數(shù)字噴泉碼在無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)回傳上的應(yīng)用

摘要：隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的風(fēng)靡與發(fā)展，對(duì)于航拍的視頻數(shù)據(jù)回傳的質(zhì)量要求也逐漸提升，傳統(tǒng)的視頻傳輸技術(shù)在惡劣的信道條件下不能保證視頻的傳輸質(zhì)量，由此提出了基于噴泉碼的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。本文在介紹噴泉碼（LT碼和Raptor碼）原理的基礎(chǔ)上，闡述數(shù)字噴泉碼（LT碼和Raptor碼）在無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)回傳上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 數(shù)據(jù)回傳 數(shù)字噴泉碼 LT碼 Raptor碼

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0087-02

1 引言

航拍是小型無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域里的主要應(yīng)用，良好的航拍體驗(yàn)要求航拍畫(huà)面實(shí)時(shí)、清晰、流暢，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能提出了極高的要求。

小型無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要任務(wù)是把經(jīng)過(guò)壓縮的視頻數(shù)據(jù)可靠、有效地傳輸?shù)降孛鎽?yīng)用。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，無(wú)人機(jī)經(jīng)常需要在會(huì)場(chǎng)、樓宇之間、城市道路、工廠附近、深山峽谷等信道條件非常惡劣的環(huán)境工作，在這些環(huán)境下要求視頻傳輸清晰和流暢是對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。另外，無(wú)人機(jī)的飛行高度可達(dá)數(shù)百米，飛行距離可達(dá)數(shù)公里，無(wú)線信道中信號(hào)的強(qiáng)度隨距離的增加呈指數(shù)遞減，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行得越高越遠(yuǎn)視頻傳輸質(zhì)量越差。因此，研究提高視頻傳輸質(zhì)量的方法具有非常重要的意義。

數(shù)字噴泉碼作為一種應(yīng)用于提高傳輸質(zhì)量的技術(shù)，能夠兼顧信道糾錯(cuò)和自適應(yīng)信道兩種功能，最早由Michael Luby 等人提出。其基本思想是：編碼端將原始的數(shù)據(jù)分組通過(guò)隨機(jī)編碼產(chǎn)生理論上無(wú)限長(zhǎng)的編碼包，解碼端只需接收略大于原始數(shù)據(jù)分組數(shù)目的編碼包，即可以高概率重構(gòu)原始文件[1]，且與具體接收到哪些編碼包無(wú)關(guān)。數(shù)字噴泉碼能夠在最大限度地減少反饋信息的情況下更高效完成數(shù)據(jù)可靠傳輸。本文主要介紹兩種有效的數(shù)字噴泉碼：LT（Luby Transform）碼和Raptor碼在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)回傳上的應(yīng)用。

2 數(shù)字噴泉碼原理

所謂數(shù)字噴泉，就是將原始待編碼的數(shù)據(jù)塊切分成一定數(shù)量的更小的數(shù)據(jù)包，或者稱(chēng)為輸入符號(hào)，按照某種分布從這些數(shù)據(jù)包中隨機(jī)選擇不固定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，根據(jù)某種相關(guān)運(yùn)算編碼成編碼數(shù)據(jù)包，或者稱(chēng)為輸出符號(hào)，此編碼數(shù)據(jù)包類(lèi)似噴泉噴出的一滴水，噴泉碼編碼器則類(lèi)似水噴泉。接收端只要接收到足夠數(shù)量的編碼包而不關(guān)心具體接收到哪些編碼包也不關(guān)心接收到的編碼包的順序，就能夠按照相應(yīng)的相關(guān)運(yùn)算以高概率完成解碼恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，這類(lèi)似使用杯子接收足夠的水而不關(guān)心具體接收哪些水滴。

2.1 LT碼編譯碼原理

2002年Luby提出了一類(lèi)非常適用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分布的編碼方案-LT（Luby Transform）碼[2]。編碼以一個(gè)待傳送的原始數(shù)據(jù)作為輸入，以一個(gè)編碼包流作為輸出，每一個(gè)編碼包都按照如下算法獨(dú)立生成：

（1）把原始數(shù)據(jù)等分為k個(gè)輸入符號(hào)，在1～k范圍內(nèi)按照某個(gè)分布（編碼器的度分布）隨機(jī)選取一個(gè)整數(shù)d（編碼包的度）；（2）從k個(gè)輸入符號(hào)中隨機(jī)地選取d個(gè)不同的輸入符號(hào)；（3）對(duì)這d個(gè)輸入符號(hào)做異或運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)輸出符號(hào)。

上述編碼原理可以用圖2-1來(lái)表示。

當(dāng)接收端根據(jù)接收的編碼包恢復(fù)原始數(shù)據(jù)時(shí)，需要知道每個(gè)編碼包所對(duì)應(yīng)的度和鄰接關(guān)系，通常把度和鄰接關(guān)系作為編碼包的包頭構(gòu)成新的數(shù)據(jù)包來(lái)傳送。

LT碼的譯碼過(guò)程采用了一種迭代算法——信息傳遞法（Message Passing，MP），其過(guò)程（可用圖2-2描述）如下：

（1）接收端接收到略大于k個(gè)編碼包后，根據(jù)編碼符號(hào)的度和編碼符號(hào)與輸入符號(hào)的鄰接關(guān)系建立雙向圖；（2）從雙向圖中選擇度為1的編碼符號(hào)，此符號(hào)就是輸入符號(hào)，即與度為1的編碼符號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入符號(hào)可以直接恢復(fù)。如果接收的編碼包中不存在度為1的編碼符號(hào)，譯碼以失敗停止；（3）將所有與已經(jīng)恢復(fù)的輸入符號(hào)鄰接的編碼符號(hào)和這個(gè)已經(jīng)恢復(fù)的輸入符號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算，用異或運(yùn)算的結(jié)果替代原編碼符號(hào)，把這個(gè)已恢復(fù)符號(hào)和編碼符號(hào)之間的邊從圖中刪除，并把這些編碼符號(hào)的度減1。（4）返回步驟2直到譯碼結(jié)束。假如能夠恢復(fù)所有輸入符號(hào)，則譯碼以成功結(jié)束；否則譯碼以失敗結(jié)束，此時(shí)也可以繼續(xù)接收更多的編碼包再進(jìn)行譯碼。

2.2 Raptor碼編譯碼原理

Raptor碼是由Shokrollahi提出的迄今為止最有效的一類(lèi)數(shù)字噴泉碼[1]，是在LT碼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。Raptor碼編碼由高速預(yù)編碼和LT碼編碼過(guò)程組成[3]，Raptor碼的編碼過(guò)程如下：

（1）由K個(gè)長(zhǎng)為T(mén)字節(jié)的源符號(hào)C[0]，C[1]，…，C[K-1]進(jìn)行預(yù)編碼，產(chǎn)生L（L>K）個(gè)長(zhǎng)為T(mén)字節(jié)的中間符號(hào)C[0]，C[1]，…，C[L-1]；

（2）由中間符號(hào)進(jìn)行LT編碼產(chǎn)生源符號(hào)和修復(fù)符號(hào)。

Raptor碼的譯碼也就比較簡(jiǎn)單，先采用LT碼的譯碼方法譯出中間符號(hào)的數(shù)據(jù)包，再采用預(yù)編碼對(duì)應(yīng)的譯碼方法譯出中間數(shù)據(jù)包所對(duì)應(yīng)的所有數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3 數(shù)字噴泉碼在航拍數(shù)據(jù)回傳上的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)不僅可用于民用，還可以用于軍事上。它的發(fā)展?jié)摿薮?，人們?duì)于航拍技術(shù)的各方面要求將會(huì)越來(lái)越高。在滿(mǎn)足了硬件方面的條件之后，在軟件部分，如何提高傳輸質(zhì)量就成為了研究的重點(diǎn)。

從之前介紹的數(shù)字噴泉碼的概念和原理可以看出，噴泉碼實(shí)際上是一種面向分組的前向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)，與其他可靠性保障機(jī)制相比，噴泉碼具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）可擴(kuò)展性強(qiáng)。在噴泉碼方案的接收端，譯碼器只要收到足夠的數(shù)據(jù)就可以恢復(fù)數(shù)據(jù)，反饋機(jī)制不是必須提供的，與自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ）相比，避免了反饋信號(hào)的往返延時(shí)和廣播、多播應(yīng)用中可能出現(xiàn)的反饋風(fēng)暴以及網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的傳輸帶寬受抑制的問(wèn)題。（2）能夠適用復(fù)雜多變信道狀況。噴泉碼編碼器可以源源不斷地輸出編碼包，碼長(zhǎng)不固定或者碼長(zhǎng)趨于無(wú)窮，碼率不固定或者無(wú)碼率。噴泉碼的這個(gè)特點(diǎn)使得發(fā)送端可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整編碼碼率來(lái)適應(yīng)復(fù)雜多變的信道，充分利用信道容量。（3）編譯碼算法的復(fù)雜度低。理論上，噴泉碼編碼器產(chǎn)生一個(gè)輸出符號(hào)所需的運(yùn)算是與輸入符號(hào)數(shù)量k無(wú)關(guān)的常數(shù)，譯碼器譯得k個(gè)原始數(shù)據(jù)包所需運(yùn)算量是關(guān)于k的線性函數(shù)，即具有線性復(fù)雜度。（4）對(duì)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)友好，支持并行下載、分層組播等應(yīng)用?；趪娙a無(wú)固定碼率的特性，網(wǎng)絡(luò)狀況不同的用戶(hù)可以依據(jù)自己的網(wǎng)絡(luò)狀況自由調(diào)整接收數(shù)據(jù)的多少，系統(tǒng)無(wú)需為劣質(zhì)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的接收質(zhì)量而影響其他用戶(hù)信息的發(fā)送，從而支持并行下載和分層組播等應(yīng)用。

我們常用的兩種數(shù)字噴泉碼：LT碼的編譯碼方法簡(jiǎn)單，編譯碼算法復(fù)雜度低，譯碼開(kāi)銷(xiāo)??；Raptor碼因?yàn)樵O(shè)計(jì)和優(yōu)化具有高速和高效率的特點(diǎn)，所以使其編譯碼的速度很快[4]。

正是由于數(shù)字噴泉碼擁有了這樣的一些優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺乐?，采用噴泉碼制作的編譯碼器就能夠保證讓航拍到的視頻數(shù)據(jù)高質(zhì)量回傳，從而得到原始的清晰、流暢的視頻內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)數(shù)字噴泉碼（主要是LT碼和Raptor碼）的編譯碼原理的簡(jiǎn)單介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)，噴泉碼之所以能夠應(yīng)用在無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)上，是源于它所具有的顯著優(yōu)勢(shì)可以讓航拍視頻數(shù)據(jù)高質(zhì)量回傳。近幾年， 關(guān)于數(shù)字噴泉碼的研究已經(jīng)取得了不少令人振奮的結(jié)果，數(shù)字噴泉碼被認(rèn)為是適用于可靠多播傳輸、多源下載、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線協(xié)作傳輸?shù)葢?yīng)用的最有前途的編碼技術(shù)[5]。當(dāng)然，隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的不斷發(fā)展，噴泉碼技術(shù)也將會(huì)不斷進(jìn)步，從而更好的應(yīng)用到航拍技術(shù)以及其他更多 更廣的技術(shù)中去。

參考文獻(xiàn)

[1]Shokrollahi A. Raptor Codes[J].IEEE Transactions on Informatio Theory， 2006，52（6）：2551-2567.

[2]M Luby.LT Codes[A].In ：Proceedings of the 43rd Annu.IEEE.Symp Foundations of Computer Science（FOCS）[C].Canada：Vancouver，Nov.2002.71-280.

[3]唐崇彥，李建平，蔡時(shí).TANG Chong-yan.LI Jian-ping.CAI Chao-shi Raptor碼的原理及應(yīng)用前景-通信市場(chǎng).2008（1）.

[4]姜博，晏堅(jiān)，蔣衛(wèi)東.噴泉碼及其在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用-數(shù)字通信世界，2007（10）.

[5]慕建君，焦曉鵬，曹訓(xùn)志.數(shù)字噴泉碼及其應(yīng)用的研究進(jìn)展與展望[J].電子學(xué)報(bào)，2009（07）.

收稿日期：2016-08-30

作者簡(jiǎn)介：周滟（1989—），女，漢，四川廣元人，大學(xué)本科，研究方向：數(shù)據(jù)傳輸，就職于四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院。