基于ARM和網(wǎng)絡(luò)編碼的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控視頻傳輸技術(shù)

章廣志+周鳳+孫曉霞+張繼山

摘 要：網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以極大地提高多播網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時(shí)能提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。為了提高基于ARM芯片的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行多播傳輸。該方案顯著提高了視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，文章就此進(jìn)行了探討。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP314文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A收稿日期：2017-05-19

網(wǎng)絡(luò)視頻控制系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方案。用戶(hù)能夠通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)觀看監(jiān)控終端的監(jiān)控畫(huà)面。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的傳輸系統(tǒng)不需要構(gòu)建專(zhuān)門(mén)的傳輸線(xiàn)路，節(jié)省了線(xiàn)纜的布置費(fèi)用，同時(shí)可以跨地區(qū)、遠(yuǎn)距離布置監(jiān)控系統(tǒng)。但因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控傳輸時(shí)經(jīng)由外部Internet網(wǎng)絡(luò)，傳輸質(zhì)量有時(shí)難以得到保證，所以，構(gòu)建安全通暢的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控解決方案至關(guān)重要。

如果想解決以上問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)編碼是一個(gè)很有價(jià)值的技術(shù)。視頻傳輸?shù)钠款i就是傳輸碼率太低，而視頻的數(shù)據(jù)量比文字、音頻等數(shù)據(jù)量大很多，這就對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和分發(fā)造成一系列問(wèn)題。比如吞吐量太低，浪費(fèi)傳感器節(jié)點(diǎn)能量。

本文從兩個(gè)方面利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來(lái)提升視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。一是利用網(wǎng)絡(luò)編碼提高視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，提高碼率，節(jié)省能量；二是通過(guò)有效的網(wǎng)絡(luò)編碼編解碼優(yōu)化技術(shù)來(lái)降低視頻節(jié)點(diǎn)用于網(wǎng)絡(luò)編碼運(yùn)算的能量，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)編碼實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1.隨機(jī)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)編碼

網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想就是允許并提倡網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)對(duì)信源消息進(jìn)行中間的加工。通過(guò)Jaggi-Sanders算法可以實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量的上限。通過(guò)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼算法可以實(shí)現(xiàn)非相干網(wǎng)絡(luò)的多播容量上限。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)是信息論的一個(gè)大發(fā)展，也是一種突破。

2.隨嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸方案

（1）嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案。ARM9平臺(tái)基礎(chǔ)上整合關(guān)于視頻監(jiān)控的Linux軟件，系統(tǒng)基于Arm9的2410平臺(tái)和嵌入式Linux操作系統(tǒng)制作，搭建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，可以在瀏覽器里輸入監(jiān)控終端的網(wǎng)址或者域名進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控調(diào)取。目前網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控大多是基于局域網(wǎng)傳輸，終端大多是基于成熟的需要微軟版權(quán)授權(quán)的WinCE系統(tǒng)，成本偏高。本技術(shù)方案預(yù)期實(shí)現(xiàn)Internet環(huán)境下的視頻傳輸，終端操作系統(tǒng)采用開(kāi)源的Linux內(nèi)核，降低成本。

（2）網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的數(shù)據(jù)融合路徑。網(wǎng)絡(luò)編碼主要在兩個(gè)方面上應(yīng)用于視頻系統(tǒng)。一是服務(wù)器對(duì)自己管轄的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分發(fā)。服務(wù)器對(duì)自己管理監(jiān)控節(jié)點(diǎn)下發(fā)的管理數(shù)據(jù)一般來(lái)講都是大致相同的，可以近似為一個(gè)多播系統(tǒng)，這是網(wǎng)絡(luò)編碼的經(jīng)典應(yīng)用場(chǎng)景—多播。二是不同于局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控，對(duì)某一個(gè)視頻監(jiān)控終端，查看方可能不止一個(gè)，網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)人都可以利用網(wǎng)址登錄該視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，隨時(shí)查看實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的視頻內(nèi)容。

3.網(wǎng)路編碼在監(jiān)控視頻傳輸中的具體實(shí)現(xiàn)

這里主要討論具體實(shí)現(xiàn)中關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)該注意的問(wèn)題。

（1）網(wǎng)絡(luò)編碼方案。將分發(fā)的文件分成m份，每份有n個(gè)字符。字符為選定有限域F上的一個(gè)元素，F(xiàn)的大小采用經(jīng)典數(shù)值256，即一個(gè)字節(jié)大小的8次方。證明在此有限域下，解碼成功率可達(dá)到99%以上，已經(jīng)足夠工程實(shí)踐的要求。256也是最近很多網(wǎng)絡(luò)編碼具體實(shí)現(xiàn)方案經(jīng)常采用的有限域大小。

（2）運(yùn)算優(yōu)化技術(shù)。如上文所述，網(wǎng)絡(luò)編碼的運(yùn)算量很大，如何優(yōu)化編解碼成為網(wǎng)絡(luò)編碼實(shí)際運(yùn)用的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這里我們采用比較常見(jiàn)的系統(tǒng)向量技術(shù)和稀疏網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。系統(tǒng)向量使得解碼運(yùn)算的運(yùn)算量大大降低。稀疏網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)使得整個(gè)編碼矩陣在保證矩陣滿(mǎn)秩的前提下，大部分矩陣值為0，有限的非0數(shù)據(jù)又恰到好處地保證了解碼的順利進(jìn)行。這兩種技術(shù)有效地保證了運(yùn)算量的降低，特別適合運(yùn)算能力有限的視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。

本文利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來(lái)進(jìn)行視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方案有效地提高了視頻傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)降低了監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

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