任加勒，孟利民（浙江工業(yè)大學　浙江省通信網(wǎng)技術應用研究重點實驗室，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)大學浙江省通信網(wǎng)技術應用研究重點實驗室，浙江杭州310023）

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在糾錯性能方面存在著諸多不足，當信道丟包率較大時進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，設計了一種使用數(shù)字噴泉碼進行丟包恢復的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。首先研究實用的數(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)傳輸實時性，但不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳送機制［1］，且無法解決因網(wǎng)絡信道惡劣而引起的丟包現(xiàn)象，因此在實際應用中常會出現(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)常使用前向糾錯編碼和自動請求重傳（ARQ）機制實現(xiàn)差錯控制［2］。傳統(tǒng)的前向糾錯編碼通常要預先估計信道質(zhì)量，再選擇碼長、碼率等編碼參數(shù)，最終設計出具體的編譯碼方案，因此不適用于信道具有時變性的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)等應用。ARQ機制則通過反饋信號來確定數(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來確認每個數(shù)據(jù)接收端接收到的全部數(shù)據(jù)，大量的反饋信號不僅占用大量帶寬，也會增加數(shù)據(jù)傳輸延時。數(shù)字噴泉碼［3］與傳統(tǒng)的糾錯碼相比，具有更強的信道適應能力，并且不需建立反饋信道來確認哪些編碼符號已被接收?；谶@些優(yōu)勢，數(shù)字噴泉碼在航天測控通信［4］、無線傳感等領域中得到了廣泛的應用。本文設計了一種基于數(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)目煽啃院蛯崟r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，并針對視頻監(jiān)控系統(tǒng)這一實際應用場景，對魯棒孤子分布（Robust Soliton distribution，RSD）算法進行研究，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，當其接收的編碼符號數(shù)達到一定值時，即可譯出所有源符號，不需關心接收到編碼符號的序號。2002年，LUBY M提出了適用于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖T編碼。

1.1LT碼編碼算法

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

度分布ρ（d）是預先設計好的概率分布函數(shù)，指任一編碼符號在其度等于d時的概率密度，即：

從k個源符號按均勻分布隨機選取其中d個進行異或運算，得到編碼符號ej（1≤j≤n），其中：

將生成的n個編碼符號表示為編碼符號矩陣，即：

其中，生成某個編碼符號ej所選擇的源輸入符號的位置可用生成向量αj表示：

其中，元素gi為一個二進制比特，當gi為1時，表示S中的第i個源符號被選中進行編碼；當gi為0時，則表示S中相應位置的源符號未被選中進行編碼。將n個編碼符號的生成向量αj表示為生成矩陣的形式，即：

綜上，源符號矩陣S1×k、編碼符號矩陣E1×k和生成矩陣Gk×n之間關系為：

1.2LT碼譯碼算法

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

LT碼的譯碼算法有置信傳播算法與高斯消除算法。高斯消除算法的復雜度很高，為盡可能減少編譯碼所帶來的時間開銷，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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中查找度為1的編碼符號。如果存在，則將編碼符號拷貝為源符號；反之，需接收更多的編碼符號。

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

（3）不斷重復上述兩個步驟，直到所有源符號均被譯出。

1.3度分布算法

度分布算法與編碼復雜度直接相關，也決定了LT碼的譯碼成功率。

以下介紹均勻分布、二項分布、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)時都要求有度為1的編碼符號，并且為了降低編譯碼的復雜度，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際應用中性能很不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)經(jīng)過某次迭代后缺失度1編碼符號的現(xiàn)象，導致譯碼失敗。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)設計

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、流媒體服務器、客戶端三大部分。當客戶端向一個或多個視頻采集終端發(fā)起視頻請求時，流媒體服務器就將相應終端的視頻數(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客戶端都以無線形式接入到服務器，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，當丟包率超過一定閾值時，客戶端就會產(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)字噴泉編碼技術應用到視頻監(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)中對數(shù)據(jù)進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k×L比特的數(shù)據(jù)塊。每個數(shù)據(jù)塊作為獨立的編譯碼單元，又被分割成k個大小為L比特的源符號。噴泉碼編碼器對某一數(shù)據(jù)塊中的k個源符號進行編碼，生成n個編碼符號，用RTP協(xié)議將其傳輸?shù)搅髅襟w服務器。流媒體服務器將接收到的編碼符號進行解碼，以恢復因網(wǎng)絡質(zhì)量而丟失的編碼符號。流媒體服務器在收到足夠的編碼符號并成功解碼時，就發(fā)送反饋信息，告知發(fā)送端進入下一個數(shù)據(jù)塊編碼符號的發(fā)送。

從流媒體服務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，但是譯碼復雜度很低，譯碼延時小，適用于實時視頻監(jiān)控領域，因此本文僅以短碼長為研究對象?，F(xiàn)令源符號長度k=10，RSD分布中c=0.1，δ=0.2（本文所有仿真的重復次數(shù)均為1 000）。仿真結(jié)果，如圖3所示，LT噴泉碼中二項分布的譯碼性能要遠低于其余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，這是因為RSD分布函數(shù)在度數(shù)d=k/R時出現(xiàn)了一個峰值，保證了迭代譯碼過程中待譯碼編碼符號集中度1節(jié)點的存在，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分布作為實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)的度分布算法，現(xiàn)對影響其編譯碼性能的主要因素進行研究與分析。在RSD分布中，有c和δ兩個非常重要的參數(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c≤0.02時，在特定譯碼冗余條件下，LT碼譯碼成功率與c呈正相關的關系，且當冗余編碼符號數(shù)低于100時即可獲取90％以上的譯碼成功率。從圖5可知，當c≥0.02時，LT碼譯碼成功率與c呈負相關的關系。這說明譯碼成功率與c的關系在c=0.02附近出現(xiàn)拐點，所以在源符號長度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LT碼譯碼性能的影響

圖5　數(shù)c對LT碼譯碼性能的影響

現(xiàn)研究參數(shù)δ對LT碼譯碼成功率的影響。參數(shù)δ表示在接收到K個編碼符號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LT碼譯碼成功率造成太大影響，這是因為它的改變對編碼符號度數(shù)為1的概率影響不大。

圖6　參數(shù)δ對LT碼譯碼性能的影響

4　結(jié)論

本文通過分析視頻監(jiān)控領域傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式存在的不足，設計了一種基于數(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)在實際應用中對數(shù)據(jù)實時性的要求，仿真實驗中給出了短碼長條件下最優(yōu)的RSD度分布算法參數(shù)。本文對數(shù)字噴泉碼在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的實際應用有一定的指導意義。

［1］謝紅輝.基于網(wǎng)絡的視頻通信系統(tǒng)的設計［J］.通信技術，2009，42（7）：131.

［2］應挺.帶反饋的數(shù)字噴泉碼技術研究［D］.杭州：浙江大學，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。

國家自然科學基金資助項目（61372087）

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