串流技術(shù)在互動(dòng)式電腦顯示器中的應(yīng)用探討

【摘要】電腦顯示器分享服務(wù)由于互動(dòng)操作應(yīng)用的需求，因而應(yīng)整個(gè)顯示器畫面獲取、編碼、串流、解碼等技術(shù)，串流服務(wù)已成為該項(xiàng)服務(wù)成功與否的關(guān)鍵技術(shù)。在這種背景下，本文針對(duì)串流抹除碼原理加以詳細(xì)介紹，并提出一個(gè)可以達(dá)到極低延遲的動(dòng)態(tài)串流抹碼技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】串流技術(shù);互動(dòng)式;電腦顯示器;應(yīng)用

一、引言

近端顯示器分享平臺(tái)，或是利用移動(dòng)裝置連接到云端執(zhí)行實(shí)時(shí)運(yùn)算的交互式顯示器分享平臺(tái)，這些應(yīng)用都有一個(gè)實(shí)時(shí)互動(dòng)的特性。因?yàn)槭菍?shí)時(shí)交互式的服務(wù)平臺(tái)，所以對(duì)于畫面呈現(xiàn)所可以忍受的延遲要求與一般串流服務(wù)，例如：隨選信息服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)相對(duì)嚴(yán)格，其可以忍受的延遲時(shí)間是150ms，而對(duì)于高動(dòng)態(tài)電腦畫面可以忍受的延遲時(shí)間更降到必須低于100ms，因此我們必要發(fā)展出極低延遲傳輸保護(hù)技術(shù)進(jìn)而達(dá)到顯示器分享與交互式顯示器分享平臺(tái)運(yùn)作順暢。專門為實(shí)時(shí)信息串流所設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤更正碼其特性應(yīng)該是：

（1）經(jīng)錯(cuò)誤更正碼編碼器編碼后的串流信息應(yīng)該與原始串流信息一樣有順序地排列;

（2）錯(cuò)誤更正碼譯碼器可以有順序地譯碼出原始串流信息。然而傳統(tǒng)錯(cuò)誤更正碼（如里德-所羅門碼）并無上述特性，尤其在解碼端必須要等到所有經(jīng)編碼后的串流信息完全接受到后，才可以將錯(cuò)誤的原始串流信息全部回復(fù)，所以并未對(duì)回復(fù)的時(shí)間做最佳化設(shè)計(jì)。

雖然串流抹除碼有回復(fù)時(shí)間最佳化設(shè)計(jì)但是在一般建構(gòu)上串流抹除碼（Streaming Erasure Code）其碼率（code rate）是固定，也就是其錯(cuò)誤更正的能力是固定。但在真實(shí)應(yīng)用情境里，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)重要性及網(wǎng)絡(luò)狀況的變化其碼率應(yīng)該動(dòng)態(tài)變化才可以讓系統(tǒng)效能達(dá)到最佳化的效果，因此我們提出可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度及延遲保證的串流抹除碼，其特性是先針對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行低碼率編碼來增加冗余保護(hù)封包，當(dāng)偵測(cè)到網(wǎng)絡(luò)狀況良好時(shí)就可以減少大部分的冗余保護(hù)封包以提升頻寬使用效率，反之則增加冗余保護(hù)封包應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況不佳所產(chǎn)生封包大量遺失的狀況。

二、串流抹除碼的原理及網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整

（一）串流抹除碼（Streaming Erasure Code）的基本原理

傳統(tǒng)錯(cuò)誤更正碼（如里德-所羅門碼）也稱為最大距離分離區(qū)塊碼（Maximum distance separate block code），雖然它是現(xiàn)今許多傳輸系統(tǒng)都是利用它來保護(hù)信息，但是最大距離分離區(qū)塊碼（Maximum distance separate block code）并未將信息回復(fù)時(shí)間做最佳化的設(shè)計(jì)，也就是說假定其碼率 R=m/n，其中m為信息封包個(gè)數(shù)，n-m為冗余保護(hù)封包，可以解決連續(xù)遺失封包個(gè)數(shù)為k時(shí)，所有遺失的封包必須等到n個(gè)封包全接收完全才有辦法回復(fù)遺失的封包，因此串流抹除碼就是用來改善此缺點(diǎn)，而串流抹除碼的建構(gòu)程序應(yīng)該是先建立一個(gè)具有保證回復(fù)時(shí)間的低延遲區(qū)塊碼，之后再經(jīng)過處理后就可以轉(zhuǎn)化成可以保護(hù)信息串流的串流抹除碼。

（二）根據(jù)數(shù)據(jù)重要性及網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整

串流抹除碼強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制的方法雖然串流抹除碼有延遲保證的特性，但還是固定碼率，并無法針對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況惡化或是資料重要性作動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此本文先探討如何利用串流抹除碼的特性建構(gòu)出適用于解決網(wǎng)絡(luò)惡化及數(shù)據(jù)重要性的強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制，之后再根據(jù)所建構(gòu)出的強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制發(fā)展出可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度及延遲保證的串流抹除碼。傳統(tǒng)信息串流服務(wù)解決封包遺失的方法不外乎結(jié)合錯(cuò)誤更正碼或是自動(dòng)重傳機(jī)制，錯(cuò)誤更正碼應(yīng)用時(shí)頂多對(duì)所有的信息做均等保護(hù)，并未針對(duì)重要信息做強(qiáng)化的保護(hù)機(jī)制，雖然錯(cuò)誤更正碼的研究領(lǐng)域里有探討不均等的錯(cuò)誤保護(hù)機(jī)制，其觀點(diǎn)是在固定碼率下根據(jù)資料重要性設(shè)計(jì)及建構(gòu)錯(cuò)誤更正碼的編碼代數(shù)結(jié)構(gòu)以達(dá)到保護(hù)重要資料的目的，但并無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整其結(jié)構(gòu)，另一方面自動(dòng)重傳機(jī)制雖然可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況來決定是否應(yīng)該重新傳送被遺失的封包，但是在網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間太長時(shí)并無法達(dá)到實(shí)時(shí)性的需求，先前提到串流抹除碼中冗余保護(hù)封包只需要重新進(jìn)行線性組合即可改變其保護(hù)能力，因此可利用改變?nèi)哂啾Ｗo(hù)信息內(nèi)線性組合內(nèi)容以達(dá)到強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制的目的。

三、可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度及延遲保證的動(dòng)態(tài)串流抹除碼技術(shù)

下文我們根據(jù)原本串流抹除碼（B，T）、根據(jù)資料重要性及網(wǎng)絡(luò)狀況所產(chǎn)生強(qiáng)化保護(hù)信息、網(wǎng)絡(luò)回報(bào)狀況建構(gòu)出可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度及延遲保證的串流抹除碼。根據(jù)這一流程，可先就普通信息及重要數(shù)據(jù)進(jìn)行串流抹除碼編碼產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的冗余保護(hù)信息，之后再針對(duì)網(wǎng)絡(luò)回報(bào)的狀況記錄接收或沒接受到封包的序號(hào)，然后根據(jù)紀(jì)錄序號(hào)的結(jié)果來決定是否啟動(dòng)強(qiáng)化及節(jié)省傳輸兩機(jī)制。以啟動(dòng)節(jié)省傳輸機(jī)制來說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)回報(bào)已經(jīng)接受的封包信息，如接收封包的信息Si已經(jīng)收到并將其序號(hào)i記錄下來，然后我們可以檢查即將要傳送的封包S1其冗余保護(hù)封包的內(nèi)容是否包含Si的信息，如果有就將其信息刪除，可以借助這一機(jī)制達(dá)到節(jié)省傳輸量的目的。當(dāng)封包信息一直沒有收到或是遺失，接收端會(huì)知道遺失封包的序號(hào)并且記錄下來，當(dāng)封包遺失的數(shù)量小于串流抹除碼可回復(fù)B個(gè)連續(xù)遺失封包量與數(shù)據(jù)重要性的強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制可對(duì)抗BI連續(xù)錯(cuò)誤封包時(shí)，強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制是不會(huì)啟動(dòng)，但當(dāng)遺失封包的量大于BN時(shí)就會(huì)回到網(wǎng)絡(luò)狀況差的強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制。

根據(jù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度與延遲保證的串流抹除碼的特性，我們將H.264/AVC信息串流信息傳送在抹除通道中，觀察其對(duì)抗的能力及冗余保護(hù)封包是否有無增加或減少。我們使用CITY 4CIF sequence，辨率704x576 經(jīng)H.264編碼器編碼，其編碼的frame rate 等于10ps，GOP結(jié)構(gòu)IPPPP，GOP大小為10，信息串流數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過串流抹除碼編碼后整理成一傳輸封包傳送出去，傳送的封包包含信息串流信息與冗余保護(hù)信息，其中冗余保護(hù)信息隨數(shù)據(jù)重要性與網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整，我們根據(jù)串流抹除碼（2，4）為基底來執(zhí)行可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度與延遲保證之串流抹除碼的模擬實(shí)驗(yàn)，其模擬實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)定抹除時(shí)間長度分別為0～70ms，由此觀察串流抹除碼（2，4）與可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度與延遲保證之串流抹除碼的差別。

具有延遲最佳化的抹除碼其特性應(yīng)有：

（1）在固定延遲時(shí)間下，隨著冗余信息增加其可對(duì)抗之抹除時(shí)間應(yīng)該增加;

（2）當(dāng)固定可對(duì)抗抹除時(shí)間長度時(shí)其增加的冗余信息比例應(yīng)該最少。我們?cè)诠潭ㄑ舆t時(shí)間50ms下根據(jù)各種不同抹除碼的編譯碼原理，仿真與計(jì)算在不同冗余信息比例下可對(duì)抗的最長抹除時(shí)間，在此我們比較三種不同的抹除碼，分別是里德-所羅門碼、串流抹除碼、重要信息占全部信息量15%的動(dòng)態(tài)串流抹除碼，其中表現(xiàn)最好的是串流抹除碼，其原因是串流抹除碼是針對(duì)恢復(fù)時(shí)間做最佳化設(shè)計(jì)，次之是動(dòng)態(tài)串流抹除碼，雖然動(dòng)態(tài)串流抹除碼有對(duì)延遲時(shí)間做最佳化設(shè)計(jì)，但是因?yàn)闉榱吮Ｗo(hù)15%的重要信息量而增加了15%的冗余信息，也因此其性能與串流抹除碼比差15%，而最差的是里德-所羅門碼，其原因是里德-所羅門碼并未對(duì)復(fù)原時(shí)間做最佳化設(shè)計(jì)，所以效能會(huì)是最差，由此可知串流抹除抹碼及動(dòng)態(tài)串流抹除碼與傳統(tǒng)的里德所羅門碼比具備恢復(fù)時(shí)間最短的特性。

四、結(jié)論

本文介紹延遲保證的串流抹除碼的基本學(xué)理，由基本學(xué)理可知我們可以根據(jù)抹除時(shí)間長短設(shè)計(jì)出延遲最佳化的串流抹除碼，但是一般抹除碼的碼率是固定，實(shí)際應(yīng)用上網(wǎng)絡(luò)狀況及數(shù)據(jù)重要大小是會(huì)動(dòng)態(tài)變化，因此我們利用串流抹除碼的特性發(fā)展出可以針對(duì)數(shù)據(jù)重要性及網(wǎng)絡(luò)狀況的強(qiáng)化保護(hù)機(jī)制，在不受固定碼率的限制下產(chǎn)生出強(qiáng)化保護(hù)信息，之后我們根據(jù)其產(chǎn)生的強(qiáng)化保護(hù)信息與網(wǎng)絡(luò)回報(bào)狀況動(dòng)態(tài)增減保護(hù)信息，發(fā)展出可動(dòng)態(tài)調(diào)整保護(hù)強(qiáng)度及延遲保證的串流抹除碼，仿真結(jié)果顯示的確會(huì)隨網(wǎng)路狀況變化動(dòng)態(tài)調(diào)整其冗余信息并有效降低封包遺失率。

參考文獻(xiàn)

[1]李志峰.為所有應(yīng)用程序“伴音”[J].微電腦世界， 1998 （25）.

[2]水下蟲蟲.應(yīng)用程序只有我能用[J].電腦應(yīng)用文萃， 2005 （11）.