基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸方法

馬憲敏

(黑龍江外國語學(xué)院 信息工程系，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引言

隨著運動視頻傳輸系統(tǒng)實際應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，所傳輸?shù)倪\動視頻內(nèi)容的安全保護逐漸受到人們的關(guān)注。目前的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)通常采用高分辨率的傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)視頻幀的傳輸[1]。在進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，由于受到誤碼擾動以及鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制多徑因素的影響，會導(dǎo)致運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩暂^差[2]，因此，需要對運動視頻數(shù)據(jù)傳輸過程進行優(yōu)化設(shè)計，建立運動視頻數(shù)據(jù)的安全信道輸出模型，提高運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕档洼敵稣`碼。

目前，已有專家學(xué)者在該領(lǐng)域提出了一些較為成熟的研究結(jié)果，針對運動視頻數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)姆椒ㄖ饕蠴FDM擴頻方法、MUSIC方法和分數(shù)間隔均衡控制方法等等[3-4]。文獻[5]中提出了一種在運動感知環(huán)境下的基于緩存的自適應(yīng)視頻流安全傳輸方法。該方法利用 MA-BBA算法，根據(jù)片段運動級別確定碼率映射函數(shù)，賦予運動強度高的視頻數(shù)據(jù)較高的碼率，賦予運動強度低的視頻數(shù)據(jù)較低的碼率，使得運動視頻數(shù)據(jù)處于安全環(huán)境，直接通過數(shù)據(jù)緩存變化量與碼率的映射函數(shù)選取合適的碼流傳輸方式。該方法雖然具有較強的自適應(yīng)性，但是對運動強度的判斷標(biāo)準(zhǔn)不明確，使得映射函數(shù)的選擇不準(zhǔn)確，導(dǎo)致傳輸過程誤碼率較高。文獻[6]中提出了一種機會網(wǎng)絡(luò)中視頻分塊隨機集中傳輸方法，該方法在時間軸上調(diào)節(jié)運動視頻分塊的分布情況，建立分塊緊缺度模型，引導(dǎo)分塊在目標(biāo)節(jié)點趨于均勻分布，滿足了食品數(shù)據(jù)在快速接收時間軸上的隨機分布、內(nèi)容上連續(xù)且數(shù)量較多的視頻段的需求，同時也能夠有效引導(dǎo)視頻塊的傳輸，在很大程度上避免傳輸過程受鏈路多徑的影響，然而該方法的自適應(yīng)均衡性不好，影響了運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院透咝浴Ｎ墨I[7]中提出了一種多通道高速視頻數(shù)據(jù)安全傳輸方法。該方法以CPU作為運動視頻傳輸過程的控制中心，利用現(xiàn)場可編程門陣列中的編程輸入輸出單元和可配置邏輯塊配合高速串行收發(fā)器，實現(xiàn)多通道的高速視頻數(shù)據(jù)的傳輸。然而由于該方法缺少數(shù)據(jù)鏈路的均衡控制，導(dǎo)致傳輸過程的誤碼率較高。

通常來說，對運動視頻數(shù)據(jù)的安全傳輸是建立在信道的均衡調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，通過信道均衡配置，能夠使運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ嫘院蛡鬏斝实靡蕴岣摺Ｍ瑫r，由于條件隨機場模型綜合了最大熵模型與隱馬爾可夫模型的優(yōu)點，在識別、標(biāo)注等方面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，針對當(dāng)前方法中存在的問題，本文考慮利用條件隨機場模型來保證運動視頻數(shù)據(jù)的安全傳輸，提出一種基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸方法。主要貢獻點如下。

(1)構(gòu)建調(diào)制模型使得運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)男诺栏泳猓诖嘶A(chǔ)上采用隨機鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制方法對數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路進行均衡調(diào)制；

(2)利用條件隨機場模型對運動視頻傳輸過程進行分簇聚類設(shè)計，通過控制波特間隔的均衡性實現(xiàn)運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸過程的調(diào)制解調(diào)處理；

(3)通過實驗結(jié)果證明了本文方法在提高運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸能力方面的優(yōu)越性能。

1 運動視頻數(shù)據(jù)傳輸信道均衡設(shè)計

1.1 安全傳輸信道模型

為了實現(xiàn)運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸，首先構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)男诺谰饽Ｐ停捎秒S機鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制方法進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路均衡調(diào)制。采用信息傳輸帶寬調(diào)節(jié)控制方法構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾S機擴頻序列模型[8]，得到運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾x散信號為x，采用多頻頻移鍵控(MFSK)構(gòu)建運動視頻傳輸數(shù)據(jù)的比特序列x(n)，經(jīng)離散傅里葉變換后，用X=DFT{x}表示運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘捎妹}寬調(diào)制方法進行特征分解，構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾S機轉(zhuǎn)發(fā)序列為x，采用無線擴頻技術(shù)進行運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)男诺谰饪刂芠9-10]，利用運動視頻數(shù)據(jù)傳輸信道的頻域特性進行多徑擴展，得到運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)計信息特征量為式(1)。

X=[X(0),…,X(N-1)]

(1)

(2)

其中，N表示運動視頻數(shù)據(jù)的長度;J表示幀的頻率;C(j)表示帶寬。在信息脈沖持續(xù)時間內(nèi)得到運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺滥Ｐ停O(shè)原始輸入的運動視頻數(shù)據(jù)的多徑特征序列為x=[x(0),…,x(N-1)]，其中x(n)為有限長的運動視頻數(shù)據(jù)模型，0≤n≤N-1，則運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺滥Ｐ偷谋磉_式為式(3)。

(3)

其中，0≤k≤N-1，表示運動視頻數(shù)據(jù)的長度，采用信道均衡控制方法，實現(xiàn)運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸信道均衡調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制。

1.2 波特間隔均衡模型

在構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)男诺谰饽Ｐ偷幕A(chǔ)上，采用隨機鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制方法進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路均衡調(diào)制，并建立運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ亻g隔均衡模型，對輸入的運動視頻數(shù)據(jù)的碼元n的自相關(guān)函數(shù)進行z變換得到nz，分析運動視頻數(shù)據(jù)傳輸信道的多徑特征，采用信號自動檢波方法進行運動視頻數(shù)據(jù)的包絡(luò)特征檢測[12-14]，將一個運動視頻數(shù)據(jù)分為若干個時隙，對運動視頻數(shù)據(jù)進行波譜特征檢測，得到檢測結(jié)果為式(4)。

(4)

其中，β表示輸入的運動視頻數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)特征量，介于0和1之間。結(jié)合波特均衡調(diào)制方法，構(gòu)造運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ亻g隔均衡模型，表示為式(5)。

(5)

對運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄U頻信道進行帶寬擴展，在信息脈沖持續(xù)時間內(nèi)得到運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)母唠A統(tǒng)計特征量為s(t)=[s1(t),s2(t),…,sq(t)]T，干擾分量為n(t)，兩者是相互獨立的，用Pj描述運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖V密度，{P1,P2,…,Pj}是脈位調(diào)制序列，與n(t)具有獨立同分布性，采用多徑信號的調(diào)制解調(diào)方法，進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖V增益調(diào)節(jié)，運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺栏蓴_為n(k)，其中干擾信息分量的實部nr(k)和虛部ni(k)分別為獨立的白噪聲，根據(jù)上述分析，采用波特間隔均衡控制方法，進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺谰饪刂疲敵龅膸挒閏(j)，在波特間隔均衡調(diào)節(jié)下，利用多徑干擾的能量分布進行自適應(yīng)控制[15]，提高運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2 運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸優(yōu)化控制

2.1 條件隨機場模型

在上述進行運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)男诺谰庠O(shè)計基礎(chǔ)上，進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩O(shè)計，本文提出一種基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸方法。令運動視頻數(shù)據(jù)的調(diào)制碼元為Mq(q=1,2,…)，利用碼元之間的不相關(guān)性，計算分簇鏈路稀疏性配置系數(shù)，并對當(dāng)前時刻的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸通道進行同步解調(diào)處理[16]。采用隨機碼元寬度調(diào)節(jié)方法，進行運動視頻序列傳輸?shù)募訖?quán)調(diào)節(jié)，得到加權(quán)值為式(6)。

W=λ-1Mq

(6)

其中，λ表示加權(quán)系數(shù)。根據(jù)接收到的擴頻信號的抽頭延遲進行自適應(yīng)控制[17]，在中頻調(diào)制信號約束下，采用直擴系統(tǒng)構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)臈l件隨機場模型，如圖1所示。

圖1 運動視頻序列傳輸?shù)臈l件隨機場直擴系統(tǒng)模型

根據(jù)上述分析，構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾S機場分布模型，其模型表達式為式(7)。

(7)

結(jié)合空間均衡調(diào)度方法，進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珎鬏數(shù)恼{(diào)制解調(diào)處理。

2.2 運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸幀向量提取

在條件隨機場模型中，假設(shè)運動視頻序列的信源分布為a(t)，碼元速率為Ra，運動視頻序列的碼元寬度為Ta，Ta=1/Ra，計算信號通頻帶內(nèi)的干擾功率，采用沖激響應(yīng)調(diào)節(jié)方法[18-19]，構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸櫮Ｐ蜑槭?8)。

(8)

根據(jù)上述分析，得到運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹睌U頻譜分布示意圖，如圖2所示。

圖2 運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹睌U頻譜分布示意圖

采用波特間隔均衡調(diào)節(jié)模型進行數(shù)據(jù)傳輸過程中的調(diào)制解調(diào)處理，提取運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膸蛄繛槭?9)。

(9)

綜上分析，根據(jù)提取的運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膸蛄浚M行運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸控制，實現(xiàn)運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)木庹{(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸方法具體步驟

① 構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸信道均衡模型，通過頻域特性進行多徑擴展得到視頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息特征量，再利用隨機鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制方法進行鏈路均衡調(diào)制；

② 結(jié)合波特均衡調(diào)制方法建立運動視頻數(shù)據(jù)傳輸過程的波特間隔均衡調(diào)節(jié)模型，對運動視頻數(shù)據(jù)進行波譜特征檢測，利用多徑干擾的能量分布進行自適應(yīng)控制；

③ 采用條件隨機場模型對運動視頻傳輸過程進行分簇聚類設(shè)計，實現(xiàn)運動視頻數(shù)據(jù)傳輸過程的調(diào)制解調(diào)處理；

④ 采用沖激響應(yīng)調(diào)節(jié)方法構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸櫮Ｐ停崛∵\動視頻數(shù)據(jù)的幀向量，實現(xiàn)運動視頻數(shù)據(jù)的安全傳輸。

3 實驗與結(jié)果分析

為了測試上述基于基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸方法在實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸中的應(yīng)用性能，進行仿真測試分析。

3.1 實驗條件設(shè)置

為增加實驗的有效性和對比性，將所提的基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸方法與文獻[5]中的運動感知環(huán)境下的基于緩存的自適應(yīng)視頻流安全傳輸方法、文獻[6]中的機會網(wǎng)絡(luò)中視頻分塊隨機集中傳輸方法、文獻[7]中的多通道高速視頻數(shù)據(jù)安全傳輸方法進行對比。

3.2 實驗指標(biāo)

實驗中選取的主要實驗指標(biāo)如下。

① 輸出結(jié)果峰值信噪比：信噪比表示在輸出結(jié)果中有效信號與噪聲信號所占的比例，信噪比的值越高，證明輸出結(jié)果中有效信號越多，其計算過程為式(10)。

(10)

式中，Ps和Pn分別表示有效信號和噪聲的功率值。

② 傳輸誤碼率：根據(jù)傳輸誤碼率可以判斷數(shù)據(jù)傳輸方法的傳輸準(zhǔn)確性，計算過程為式(11)。

(11)

③ 數(shù)據(jù)召回率：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，傳輸?shù)馁|(zhì)量可以通過數(shù)據(jù)召回率來體現(xiàn)，即數(shù)據(jù)召回率越低，傳輸質(zhì)量越高。

3.3 實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸性能測試，得到待傳輸?shù)倪\動視頻數(shù)據(jù)的幀序列如圖3所示。

圖3 待傳輸?shù)倪\動視頻數(shù)據(jù)的幀序列

以圖3的運動視頻數(shù)據(jù)的幀序列為研究對象，采用條件隨機場模型進行運動視頻傳輸過程中的分簇聚類設(shè)計，實現(xiàn)運動視頻的特征提取和傳輸優(yōu)化，得到提取結(jié)果如圖4所示。

(a)視頻數(shù)據(jù)1

通過上述對運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣魈崛『蛥?shù)估計，實現(xiàn)傳輸信道均衡配置，測試運動視頻傳輸?shù)妮敵龇逯敌旁氡龋玫綔y試結(jié)果如圖5所示。

(a)視頻數(shù)據(jù)1

分析圖5得知，采用本文方法進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵龇逯敌旁氡容^高，說明輸出誤碼率較低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ嫘暂^好，具有很好的運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸能力。

為進一步測試基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸方法的有效性，測試不同數(shù)據(jù)傳輸方法的傳輸誤碼率和數(shù)據(jù)召回率，得到的對比結(jié)果如圖6和表1所示。

圖6 不同傳輸方法的誤碼率對比

表1 不同傳輸方法的數(shù)據(jù)召回率對比/%

通過圖6所示結(jié)果可知，隨著實驗迭代次數(shù)的不斷增加，不同視頻數(shù)據(jù)傳輸方法的傳輸誤碼率也在不斷發(fā)生變化。可以看出，所提的基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸方法的傳輸誤碼率值也始終低于另外3種方法，證明采用所提方法能夠準(zhǔn)確對運動視頻數(shù)據(jù)進行安全傳輸。

分析表1可知，隨著迭代次數(shù)的增加，不同數(shù)據(jù)傳輸方法的數(shù)據(jù)召回率也在隨之變化。文獻[5]方法的數(shù)據(jù)召回率在4種方法中波動最大，本文所提的基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸方法的數(shù)據(jù)召回率在4種方法中始終保持最低，證明所提方法的傳輸質(zhì)量最高。

4 總結(jié)

對運動視頻數(shù)據(jù)傳輸過程進行優(yōu)化設(shè)計，建立運動視頻數(shù)據(jù)的安全信道輸出模型，有利于提高運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕档洼敵稣`碼。本文提出一種基于條件隨機場模型的運動視頻數(shù)據(jù)傳輸方法，采用信息傳輸帶寬調(diào)節(jié)控制方法構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾S機擴頻序列模型，采用隨機碼元寬度調(diào)節(jié)方法，進行運動視頻序列傳輸?shù)募訖?quán)調(diào)節(jié)，構(gòu)建運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸櫮Ｐ停捎脳l件隨機場模型進行運動視頻傳輸過程中的分簇聚類設(shè)計，結(jié)合波特間隔均衡控制方法提取運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膸蛄浚M行運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸控制，實現(xiàn)運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)處理。研究得知，采用本文方法進行運動視頻數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)淖赃m應(yīng)性較好，誤碼率較低，輸出的峰值信噪比較高，提高了運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕哂泻芎玫膽?yīng)用價值。

然而，在利用該方法進行運動視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中耗能較大、耗時較長，因此，在未來的研究階段，將在減少傳輸耗能、縮短傳輸時長兩個方面對該方法進行進一步優(yōu)化。