摘  要： 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。

　　關(guān)鍵詞： 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(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，并針對視頻監(jiān)控系統(tǒng)這一實(shí)際應(yīng)用場景，對魯棒孤子分布（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，當(dāng)其接收的編碼符號數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，即可譯出所有源符號，不需關(guān)心接收到編碼符號的序號。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。

　　1.1 LT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，表示為源符號矩陣，即：

　　S=[s1，s2，…，sk]（1）

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

　　ρ（d）=P{d=i|i∈Z，1≤i≤k}（2）

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

　　將生成的n個(gè)編碼符號表示為編碼符號矩陣，即：

　　E=[e1，e2，…，en]（4）

　　其中，生成某個(gè)編碼符號ej所選擇的源輸入符號的位置可用生成向量j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)位置的源符號未被選中進(jìn)行編碼。將n個(gè)編碼符號的生成向量?琢j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(guān)系為：

　　E=S·G（7）

　　1.2 LT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，就可高概率地將k個(gè)源數(shù)據(jù)符號全部恢復(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：

　?。?）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(jìn)行異或運(yùn)算，得到新的編碼符號來代替原編碼符號，并令這些參與運(yùn)算的編碼符號度數(shù)減1。

　?。?）不斷重復(fù)上述兩個(gè)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(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

　　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，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。

　?。?）魯棒孤子分布

　　其中，，c為“一個(gè)適當(dāng)?shù)膮?shù)”，δ為解碼器接收到一定數(shù)目編碼符號時(shí)，可以接受的譯碼失敗概率的上限。

　　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。

　　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(jìn)行噴泉碼編譯碼的流程如圖2所示。

　　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。噴泉碼編碼器對某一數(shù)據(jù)塊中的k個(gè)源符號進(jìn)行編碼，生成n個(gè)編碼符號，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。流媒體服務(wù)器在收到足夠的編碼符號并成功解碼時(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象。現(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(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)。

　　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)。

　　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(gè)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?yàn)樗母淖儗幋a符號度數(shù)為1的概率影響不大。

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。考慮到視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中對數(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。

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