无线视频监控传输技术解析
张源峰 2010/01/15
引言
近年来，图像监视成为监视领域所应用的主要手段，以往的有线图像监视系统往往面临着需要铺设大量的地上、地下设备线路，成本高，施工周期长等诸多问题。随着计算机通信技术和网络技术的快速发展，无线网络技术已成为计算机网络中一个至关重要的组成部分。在这个背景下，图像传输无线化打破了传统同轴电缆和光纤图像监视受制于硬件连接的不利局面，具有更强的灵活性和方便性，基于无线网络的视频监视系统应运而生。无线视频传输技术的发展已对无线移动网络的架构和协议产生了深远的影响，但由于无线信道带宽资源有限，干扰因素多，而视频信号数据量大，实时性要求高等问题。因此如何在无线网络环境中高效地传输视频成为人们的研究热点。
1.无线视频传输技术的发展现状
随着信息社会的发展，人们对安防监控的要求越来越高，除集中地党政机关、企事业单位外，如在海上、山地、矿井、地下室等复杂的环境而无法实现有线网络架设的地方。都需要实现安防视频监控，这就需要用到无线视频传输技术。
目前，市场上无线视频传输技术大多采用GPRS和CDMA技术。而GPRS传输带宽不足，传输视频每秒只有几帧，且出现应急事件时容易出现断点和无线接收的死角。CDMA传输同样存在这样的缺陷，其下行带宽是153kb／s，上行带宽是70～80kb／s，因而传输流畅的视频基本上不可能实现。由于图像只有几帧，以抓图的形式来传输，并且为小画面尺寸。显然，这样不能够满足视频监控系统的实时应用需求。对于微波(数字微波、扩频微波)，无线局域网(WLAN，802．11(a．b，g))等技术的其他较高的无线传输方案，其实现视频编码以MPEG-2／4，H．264等为主。但它们大多都存在共同的问题，即只能做到通视传输、定向传输，并且难以支持移动传输，从而限制了在视频监控系统的应用，无线视频监控系统结构如图1所示。
监控系统一般采用低传输帧率而保证传输的清晰度，因为只有MPEG-4的CIF以上的图像清晰度才可以满足调查取证的需要。因此，无线传输技术要在监控系统中得到充分的发挥绝对优势，应该满足：能在非可视和有阻挡的环境中应用；适于高速移动中无线传输实时图像；适于传输高带宽、高码流、高画质的音视频；有优异的抗干扰、抗衰落能力。实际中，无线视频实时传输主要有两个概念：一是移动中传输；二是宽带传输。因此，研制能够将频带很宽的高清晰度视频进行稳定的无限视频传输系统，数据传输机制优化是需要解决的关键问题之一，无限链路的带宽资源有限，这种局限性在海量视频传世中体现尤为明显。在此，针对无线视频传输系统中数据传输机制的容错性展开相应的研究，旨在解决无线视频传输中带宽资源有限和视频数据量大这一矛盾，充分利用视频信号的时空相关性来节省由于不必要的重传而带来的带宽资源浪费。通过利用带宽一失真代价函数的概念来评价无线视频传输系统。在此基础上进一步给出基于带宽一失真代价最小化准则的部分重传错误控制机制，进而提高带宽的利用率，并进行相应的实验分析。
2.无线视频传输机制分析与容错传输技术
可靠信道上信号传输研究的目的是充分利用信道的带宽资源；而对于不可靠信道，传输中研究的重点则是充分利用带宽资源来实现可靠传输，即容错传输技术。这里讨论在无线信道上的视频传输机制，其主要的研究点是容错传输控制。容错传输控制技术根据其控制方式的不同可以分为三大类：即前向错误控制、基于反馈的ARQ和信源信道联合编码。前向错误控制(ForwardErrorControl，FEC)包括信道纠错编码技术、交织打包技术和优化的包调度机制等。基于反馈的ARQ技术包括利用多帧参考机制的参考帧选择(ReferencePicture
Selection，RPS)机制、混合ARQ(Hybrid，HARQ)机制和基于ARQ的反馈错误跟踪技术。由于基于ARQ的容错传输控制技术具有优良的性能，所以在此重点介绍ARQ相关的传输控制技术，并讨论现有视频容错传输机制存在的不足。
前向错误控制采用前向纠错编码的方式来克服信道错误。在信道出错概率波动比较剧烈的情况下(如现有的移动信道)，为了获得一定的传输质量，前向纠错编码必须根据当前估计的最差情况来增加冗余校验比特，这会导致带宽资源的浪费。对带宽资源本来就有限的无线信道而言，显然是不能满足要求的。为此，考虑把ARQ技术和前向错误控制结合起来，称为HARQ技术。HARQ分为两类：I类HARQ中，发送端的前向编码要具有一定的纠错能力，当接收端发现错误后，首先利用前向纠错编码来纠正错误。如果错误被纠正，则向发送端传送一个当前包接收成功的反馈信息(ACK)，反之则发送接收失败消息(NACK)。发送端如果收到ACK，则继续发送下一个数据包，否则，则重发出错的数据包。由此可见I类ARQ需要较强的前向纠错编码，在错误率较低的应用场合会导致带宽资源的浪费，但在错误率高的环境下能够获得比其他类型ARQ机制更好的吞吐效率。Ⅱ类ARQ中只要求前向纠错编码具有检错能力即可，根据关于信道编码纠错能力的理论可知，这可以起到节约带宽的作用。当接收端发现错误后，发送重传请求；发送端只传送出错数据对应的具有纠错能力的校验码。当接收端收到后，如果仍然不能纠正错误，则继续发送重传请求，发送端可以选择重传整体出错数据和校验码，也可以选择发送更强纠错能力的校验码，具体因控制策略不同可有所调整。鉴于无线信道错误率高，具有反馈信道的无线传输通常采用HARQ-I。图2显示了采用HARQ-I的无线视频传输系统，图中虚线框代表了传输中错误控制的流程。根据HARQ-I的设计原理，接收端发现错误后，首先进行前向错误纠正(图中第一层错误屏障)，如果不能纠正且当前系统满足时延限制，则发送ACK请求来让发送端重传出错部分的数据(第二层错误屏障)。这样的重传可以重复到接收端收到正确的数据或者重传延迟超出系统时延限制为止。如果重传结束后仍然不能得到正确的数据包，在接收端就会用错误隐藏技术来进行错误恢复(第三层错误屏障)。可以看出，这种机制的基本思想是出错后尽量使用ARQ技术来恢复错误，所以这里将其命名为“尽力而为”ARQ机制(BestEffortARQ，BEA，RQ)。
由于视频信号具有较强的时空相关性，而且编码端并不能完全去除这种相关性，使得解码端能够利用这些残留的相关来恢复一定质量的视频。恢复的质量还和被恢复部分的纹理以及运动密切相关，一般而言，对纹理比较平缓和运动比较单一的部分，恢复效果要好于其他情况。在这种情况下，如果利用BEARQ来重传这部分视频，显然会造成带宽上的浪费。
为了克服这种带宽上的浪费，在实际应用中，由于信道的错误率和重传次数有密切的关系，而每次重传都要耗费一定带宽，所以成功传输一个数据包需要的带宽和信道错误率相关。考虑到这个因素，利用带宽一失真代价函数的概念，其核心思想是：在一定的丢包率、信道带宽和传输延迟限制条件下，终端视频的接收质量和传输中所用的带宽不仅和视频信源的率失真性能相关，而且还和信道的错误率(丢包率)以及终端错误恢复技术相关。将其作为衡量视频包是否应当予以重传的准则。在此基础上，采用优化的端对端传输机制，该机制中通过在编码端根据当前信道状况和解码端所采用的错误隐藏算法，预先判定每一部分的出错恢复模式，解码端根据这个模式信息来决定采取ARQ还是错误恢复。这样就有效避免了由于不必要重传而带来的带宽资源浪费，提高了系统带宽使用效率。
在文中提出了有损信道视频传输中的带宽一失真(Bandwidth-Distortion，B-D)模型，该模型是R-D模型在考虑了信道错误后的对偶模型，有着和R-D相近的形式。一个视频传输系统，其性能主要从两个方面来衡量：吞吐效率和接收端重建失真。对吞吐效率，其形式表示如下：
η=rs／Bs (1)
式中：rs表示信源编码得到的比特；Bs表示成功传输rs比特信源数据实际耗用的带宽资源。对一帧编码好的视频图像，其源编码比特已经确定，所以，式(1)中的吞吐效率将只取决于所耗用的带宽资源Bs。对接收端重建失真，由于在传输出错的情况下可能会采取重传和解码端后处理恢复的手段，最终的失真将依赖于信道本身。对于吞吐效率和接收端重建失真之间的关系，理论上可以得到如下几个关系式：
式中：ds表示最终终端接收的失真；ds表示源编码失真。
式中：Pr(·)表示概率大小；p为信道某时刻的平均丢包率。式(2)说明了对于任意错误率小于1的信道，只要带宽资源(包含了允许延迟)足够大，终端就可实现无错接收。式(3)说明了在一定错误率p和一定传输机制前提下，终端接收失真和所耗用的带宽呈反向增长。对于视频传输系统而言，优化的主要目标是吞吐率尽可能高的同时使得终端失真尽可能小。而从上面两个方面的分析可以看出，这两个方面呈反比例增长。显然，只考虑其中任何一方都不能实现传输性能上的最优，因而需要提供一种新的评价方法来折衷它们二者的关系。综合以上分析，采用B-D代价函数来综合以上两个方面的因素来评价视频传输系统，相应的B-D关系可以表述为：
式中：γ，σ是与信源本身相关的统计量，对特定的视频图像，它们可以视作常量。图像按照理想意义下的逐步精细编码方式编码，这里理想是指比特流按照率失真性能重要性进行从高到低排序，并且随处截断均满足理想率失真关系，即：
式中：di是ri比特解码后得到重建图像的失真。不失一般性，假设压缩后的图像数据按照相等大小的包进行发送，对某时刻的信道而言，每个包的丢包率为p，一个包的平均重传次数可以计算为：
式中：rg是指出错的部分被正确重传到接收端的比特数。当r0≥(1-p)r+pr／(1-p)时，所有出错的比特都实现了重传，所以终端接收失真等于编码端失真。否则，则按照式(7)中的两个关系式，即可得到d0关于r0的表达式(5)。确立了上述关系后，结合相关的容错平台，设计出基于B-DCost的反馈重发机制，其原理框图如图3所示。
3.无线传输容错控制机制性能测试分析
针对上节提出的重发机制和算法原理，为了评估方便，不失一般性，在实验中假设最大重传次数为1。从上文可知，允许重传次数越多，则对同样的终端接收失真而言，BEARQ机制从B-D性能来看也就会越差，而这里设计的重发机制相对于BEARQ的B-D性能提高也就越明显。
为了更全面评价本算法的性能，对不同测试序列在同样丢包率情况下对本章的机制进行性能测试。考虑到影响本章算法性能的包括序列的纹理复杂程度以及运动剧烈程度。这里利用运动较为剧烈但纹理相对较单一的Foreman序列，纹理复杂程度较高的Mobile以及运动程度较低的Akiyo序列作为评测序列。表1是对这三个测试序列在QP=14，16，20，22，丢包率为3％的情况下前100帧做的统计，其中出错Slice个数为24，则出错宏块总数为24×11=264。令NMB=264，则根据模式判决结果，即可得到对重发率的统计。
从表1中可以看出：对同一序列，不同QP(也就是不同码流率)下重发率不同，QP越大，则其重发率呈下降趋势，这和前面实验中在低比特率情形下性能好这一结果相吻合；对不同序列，重发率之间存在着很大的差别，这也意味着在相对于BEARQ算法，本文提出的机制在B-D性能上的提高，不同特性的序列之间存在着较大的差别。为了进一步验证实验结论，进一步针对该测试结果下的B-D性能做统计分析，结果如图4～图6所示。
将图4～图6对比可以看出，对于运动程度很低且纹理相对平缓的Akiyo序列来说，相对尽力而为ARQ机制，本文的机制在3％的丢包情形下可以节省20％以上的带宽。而对运动较为剧烈的Foreman序列来说，则只能节省4%的带宽。对纹理很复杂的Mobile序列，本文的算法相对于BEARQ，带宽仅节省不到1％。从表1的重发率和图4～图6的对应关系不难看出，重发率越高，则对应B-D性能的改善程度就越低。因此可以说实验仿真表明了本文提出的传输控制算法，能够在保证视频接收质量的同时，有效降低传输所用带宽。
4.结语
这里对所提无线视频监控传输机制进行性能测试和评价。从实验结果可以看出，该机制相对于其他方法而言，在保证终端接收质量基本不变的情况下，能有效地降低传输需用的带宽。此外，从对不同序列的测试结果可以看出，本文所提机制对运动较为平缓，纹理相对单一的序列的传输更为有效，尤其是目前带宽严重受限的无线视频传输中更为明显。另外，文章所提算法是一种开放性的框架算法，其他容错算法性能的提高，将进一步促进该算法性能的提高。不足之处在于仅考虑了压缩后码流的传输，未能将编码端控制也综合进来。所以，从整体上而言，这里所提机制仍然是局部的优化。需要进一步利用所提出的B-D概念和关系式，进一步从信源一信道一传输联合优化上开展研究。
现代电子技术
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