無線視頻監(jiān)控傳輸技術(shù)的研究

0 引 言
    近年來，圖像監(jiān)視成為監(jiān)視領(lǐng)域所應(yīng)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(yīng)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(fù)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傳輸帶寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，且出現(xiàn)應(yīng)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 kb／s，上行帶寬是70～80 kb／s，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(yīng)用需求。對于微波(數(shù)字微波、擴頻微波)，無線局域網(wǎng)(WLAN，802．11(a．b，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-2／4，H．264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(yīng)用，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1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龋驗橹挥蠱PEG-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(yīng)該滿足：能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)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)傳輸機制的容錯性展開相應(yīng)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)的概念來評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(zhǔn)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(yīng)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?；诜答伒腁RQ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(dāng)前估計的最差情況來增加冗余校驗比特，這會導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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編碼，在錯誤率較低的應(yīng)用場合會導(dǎo)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。Ⅱ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(dāng)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(yīng)的具有糾錯能力的校驗碼。當(dāng)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(dāng)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(fù)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(fù)(第三層錯誤屏障)?？梢钥闯?，這種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術(shù)來恢復(fù)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關(guān)性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關(guān)來恢復(fù)一定質(zhì)量的視頻。恢復(fù)的質(zhì)量還和被恢復(fù)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(fù)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(yīng)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)。考慮到這個因素，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)，而且還和信道的錯誤率(丟包率)以及終端錯誤恢復(fù)技術(shù)相關(guān)。將其作為衡量視頻包是否應(yīng)當(dāng)予以重傳的準(zhǔn)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(dāng)前信道狀況和解碼端所采用的錯誤隱藏算法，預(yù)先判定每一部分的出錯恢復(fù)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(fù)。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。對吞吐效率，其形式表示如下：
    η=rs／Bs (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(fù)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?。籶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(biāo)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評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評價視頻傳輸系統(tǒng)，相應(yīng)的B-D關(guān)系可以表述為：
   
    式中：γ，σ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(xì)編碼方式編碼，這里理想是指比特流按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(dāng)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，為了評估方便，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。
    為了更全面評價本算法的性能，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(fù)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(fù)雜程度較高的Mobile以及運動程度較低的Akiyo序列作為評測序列。表1是對這三個測試序列在QP=14，16，20，22，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(fù)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(yīng)關(guān)系不難看出，重發(fā)率越高，則對應(yīng)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評價。從實驗結(jié)果可以看出，該機制相對于其他方法而言，在保證終端接收質(zhì)量基本不變的情況下，能有效地降低傳輸需用的帶寬。此外，從對不同序列的測試結(jié)果可以看出，本文所提機制對運動較為平緩，紋理相對單一的序列的傳輸更為有效，尤其是目前帶寬嚴(yán)重受限的無線視頻傳輸中更為明顯。另外，文章所提算法是一種開放性的框架算法，其他容錯算法性能的提高，將進一步促進該算法性能的提高。不足之處在于僅考慮了壓縮后碼流的傳輸，未能將編碼端控制也綜合進來。所以，從整體上而言，這里所提機制仍然是局部的優(yōu)化。需要進一步利用所提出的B-D概念和關(guān)系式，進一步從信源一信道一傳輸聯(lián)合優(yōu)化上開展研究。