線視頻傳輸中更為明顯。另外,文章所提算法是┮恢知開放性的框架算法,其他容錯算法性能的提高,將進一步促進該算法性能的提高。不足之處在于僅考慮了壓縮后碼流的傳輸,未能將編碼端控制也綜合進來。所以,從整體上而言,這里所提機制仍然是局部的優(yōu)化。需要進一步利用所提出的B[CD*2]D概念和關(guān)系式,進一步從信源[CD*2]信道[CD*2]傳輸聯(lián)合優(yōu)化上開展研究。

參 考 文 獻

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