基于彩色可見光的大數(shù)據(jù)視頻流并行編碼與傳輸算法

穆曉芳，鄧紅霞，郭虎升，亓 慧

(1.太原師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)系; 太原 030619； 2.太原理工大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院， 太原 030024;3.山西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院, 太原 030006)

隨著無線通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，10 GHz頻率之下的可用頻譜資源已經(jīng)嚴(yán)重稀缺。光通信采用光信號(hào)傳輸信息，可提供400 THz的帶寬，是室內(nèi)無線電磁波通信的重要補(bǔ)充[1-2]。隨著“LiFi”的出現(xiàn)，光通信成為WiFi技術(shù)的重要補(bǔ)充，將在室內(nèi)通信領(lǐng)域扮演重要的角色[3]。

根據(jù)思科白皮書報(bào)告[4]，視頻類數(shù)據(jù)占據(jù)當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量的一半以上，研究視頻數(shù)據(jù)流的室內(nèi)高效率通信方案是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域[5]。

可分級(jí)視頻編碼(SVC)[6]是當(dāng)前視頻數(shù)據(jù)流最主要的編碼方式。SVC技術(shù)從單一碼流中通過比特流抽取的方式得到不同幀率、不同分辨率和不同圖像質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)，為用戶提供不同速率的視頻流[7]。由于SVC的信源編碼速率和信道傳輸速率相匹配時(shí)才能獲得最高傳輸效率，因此直接將SVC數(shù)據(jù)流在可見光通信信道中傳輸無法利用可分級(jí)視頻編碼的優(yōu)勢(shì)[8]。在可見光通信的視頻傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)對(duì)視頻流的編碼速率和信道的傳輸速率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，從而在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)減小通信資源的成本[9]。當(dāng)前音頻[10]、視頻數(shù)據(jù)流在可見光通信方面的傳輸方案主要是通過脈沖寬度調(diào)制、可變脈沖位置調(diào)制等調(diào)制技術(shù)對(duì)比特信息進(jìn)行傳輸，未結(jié)合音頻數(shù)據(jù)流或視頻數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)?？煞旨?jí)視頻編碼將視頻按照質(zhì)量、空間、時(shí)間三個(gè)維度進(jìn)行分級(jí)，劃分了多個(gè)視頻層，按照網(wǎng)絡(luò)的QoS(quality of service)[11]與QoE(quality of experience)[12]調(diào)節(jié)傳輸?shù)囊曨l層，從而保證視頻傳輸?shù)乃俣扰c可靠性。

本文針對(duì)可見光通信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可分級(jí)視頻編碼的通信方案，采用LED的RGB三色信道并行、獨(dú)立地傳輸SVC數(shù)據(jù)流的各個(gè)層(基層、增強(qiáng)層等)，提高視頻數(shù)據(jù)流的傳輸速率。此外，根據(jù)信道狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的信道資源分配方案，提高視頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 系統(tǒng)模型

1.1 可見光信道模型

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，可見光的信道模型定義如下：

R(t)=αS(t)·G(t)+N(t)

(1)

式中：R(t)是接收端光電探測(cè)器的接收信號(hào)；S(t)是傳輸?shù)墓庑盘?hào)；N(t)是探測(cè)器響應(yīng)度(一般為加性高斯白噪聲)；G(t)表示脈沖響應(yīng)。

1.2 可分級(jí)視頻編碼模型

可分級(jí)視頻編碼(SVC)信號(hào)分為多個(gè)層，每層的優(yōu)先級(jí)不同[14]。第一層為基層，基層信號(hào)的優(yōu)先級(jí)最高，包含了視頻的最基本信息；第二層為增強(qiáng)層，增強(qiáng)層的數(shù)據(jù)能夠有效地提高視頻質(zhì)量。本文基于顏色信道的狀態(tài)信息設(shè)計(jì)了顏色信道分配方案，選擇合適的顏色信道傳輸SVC視頻流的各層數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 可分級(jí)視頻流的傳輸方案

H.264/SVC標(biāo)準(zhǔn)編碼[15]的3種分級(jí)策略可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的條件自適應(yīng)地選擇最優(yōu)的分級(jí)組合。圖2所示是H264標(biāo)準(zhǔn)3種分級(jí)策略的示意圖。

圖2 H.264視頻編碼的3種分級(jí)示意圖

1.3 可見光系統(tǒng)的亮度控制方案

圖3所示是可見光系統(tǒng)的亮度控制模塊，基于PWM(脈沖寬度調(diào)制)[16]控制光的亮度，通過LED的“on”與“off”狀態(tài)控制PWM。LED的“on”狀態(tài)對(duì)應(yīng)PWM的脈沖寬度延續(xù)，LED的“off”狀態(tài)對(duì)應(yīng)PWM的脈沖結(jié)束[17]。因此，在LED的“on”狀態(tài)，將視頻數(shù)據(jù)調(diào)制為亮度控制的可見光，在LED的“off”狀態(tài)，數(shù)據(jù)停止傳輸。

圖3 可見光系統(tǒng)的光亮度控制模塊

VLC系統(tǒng)的直流信道增益定義為[3]：

H(0)=((m+1)cosm(φ)Acos(θ))/(2πd2)

(2)

式中：φ為L(zhǎng)ED的輻射角度；m為L(zhǎng)ambertian發(fā)射體的階；d為L(zhǎng)ED與光電探測(cè)器之間的距離；A是光電探測(cè)器的物理區(qū)域；θ為光的入射角。調(diào)制后LED的輸出光信號(hào)可表示為p(t)=Pt(1+Mindex·f(t))，其中Pt為L(zhǎng)ED的發(fā)送光功率，Mindex為調(diào)制方式，f(t)為歸一化的調(diào)制信號(hào)。接收端完成光電檢測(cè)后，將電信號(hào)的直流分量過濾掉，此時(shí)的電信號(hào)SNR為：

SNR=((RH(0)PtMindex)2f(t)2)/σ2

(3)

式中：σ2為噪聲方差；R為光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

2 傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于脈沖寬度調(diào)制的可見光顏色控制

使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)LED的RGB三色。圖4所示是使用PWM調(diào)節(jié)的RGB控制時(shí)序圖。PWM調(diào)節(jié)RGB三色信號(hào)的占空比，每個(gè)RGB分量相互獨(dú)立。因此，PWM能夠調(diào)節(jié)每個(gè)RGB的時(shí)序與占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色的控制。

圖4 使用PWM調(diào)節(jié)的RGB控制時(shí)序圖

2.2 可變脈沖位置調(diào)制(VPPM)

VPPM是IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)(可見光通信協(xié)議)中推薦的調(diào)制方式之一[18]，結(jié)合了脈沖寬度調(diào)制與2-PPM調(diào)制兩者的特點(diǎn)，通信時(shí)使用2-PPM，亮度控制則使用PWM，如圖5所示。可變脈沖位置調(diào)制(VPPM)在光照不閃爍的情況下，同時(shí)提供照明與通信服務(wù)。VPPM調(diào)制中LED光的“on”狀態(tài)保持穩(wěn)定，可通過調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)VPPM的亮度控制。

圖5 VPPM調(diào)制的編碼方式示意圖

2.3 顏色與亮度控制系統(tǒng)中SVC信號(hào)分配方案

SVC的信道分配方案對(duì)于視頻傳輸?shù)男阅苁种匾?。本文基于RGB信道的狀態(tài)信息設(shè)計(jì)了一種SVC資源分配方案，在VLC系統(tǒng)中支持多層的視頻數(shù)據(jù)流。

圖6所示是系統(tǒng)的發(fā)送器與接收器模塊框圖。首先，通過SVC編碼器將輸入數(shù)據(jù)編碼為比特?cái)?shù)據(jù)流，并為數(shù)據(jù)流分配不同的優(yōu)先級(jí)，根據(jù)RGB三個(gè)信道的狀態(tài)信息自適應(yīng)地為SVC每層碼流分配信道。RGB三色的不同混合比例獲得的BER性能與光電轉(zhuǎn)換的效率不同，因此，根據(jù)RGB信道的狀態(tài)信息選擇最優(yōu)的信道，將該信道作為SVC基層傳輸信道。

圖6 本系統(tǒng)的發(fā)送器與接收器模塊框圖

圖7所示是BER性能與光照控制之間的關(guān)系。亮度與光照距離的平方成反比例關(guān)系，亮度越高，誤碼率越高。光照距離越長(zhǎng)，從光源接收的能量越少，通過光照控制減少了光源的亮度，也減少了接收的能量。

2.4 SVC碼流的自適應(yīng)信道分配方案

為了補(bǔ)償光照控制所引起的性能衰減，為每個(gè)信道分配一個(gè)附加的基層信號(hào)，從而提高通信可靠性。圖8是方案示意圖，根據(jù)RGB三個(gè)顏色的混合比例，將RGB三個(gè)信道分別分配為增強(qiáng)層1、增強(qiáng)層2和基層。SVC信號(hào)中基層數(shù)據(jù)最為重要，確保了視頻質(zhì)量的下限。當(dāng)光亮度下降為50%時(shí)，將RGB三個(gè)信道分別分配為基層、增強(qiáng)層1和基層；當(dāng)光照強(qiáng)度下降為25%時(shí)，將RGB三個(gè)信道全部分配為SVC碼流的基層。

圖7 誤碼率性能與通信距離、光亮度的關(guān)系

算法1 視頻碼流的自適應(yīng)信道分配算法

圖8 SVC信號(hào)自適應(yīng)分配算法

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)

基于Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。視頻的數(shù)據(jù)速率為400 Mbps，噪聲模型為加性高斯白噪聲(AWGN)[19]，背景光噪聲為0(dBm)，SVC視頻流為JSVM ver.13.1模型[20]。SVC視頻分為基層、第一增強(qiáng)層與第二增強(qiáng)層共3層。每個(gè)信道的信噪比(SNR)為：

SNRr=3Rr(PrKr/(Kr+Kg+Kb))2/qPbgRb

SNRg=3Rg(PrKg/(Kr+Kg+Kb))2/qPbgRb

SNRb=3Rb(PrKb/(Kr+Kg+Kb))2/qPbgRb

(4)

式中：Pr為光電探測(cè)器接收的全部能量；Kr、Kg、Kb分別為R、G、B三色的混合比例；Rr、Rg、Rb分別為3個(gè)顏色的光電轉(zhuǎn)化效率。由于共有3個(gè)子信道，故每個(gè)子信道效率為Rb/3。表1所示是仿真的具體參數(shù)值。

表1 仿真的具體參數(shù)值

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1不同顏色混合比例的性能

LED通過調(diào)節(jié)輸出能量獲得不同的RGB顏色混合比例。平均誤碼率值與顏色混合比例的關(guān)系是可見光通信的重要性能指標(biāo)。

首先，控制RGB顏色的比例，測(cè)試可見光通信的平均誤碼率，結(jié)果如圖9～11所示。圖9的RGB混合比例為255∶102∶153，光亮度為75%，該場(chǎng)景下紅色光信道的誤碼率最高，藍(lán)色信道次之，綠色信道的誤碼率最高。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的可分級(jí)視頻流在可見光通信的傳輸方案中是RGB三個(gè)信道同時(shí)傳輸相同的數(shù)據(jù)流，所以3個(gè)信道的效率較低。

圖9 RGB三色信道的誤碼率與接收光能量的關(guān)系(RGB混合比例為255∶102∶153，光亮度為75%)

圖10的RGB混合比例為51∶255∶102，光亮度為75%。從圖中可看出：3個(gè)顏色信道的性能從高到低分別為綠色、藍(lán)色與紅色，因此增加RGB顏色的混合比例有助于提高該顏色信道的誤碼率性能。圖11的RGB混合比例為153∶102∶255，光亮度為75%，從圖中可看出，3個(gè)顏色信道的性能從高到低分別為藍(lán)色、紅色與綠色。

通過分析圖9～11發(fā)現(xiàn)，各顏色的混合比例對(duì)該顏色的誤碼率具有直接影響，因此本文的可分級(jí)視頻編碼數(shù)據(jù)自適應(yīng)傳輸算法將高優(yōu)先級(jí)的SVC層分配至混合比例高的顏色信道傳輸，以期獲得最高的通信QoS。

圖12所示是本系統(tǒng)的PSNR結(jié)果(RGB混合比例為153∶102∶255，光亮度為75%)。方案1中藍(lán)色信道為基層，紅色、綠色信道分別為增強(qiáng)層1與增強(qiáng)層2，方案2中藍(lán)色信道為基層，綠色、紅色信道分別為增強(qiáng)層1與增強(qiáng)層2。從圖12可看出，藍(lán)色信道為最優(yōu)信道，綠色信道為最差信道，將藍(lán)色信道作為基層即可獲得理想的傳輸效果。

圖10 RGB三色信道的誤碼率與接收光能量的關(guān)系(RGB混合比例為51∶255∶102，光亮度為75%)

圖11 RGB三色信道的誤碼率與接收光能量的關(guān)系(RGB混合比例為153∶102∶255，光亮度為75%)

圖12 原視頻的PSNR值、方案1與方案2所獲得的PSNR值

3.2.2不同光亮度的性能

控制可見光的光亮度，測(cè)試不同光亮度對(duì)誤碼率性能的影響[21]。圖13所示是平均誤碼率與光亮度的關(guān)系，可看出誤碼率隨著光亮度的下降而提高，因?yàn)楣饬炼认陆祵?dǎo)致接收端的信號(hào)強(qiáng)度與通信范圍均降低，導(dǎo)致可見光通信的誤碼率提高。

雖然光亮度導(dǎo)致通信誤碼率明顯提高，但是本算法設(shè)計(jì)了SVC分配機(jī)制，通過減少增強(qiáng)層數(shù)據(jù)流的傳輸保證基層數(shù)據(jù)的可靠傳輸。圖14是RGB混合比例為102∶153∶255時(shí)，光亮度分別為25%、50%、75%的視頻PSNR值。當(dāng)光亮度為50%時(shí)，本方案僅傳輸了基層與增強(qiáng)層1與增強(qiáng)層2，此時(shí)的PNSR值最高；當(dāng)光亮度為50%時(shí)，本方案僅傳輸了基層與增強(qiáng)層1；當(dāng)光亮度為25%時(shí)，本方案僅傳輸基層的數(shù)據(jù)，從而保證視頻的最低質(zhì)量要求。從圖14可看出，光亮度為75%時(shí)，源視頻信號(hào)PSNR為40 dB，光通信獲得的視頻信號(hào)PSNR為38 dB。當(dāng)光照強(qiáng)度為50%時(shí)，光通信獲得的視頻信號(hào)PSNR為32 dB；當(dāng)光照強(qiáng)度為25%時(shí)，光通信獲得的視頻信號(hào)PSNR為30 dB。

圖13 平均誤碼率性能與光亮度的關(guān)系

圖14 視頻PSNR值(RGB混合比例為102∶153∶255，方案2、3、4的光亮度分別為25%、50%、75%)

4 結(jié)束語

針對(duì)可見光通信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可分級(jí)視頻編碼的通信方案。采用LED的RGB三色信道并行地傳輸SVC數(shù)據(jù)流的各個(gè)層，提高視頻數(shù)據(jù)流的傳輸速率。本文的自適應(yīng)分配方案有效地提高了視頻信號(hào)的QoS與誤碼率性能。

本文算法是一種針對(duì)可分級(jí)視頻編碼的可見光通信技術(shù)，在一定程度上提升了可分級(jí)視頻編碼的通信質(zhì)量?？煞旨?jí)視頻編碼技術(shù)除了本文研究的H.264/SVC格式，還有HEVC/SVC等新格式，下一步將對(duì)HEVC/SVC等編碼格式進(jìn)行研究與分析，并針對(duì)格式的細(xì)節(jié)做優(yōu)化與改進(jìn)。