基于ARM和網絡編碼的網絡監控視頻傳輸技術

章廣志+周鳳+孫曉霞+張繼山

摘 要：網絡編碼技術可以極大地提高多播網絡的吞吐量，同時能提高網絡的魯棒性。為了提高基于ARM芯片的網絡監控系統的數據傳輸速率，可以利用網絡編碼技術對視頻數據進行多播傳輸。該方案顯著提高了視頻監控網絡數據的傳輸速率，文章就此進行了探討。

中圖分類號：TP314文獻標識碼：A收稿日期：2017-05-19

網絡視頻控制系統是一種遠程監控實現方案。用戶能夠通過Internet網絡實時觀看監控終端的監控畫面。網絡視頻監控的傳輸系統不需要構建專門的傳輸線路，節省了線纜的布置費用，同時可以跨地區、遠距離布置監控系統。但因為網絡視頻監控傳輸時經由外部Internet網絡，傳輸質量有時難以得到保證，所以，構建安全通暢的網絡視頻監控解決方案至關重要。

如果想解決以上問題，網絡編碼是一個很有價值的技術。視頻傳輸的瓶頸就是傳輸碼率太低，而視頻的數據量比文字、音頻等數據量大很多，這就對數據的傳輸和分發造成一系列問題。比如吞吐量太低，浪費傳感器節點能量。

本文從兩個方面利用網絡編碼技術來提升視頻數據傳輸的效能。一是利用網絡編碼提高視頻傳輸網絡的吞吐量，提高碼率，節省能量；二是通過有效的網絡編碼編解碼優化技術來降低視頻節點用于網絡編碼運算的能量，進一步優化網絡編碼實現技術。

1.隨機線性網絡編碼

網絡編碼的核心思想就是允許并提倡網絡的中間節點對信源消息進行中間的加工。通過Jaggi-Sanders算法可以實現確定性網絡的網絡容量的上限。通過隨機網絡編碼算法可以實現非相干網絡的多播容量上限。網絡編碼技術是信息論的一個大發展，也是一種突破。

2.隨嵌入式視頻網絡傳輸方案

（1）嵌入式平臺實現方案。ARM9平臺基礎上整合關于視頻監控的Linux軟件，系統基于Arm9的2410平臺和嵌入式Linux操作系統制作，搭建了一個網絡視頻服務器，可以在瀏覽器里輸入監控終端的網址或者域名進行實時視頻監控調取。目前網絡化的視頻監控大多是基于局域網傳輸，終端大多是基于成熟的需要微軟版權授權的WinCE系統，成本偏高。本技術方案預期實現Internet環境下的視頻傳輸，終端操作系統采用開源的Linux內核，降低成本。

（2）網絡視頻系統與網絡編碼技術的數據融合路徑。網絡編碼主要在兩個方面上應用于視頻系統。一是服務器對自己管轄的監控節點的數據分發。服務器對自己管理監控節點下發的管理數據一般來講都是大致相同的，可以近似為一個多播系統，這是網絡編碼的經典應用場景—多播。二是不同于局域網的視頻監控，對某一個視頻監控終端，查看方可能不止一個，網絡上任何一個人都可以利用網址登錄該視頻監控節點，隨時查看實時動態的視頻內容。

3.網路編碼在監控視頻傳輸中的具體實現

這里主要討論具體實現中關鍵技術細節和應該注意的問題。

（1）網絡編碼方案。將分發的文件分成m份，每份有n個字符。字符為選定有限域F上的一個元素，F的大小采用經典數值256，即一個字節大小的8次方。證明在此有限域下，解碼成功率可達到99%以上，已經足夠工程實踐的要求。256也是最近很多網絡編碼具體實現方案經常采用的有限域大小。

（2）運算優化技術。如上文所述，網絡編碼的運算量很大，如何優化編解碼成為網絡編碼實際運用的一個關鍵環節。這里我們采用比較常見的系統向量技術和稀疏網絡編碼技術。系統向量使得解碼運算的運算量大大降低。稀疏網絡編碼技術使得整個編碼矩陣在保證矩陣滿秩的前提下，大部分矩陣值為0，有限的非0數據又恰到好處地保證了解碼的順利進行。這兩種技術有效地保證了運算量的降低，特別適合運算能力有限的視頻監控節點。

本文利用網絡編碼技術來進行視頻監控數據的傳輸。實驗結果表明，此方案有效地提高了視頻傳輸系統的數據傳輸速率，同時降低了監控節點的能量消耗。

參考文獻：

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