專利名稱：基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠性視頻傳輸方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及視頻傳輸方法及裝置，特別是一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼 的可靠性視頻傳輸方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著不同用戶同時(shí)訪問網(wǎng)絡(luò)資源需求的不斷增加，無線及有線網(wǎng)絡(luò)的視頻多播技 術(shù)發(fā)生了革命性飛躍，但是視頻質(zhì)量仍然受到有限的吞吐量、丟包以及不可預(yù)知延時(shí)的較 大影響。傳統(tǒng)的提高視頻質(zhì)量的方法是采用前向糾錯(cuò)編碼對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)保護(hù)。該方 法通過生成冗余數(shù)據(jù)包以保護(hù)源信息使系統(tǒng)能夠恢復(fù)已丟失的數(shù)據(jù)，但是當(dāng)丟失的數(shù)據(jù)包 數(shù)量超過前向糾錯(cuò)編碼的糾錯(cuò)能力時(shí)，該方法不能保護(hù)源節(jié)點(diǎn)信息。與前向糾錯(cuò)編碼相比， 網(wǎng)絡(luò)編碼在提高視頻傳輸質(zhì)量方面具有更大的優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)編碼是一種融合了路由和編碼的 信息交換技術(shù)，它的核心思想是在網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)上對接收到的信息進(jìn)行線性或非線性處理 后，將其轉(zhuǎn)發(fā)給下游節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)在收到信息后通過一定的處理方式，譯出信源所發(fā)送的 fn息ο網(wǎng)絡(luò)編碼主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)第一，通過網(wǎng)絡(luò)編碼可以達(dá)到多播網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖畲罅鹘?，與傳統(tǒng)的路由傳輸方式 相比，網(wǎng)絡(luò)編碼可提高網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸速率，提高帶寬利用率，增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。第二，對于單信源網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼可使每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的信息量達(dá)到信源節(jié) 點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的最大流，并且即使某一節(jié)點(diǎn)接收信息的最大流量小于信源發(fā)送信息的速率， 該節(jié)點(diǎn)用戶也可以接收到信源發(fā)送的部分信息，用戶可在滿足一定失真標(biāo)準(zhǔn)的情況下，利 用接收到的這部分信息進(jìn)行編碼或譯碼。第三，網(wǎng)絡(luò)編碼可增加通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和自適應(yīng)性，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的數(shù)據(jù)具 有同等重要性，因此只要用戶接收到了足夠多的編碼數(shù)據(jù)，就可以利用這些數(shù)據(jù)正確的譯 出所需的信息，當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)未能及時(shí)發(fā)送信息時(shí)，只要有足夠的節(jié)點(diǎn)在工作，數(shù)據(jù)傳輸仍可 正常進(jìn)行。第四，由于網(wǎng)絡(luò)編碼對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性或非線性組合，因此即使網(wǎng)絡(luò)中一個(gè) 或數(shù)個(gè)鏈路遭到竊聽，通過網(wǎng)絡(luò)編碼也可以在一定程度上提高竊聽難度從而保護(hù)信息，可 提高信息的安全性和可靠性。雖然網(wǎng)絡(luò)編碼具有上述優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際傳輸過程中使用網(wǎng)絡(luò)編碼仍具有一定困難。 因?yàn)檫M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí)需要知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，而?shí)際網(wǎng)絡(luò)中信息通常以分組形式進(jìn)行異步 傳輸，每條傳輸鏈路上都可能存在時(shí)延或丟包，因此獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒒驅(qū)⒕W(wǎng)絡(luò)拓 撲信息可靠的傳送到各節(jié)點(diǎn)上是非常困難的。實(shí)際傳輸過程中廣泛使用的方法是隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼方法，該方法在具備網(wǎng)絡(luò)編 碼優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也改善了網(wǎng)絡(luò)編碼的不足之處，即在不知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下仍可通過 中間節(jié)點(diǎn)選擇隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼系數(shù)進(jìn)行編碼，克服了網(wǎng)絡(luò)編碼中由于鏈路上隨機(jī)時(shí)延和丟包造成的拓?fù)湫畔鬏斃щy的缺點(diǎn)，因此隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng) 用，但是目前將隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于視頻傳輸領(lǐng)域的方法尚不多見。例如，美國學(xué)者J. M. Wal sh、S. Weber在2008年的Netcod會(huì)議上發(fā)表的文章 Aconcatenated network coding scheme for multimedia transmission 中提出了一禾中視 頻傳輸方法。該方法有效的結(jié)合了數(shù)字噴泉碼、優(yōu)先傳輸編碼及隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，在網(wǎng)絡(luò) 中間節(jié)點(diǎn)通過異或方法提高丟失信息恢復(fù)的效率，并按重要性遞減的順序傳輸視頻碼流。 相比只采用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的視頻傳輸方法，該方法有效的降低了視頻傳輸?shù)难舆t，并 提高了視頻重建的質(zhì)量，但是同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種編碼方式具有一定復(fù)雜度，會(huì)增加系統(tǒng)的成本 和能耗，因此該方法不能應(yīng)用到實(shí)際的視頻傳輸系統(tǒng)。另外，在基于隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的視頻傳輸方法中，解碼端全局編碼矩陣的秩是 成功解碼的要素之一，但目前已有的基于隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的視頻傳輸方法未考慮此問 題，導(dǎo)致這些方法的性能不佳。由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中存在丟包和時(shí)延，一定時(shí)間內(nèi)解碼端接收到 的信息可能不完全，使得解碼端從這些信息中獲取的全局編碼矩陣的秩只能解碼出部分碼 流，因此從這些碼流中重建圖像時(shí)會(huì)造成其重建視頻序列質(zhì)量的下降。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠性視頻傳輸方法及裝 置，通過設(shè)計(jì)具有非嚴(yán)格下三角結(jié)構(gòu)的全局編碼矩陣進(jìn)行隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，以提高網(wǎng)絡(luò) 的吞吐量、抗丟包能力并減小時(shí)延，最終提高視頻重建質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高可靠性視頻多播以及對 H. ^4/SVC碼流的不等錯(cuò)誤保護(hù)，滿足實(shí)際的視頻傳輸要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠性視頻傳輸方法，包括如下 步驟(1)對原始視頻信息的每個(gè)畫面組進(jìn)行分級視頻編碼，再對進(jìn)行分級視頻編碼的 分層碼流添加相應(yīng)的冗余信息及打包，實(shí)現(xiàn)碼率分配；(2)對碼率分配后的分層碼流進(jìn)行如下隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼2a)設(shè)計(jì)具有非嚴(yán)格下三角結(jié)構(gòu)的全局編碼矩陣為
權(quán)利要求
1.一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠性視頻傳輸方法，包括如下步驟(1)對原始視頻信息的每個(gè)畫面組進(jìn)行分級視頻編碼，再對經(jīng)過分級視頻編碼的分層 碼流添加相應(yīng)的冗余信息及打包，實(shí)現(xiàn)碼率分配；(2)對碼率分配后的分層碼流進(jìn)行如下隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼2a)設(shè)計(jì)具有非嚴(yán)格下三角結(jié)構(gòu)的全局編碼矩陣為'gn 0 …0 _ Sn Sn … 0_SN\ Sni …SNN _其中g(shù)n ^n為網(wǎng)絡(luò)編碼系數(shù)，N為一個(gè)畫面組中包含的數(shù)據(jù)包數(shù)；2b)每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)在全局編碼矩陣中隨機(jī)選擇gn gNN，以生成隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù) 包頭，該包頭信息包括隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼系數(shù)、分層碼流信息、數(shù)據(jù)包所屬層號(hào)；2c)根據(jù)包頭信息中數(shù)據(jù)包所屬層號(hào)確定中間節(jié)點(diǎn)i接收到的所有數(shù)據(jù)包是否屬于分 層碼流的同一層，若為同一層則按照下式對其進(jìn)行線性組合，完成隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼并發(fā) 送至下一節(jié)點(diǎn)η = ^jPi'SXi(J)0J1(0, 其中l(wèi)(i)in為中間節(jié)點(diǎn)i對應(yīng)的全部輸入信道，l(i)。ut為中間節(jié)點(diǎn)i對應(yīng)的全部輸出 信道，k為1 (i)。ut中的任一輸出信道，Pi為節(jié)點(diǎn)i接收到的所有數(shù)據(jù)包，gik為網(wǎng)絡(luò)編碼系 數(shù)，rk為進(jìn)行線性組合后生成的數(shù)據(jù)包，通過信道k傳輸至下一節(jié)點(diǎn)；(3)通過傳輸信道將進(jìn)行隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼后的信息發(fā)送到接收端，在接收端利用高 斯消元法解碼網(wǎng)絡(luò)編碼碼流，并恢復(fù)出原始視頻信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻傳輸方法，其中步驟(1)所述的對分級視頻編碼后的分 層碼流添加相應(yīng)的冗余信息及打包，實(shí)現(xiàn)碼率分配，包括如下步驟la)設(shè)定分層碼流每一層冗余數(shù)據(jù)包數(shù)目A的約束條件m,· mt+l其中Hii為分層碼流每一層的源數(shù)據(jù)包數(shù)，L為已編碼層數(shù)；lb)根據(jù)約束條件通過迭代優(yōu)化方法確定^的最優(yōu)值；Ic)根據(jù)分層碼流每一層的源數(shù)據(jù)包數(shù)Hli及分層碼流每一層冗余數(shù)據(jù)包數(shù)目A確定 分層碼流每一層的數(shù)據(jù)包總數(shù)Hi Iii =Id)將分層碼流每層的冗余數(shù)據(jù)包添加至每層對應(yīng)源數(shù)據(jù)包后，完成信息打包，實(shí)現(xiàn)碼 率分配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟C3)所述的在接收端利用高斯消元法解碼網(wǎng) 絡(luò)編碼碼流并恢復(fù)出原始視頻信息，包括如下步驟3a)將每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收到的信息表示為Y = GXS其中G為全局編碼矩陣，S為原始視頻信息，S由矩陣[P1, PJt構(gòu)成，Y由矩陣[Y ι, · · · Yk]構(gòu)成；3b)將接收到的數(shù)據(jù)包按其所屬層號(hào)由小至大重新排序； 3c)由Y = GXS恢復(fù)出原始視頻信息S = G^1XY0
4.一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠性視頻傳輸裝置，包括(a)分級視頻編碼單元，用于對原始視頻信息的每個(gè)畫面組進(jìn)行分級視頻編碼；(b)碼率分配單元，用于對分級視頻編碼后的分層碼流添加相應(yīng)的冗余信息及打包，得 到分層碼流每層對應(yīng)的最優(yōu)冗余數(shù)據(jù)包數(shù)A及總數(shù)據(jù)包Iii,實(shí)現(xiàn)碼率分配；(c)隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼單元，用于對碼率分配后的分層碼流進(jìn)行隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，該 單元包括以下模塊ca)全局編碼矩陣生成模塊，用于生成具有非嚴(yán)格下三角結(jié)構(gòu)的全局編碼矩陣，矩陣形 式如下
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的視頻傳輸裝置，其中(b)所述的碼率分配單元包括以下模塊ba)長度劃分模塊，用于將原始視頻信息劃分為相同長度的數(shù)據(jù)包；bb)冗余數(shù)據(jù)包數(shù)確定模塊，用于確定進(jìn)行分級視頻編碼后的分層碼流每層添加的冗 余數(shù)據(jù)包數(shù)；be)打包模塊，用于組合原始視頻信息與添加的冗余信息，完成碼率分配。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠性視頻傳輸方法，主要解決一般視頻傳輸方法中因丟包或誤碼造成的接收端視頻重建質(zhì)量下降的問題，其實(shí)現(xiàn)步驟包括對原始視頻信息的每個(gè)畫面組進(jìn)行分級視頻編碼的分層碼流添加相應(yīng)的冗余信息及打包，完成碼率分配；對進(jìn)行碼率分配后的數(shù)據(jù)包利用所設(shè)計(jì)的具有非嚴(yán)格下三角結(jié)構(gòu)的全局編碼矩陣進(jìn)行隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，并通過傳輸信道將編碼后的信息發(fā)送至接收端；在接收端利用高斯消元法解碼網(wǎng)絡(luò)編碼碼流，并恢復(fù)出原始視頻信息。本發(fā)明改善了傳輸過程中因丟包、時(shí)延而造成的接收端視頻重建質(zhì)量下降的問題，可以實(shí)現(xiàn)對H.264/SVC碼流的不等錯(cuò)誤保護(hù)以及高可靠性視頻多播。
文檔編號(hào)H04N7/66GK102065289SQ201010278739
公開日2011年5月18日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者劉婷, 盧冀, 吳成柯, 康瑩, 張冉, 李云松, 杜建超, 肖嵩 申請人:西安電子科技大學(xué)