無線視頻監(jiān)控傳輸技術(shù)的研究

1、    無線視頻監(jiān)控傳輸技術(shù)的研究    無線視頻監(jiān)控傳輸技術(shù)的研究    類別：通信網(wǎng)絡(luò)      0 引 言 近年來，圖像監(jiān)視成為監(jiān)視領(lǐng)域所應用的主要手段，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

2、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

3、帶寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，且出現(xiàn)應急事件時容易出現(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 kbs，上行帶寬是7080 kbs，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)的實時應用需求。對于微波(數(shù)字微波、擴頻微波)，無線局域網(wǎng)(WLAN，80211(ab，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-24，H264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)的應用，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1

4、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-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，應該滿足：能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應用；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

5、機制的容錯性展開相應的研究，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。通過利用帶寬一失真代價函數(shù)的概念來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一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

6、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，F(xiàn)EC)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。基于反饋的ARQ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

7、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

8、編碼，在錯誤率較低的應用場合會導致帶寬資源的浪費，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。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-I。圖2顯示了采用HARQ-I的無線視頻傳輸系統(tǒng)，圖中虛線框代表了傳輸

9、中錯誤控制的流程。根據(jù)HARQ-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(第三層錯誤屏障)。可以看出，這種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術(shù)來恢復錯誤，所以這里將其命名為“盡力而為”ARQ機制(BestEffortARQ，BEA，RQ)。 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

10、關(guān)性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關(guān)來恢復一定質(zhì)量的視頻?；謴偷馁|(zhì)量還和被恢復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)?？紤]到這個因素，利用帶寬一失真代價函數(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

11、錯誤率(丟包率)以及終端錯誤恢復技術(shù)相關(guān)。將其作為衡量視頻包是否應當予以重傳的準則。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，預先判定每一部分的出錯恢復模式，解碼端根據(jù)這個模式信息來決定采取ARQ還是錯誤恢復。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一失真(Bandwidth-Distortion，B-D)模型，該模型是R-D模型在考慮了信道錯誤后的對偶模型，有著和R-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

12、效率，其形式表示如下： =rsBs (1) 式中：rs表示信源編碼得到的比特；Bs表示成功傳輸rs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Bs。對接收端重建失真，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： 式中：ds表示最終終端接收的失真；ds表示源編碼失真。 式中：Pr(·)表示概率大??；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

13、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p和一定傳輸機制前提下，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。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價方法來折衷它們二者的關(guān)系。綜合以上分析，采用B-D代價函數(shù)來綜合以上兩個方面的因素來價視頻傳輸系統(tǒng)，相應的B-D關(guān)系可以表述為： 式中：，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

14、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：di是ri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，一個包的平均重傳次數(shù)可以計算為： 式中：rg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r0的表達式(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-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

15、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-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-D性能提高也就越明顯。 為了更全面價本算法的性能，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?？紤]到影響本章算法性能的包括序列的紋理復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，紋理復雜程度較高的Mobile以及運動程度較低的Akiyo序列作為測序列。表1是對這三個測試序列在QP=14，16，20，

16、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-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-D性能做統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖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的對應關(guān)系不難看出，重發(fā)率越高，則對應B-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價。從實驗結(jié)果可以看出，該