基于數(shù)字噴泉碼的視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究*

任加勒，孟利民（浙江工業(yè)大學(xué)　浙江省通信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江　杭州　310023）

基于數(shù)字噴泉碼的視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究*

任加勒，孟利民
（浙江工業(yè)大學(xué)浙江省通信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310023）

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在糾錯(cuò)性能方面存在著諸多不足，當(dāng)信道丟包率較大時(shí)進(jìn)行可靠的視頻傳輸顯得較為困難。為此，結(jié)合RTP傳輸?shù)膬?yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種使用數(shù)字噴泉碼進(jìn)行丟包恢復(fù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。首先研究實(shí)用的數(shù)字噴泉碼——LT碼，比較了不同度分布算法下LT碼的譯碼性能。根據(jù)視頻傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用需求，選擇魯棒孤子度分布算法，研究短碼長條件下影響LT碼譯碼性能的主要因素。

視頻監(jiān)控；數(shù)字噴泉碼；LT碼；度分布

0　引言

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻數(shù)據(jù)常通過RTP協(xié)議來傳輸，RTP雖能保證較好的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，但不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制［1］，且無法解決因網(wǎng)絡(luò)信道惡劣而引起的丟包現(xiàn)象，因此在實(shí)際應(yīng)用中常會(huì)出現(xiàn)視頻畫面卡頓和圖像模糊等現(xiàn)象。

為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，視頻監(jiān)控系統(tǒng)常使用前向糾錯(cuò)編碼和自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ）機(jī)制實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制［2］。傳統(tǒng)的前向糾錯(cuò)編碼通常要預(yù)先估計(jì)信道質(zhì)量，再選擇碼長、碼率等編碼參數(shù)，最終設(shè)計(jì)出具體的編譯碼方案，因此不適用于信道具有時(shí)變性的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用。ARQ機(jī)制則通過反饋信號(hào)來確定數(shù)據(jù)是否正確接收，數(shù)據(jù)發(fā)送端則需要接收大量反饋信號(hào)來確認(rèn)每個(gè)數(shù)據(jù)接收端接收到的全部數(shù)據(jù)，大量的反饋信號(hào)不僅占用大量帶寬，也會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。數(shù)字噴泉碼［3］與傳統(tǒng)的糾錯(cuò)碼相比，具有更強(qiáng)的信道適應(yīng)能力，并且不需建立反饋信道來確認(rèn)哪些編碼符號(hào)已被接收?；谶@些優(yōu)勢，數(shù)字噴泉碼在航天測控通信［4］、無線傳感等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字噴泉碼的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，來提高視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。

本文首先介紹LT噴泉碼的編譯碼原理，然后研究幾種重要的度分布算法的性能，并針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)這一實(shí)際應(yīng)用場景，對(duì)魯棒孤子分布（Robust Soliton distribution，RSD）算法進(jìn)行研究，分析影響其編譯碼性能的主要因素。

1　數(shù)字噴泉碼

1998年，LUBY M等人首次提出了數(shù)字噴泉（Digital Fountain）的概念，在基于數(shù)字噴泉編碼的傳輸系統(tǒng)中，接收方從發(fā)送方接收編碼符號(hào)，當(dāng)其接收的編碼符號(hào)數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，即可譯出所有源符號(hào)，不需關(guān)心接收到編碼符號(hào)的序號(hào)。2002年，LUBY M提出了適用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖T編碼。

1.1LT碼編碼算法

LT碼開始編碼時(shí)，原始數(shù)據(jù)塊S被劃分為等長的k個(gè)源符號(hào)，表示為源符號(hào)矩陣，即：

度分布ρ（d）是預(yù)先設(shè)計(jì)好的概率分布函數(shù)，指任一編碼符號(hào)在其度等于d時(shí)的概率密度，即：

從k個(gè)源符號(hào)按均勻分布隨機(jī)選取其中d個(gè)進(jìn)行異或運(yùn)算，得到編碼符號(hào)ej（1≤j≤n），其中：

將生成的n個(gè)編碼符號(hào)表示為編碼符號(hào)矩陣，即：

其中，生成某個(gè)編碼符號(hào)ej所選擇的源輸入符號(hào)的位置可用生成向量αj表示：

其中，元素gi為一個(gè)二進(jìn)制比特，當(dāng)gi為1時(shí)，表示S中的第i個(gè)源符號(hào)被選中進(jìn)行編碼；當(dāng)gi為0時(shí)，則表示S中相應(yīng)位置的源符號(hào)未被選中進(jìn)行編碼。將n個(gè)編碼符號(hào)的生成向量αj表示為生成矩陣的形式，即：

綜上，源符號(hào)矩陣S1×k、編碼符號(hào)矩陣E1×k和生成矩陣Gk×n之間關(guān)系為：

1.2LT碼譯碼算法

LT碼的解碼器只要從編碼器收到任意m個(gè)編碼符號(hào)，就可高概率地將k個(gè)源數(shù)據(jù)符號(hào)全部恢復(fù)。

LT碼的譯碼算法有置信傳播算法與高斯消除算法。高斯消除算法的復(fù)雜度很高，為盡可能減少編譯碼所帶來的時(shí)間開銷，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，本文僅介紹置信傳播算法。

置信傳播譯碼過程如下：

（1）從接收到的所有編碼符號(hào)中查找度為1的編碼符號(hào)。如果存在，則將編碼符號(hào)拷貝為源符號(hào)；反之，需接收更多的編碼符號(hào)。

（2）利用已被譯出的源符號(hào)，將此源符號(hào)與和它相連的編碼符號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算，得到新的編碼符號(hào)來代替原編碼符號(hào)，并令這些參與運(yùn)算的編碼符號(hào)度數(shù)減1。

（3）不斷重復(fù)上述兩個(gè)步驟，直到所有源符號(hào)均被譯出。

1.3度分布算法

度分布算法與編碼復(fù)雜度直接相關(guān)，也決定了LT碼的譯碼成功率。

以下介紹均勻分布、二項(xiàng)分布、理想孤子度分布（Ideal Soliton distribution，ISD）、魯棒孤子度分布等幾種典型的度分布，它們的定義分別如下：

（1）均勻分布

（2）二項(xiàng)分布

（3）理想孤子分布

為成功譯碼，LT碼在每次譯碼循環(huán)時(shí)都要求有度為1的編碼符號(hào)，并且為了降低編譯碼的復(fù)雜度，LUBY M給出了如式（10）所示的理想孤子分布函數(shù)。然而理想孤子分布在實(shí)際應(yīng)用中性能很不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)經(jīng)過某次迭代后缺失度1編碼符號(hào)的現(xiàn)象，導(dǎo)致譯碼失敗。為此，LUBY M構(gòu)造了式（11）所示的魯棒孤子分布。

（4）魯棒孤子分布

設(shè)ρ（d）為定義（3）中的ISD分布，則RSD分布表示如下：

其中，Z為RSD分布的歸一化因子：

2　噴泉碼視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括視頻采集終端、流媒體服務(wù)器、客戶端三大部分。當(dāng)客戶端向一個(gè)或多個(gè)視頻采集終端發(fā)起視頻請(qǐng)求時(shí)，流媒體服務(wù)器就將相應(yīng)終端的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至客戶端。本監(jiān)控系統(tǒng)模型中，視頻采集終端和移動(dòng)客戶端都以無線形式接入到服務(wù)器，因此數(shù)據(jù)在無線信道中被傳輸。無線信道具有高丟包率的特點(diǎn)，當(dāng)丟包率超過一定閾值時(shí)，客戶端就會(huì)產(chǎn)生視頻圖像模糊、畫面卡頓等現(xiàn)象。因此本文提出將數(shù)字噴泉編碼技術(shù)應(yīng)用到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，以提高視頻傳輸質(zhì)量，降低系統(tǒng)整體丟包率。

圖1　視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.2系統(tǒng)編譯碼流程

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噴泉碼編譯碼的流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)中噴泉碼編譯碼流程

數(shù)據(jù)源端將使用H.264協(xié)議壓縮后的視頻流分割為M個(gè)k×L比特的數(shù)據(jù)塊。每個(gè)數(shù)據(jù)塊作為獨(dú)立的編譯碼單元，又被分割成k個(gè)大小為L比特的源符號(hào)。噴泉碼編碼器對(duì)某一數(shù)據(jù)塊中的k個(gè)源符號(hào)進(jìn)行編碼，生成n個(gè)編碼符號(hào)，用RTP協(xié)議將其傳輸?shù)搅髅襟w服務(wù)器。流媒體服務(wù)器將接收到的編碼符號(hào)進(jìn)行解碼，以恢復(fù)因網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量而丟失的編碼符號(hào)。流媒體服務(wù)器在收到足夠的編碼符號(hào)并成功解碼時(shí)，就發(fā)送反饋信息，告知發(fā)送端進(jìn)入下一個(gè)數(shù)據(jù)塊編碼符號(hào)的發(fā)送。

從流媒體服務(wù)器到客戶端的視頻數(shù)據(jù)編譯碼過程與上述過程相似。

3　性能分析

首先研究1.3節(jié)所述的4種度分布的性能。LT碼在短碼長條件下，譯碼冗余度較高，但是譯碼復(fù)雜度很低，譯碼延時(shí)小，適用于實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控領(lǐng)域，因此本文僅以短碼長為研究對(duì)象?，F(xiàn)令源符號(hào)長度k=10，RSD分布中c=0.1，δ=0.2（本文所有仿真的重復(fù)次數(shù)均為1 000）。仿真結(jié)果，如圖3所示，LT噴泉碼中二項(xiàng)分布的譯碼性能要遠(yuǎn)低于其余3種度分布的譯碼性能。ISD分布和RSD分布的譯碼性能較高且RSD分布的譯碼性能要優(yōu)于ISD分布，這是因?yàn)镽SD分布函數(shù)在度數(shù)d=k/R時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)峰值，保證了迭代譯碼過程中待譯碼編碼符號(hào)集中度1節(jié)點(diǎn)的存在，從而提高了譯碼成功率。

基于RSD分布性能要優(yōu)于其余幾種度分布，所以選取RSD分布作為實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的度分布算法，現(xiàn)對(duì)影響其編譯碼性能的主要因素進(jìn)行研究與分析。在RSD分布中，有c和δ兩個(gè)非常重要的參數(shù)。

圖3　不同度分布在LT碼譯碼中的性能比較

參數(shù)c的取值范圍為：

現(xiàn)令k=100，δ=0.01，則0.011 0≤c≤0.542 9，將仿真結(jié)果分成圖4和圖5兩組。從圖4可知，當(dāng)c≤0.02時(shí)，在特定譯碼冗余條件下，LT碼譯碼成功率與c呈正相關(guān)的關(guān)系，且當(dāng)冗余編碼符號(hào)數(shù)低于100時(shí)即可獲取90％以上的譯碼成功率。從圖5可知，當(dāng)c≥0.02時(shí)，LT碼譯碼成功率與c呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。這說明譯碼成功率與c的關(guān)系在c=0.02附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，所以在源符號(hào)長度k=100，失敗概率δ=0.01的條件下，0.02可近似作為RSD分布中c的最優(yōu)參數(shù)。

圖4　參數(shù)c對(duì)LT碼譯碼性能的影響

圖5　數(shù)c對(duì)LT碼譯碼性能的影響

現(xiàn)研究參數(shù)δ對(duì)LT碼譯碼成功率的影響。參數(shù)δ表示在接收到K個(gè)編碼符號(hào)的情況下可容忍的最大譯碼失敗概率。K表示如下：

在源符號(hào)長度k=100，c=0.02條件下，仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示，參數(shù)δ取值的改變并未對(duì)LT碼譯碼成功率造成太大影響，這是因?yàn)樗母淖儗?duì)編碼符號(hào)度數(shù)為1的概率影響不大。

圖6　參數(shù)δ對(duì)LT碼譯碼性能的影響

4　結(jié)論

本文通過分析視頻監(jiān)控領(lǐng)域傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式存在的不足，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字噴泉碼的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并且給出了具體編譯碼流程。同時(shí)分析了多種典型度分布算法在LT編碼中的譯碼性能，選擇了性能較好的RSD分布作為系統(tǒng)中LT編碼的度分布算法，研究了影響RSD分布編譯碼性能的主要因素?？紤]到視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，仿真實(shí)驗(yàn)中給出了短碼長條件下最優(yōu)的RSD度分布算法參數(shù)。本文對(duì)數(shù)字噴泉碼在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

［1］謝紅輝.基于網(wǎng)絡(luò)的視頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.通信技術(shù)，2009，42（7）：131.

［2］應(yīng)挺.帶反饋的數(shù)字噴泉碼技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

［3］MACKAY D J C.Fountain codes［J］.Proceeding of IEEE Communication，2005，152（6）：1062-1068.

［4］繆鵬飛，周帥，姜洪偉，等.基于航天測控通信系統(tǒng)LT碼的應(yīng)用研究［J］.上海航天，2014，31（02）：47-51.

A video surveillance system based on digital fountain codes

Ren Jiale，Meng Limin
（Zhejiang Provincial Key Laboratory of Communication Networks and Applications，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

Traditional video surveillance system has some problems in error-correcting，so it′s difficult to achieve reliable transmission on high-loss network.To solve the problem，this paper designs an IP video surveillance system based on digital fountain codes with the advantage of RTP.Taking LT codes as the research object，this paper studies its performance based on different degree distribution.According to the practical requirement，this paper chooses Robust Soliton Distribution algorithm for the system and studies the factors that affect the performance of LT codes with small message length.

video surveillance；digital fountain codes；LT codes；degree distribution

TP37

A

1674-7720（2015）10-0044-04

2014-12-30）

任加勒（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：多媒體傳輸技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372087）

孟利民（1963-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：多媒體數(shù)字通信、無線通信與網(wǎng)絡(luò)。