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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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通过重新配置WMNs的报文信息和控制采样率实现视频流

Vibha.C.Amboji1, Mrs.Pankaja.B.Patil2, Swati.S.Killikatt3.
  1. 印度卡纳塔克邦贝尔高姆，印度理工学院CSE系硕士生
  2. 印度卡纳塔克邦贝尔高姆市理工学院MCA系助理教授
  3. 印度卡纳塔克邦贝尔高姆，印度理工学院CSE系硕士生
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

基于压缩感知理论，设计了一种基于资源受限嵌入式设备的视频联合压缩、速率控制和纠错网络系统。本课题的目标是设计一个跨层系统，共同控制视频编码速率、传输速率和信道编码速率，使接收到的视频质量最大化。结果表明，压缩感知可以克服当前wmsn视频的许多问题，主要是编码器的复杂性和对信道错误的低弹性。然后开发了速率控制器，其目标是在最大限度地提高接收到的视频质量的同时，保持视频流之间的公平性，并在包中有任何损失时重新配置包。结果表明，仅通过改变压缩感知采样率就可以预测地控制压缩感知视频的速率。速率控制器在接收的视频质量方面优于现有的tcp友好的速率控制方案。

关键字
压缩感知，网络优化，多媒体流，拥塞控制，传感器网络。

介绍
无线多媒体传感器网络(WMSN[6])是嵌入式设备的自组织系统，用于检索、分布式实时处理、存储、关联和融合来自异构源的多媒体流。wmsn是新应用的推动者，包括视频监控、潜在相关活动的存储和后续检索，以及人员定位服务。在嵌入式设备的大规模多跳无线网络中实现实时质量感知视频流的关键问题仍然是开放的，在很大程度上尚未探索。基于通过分层无线通信协议栈发送预测编码视频(例如MPEG- 4[3])的系统存在两个关键缺陷，即编码器复杂和对信道错误的低弹性。
MPEG(又名H.222/H。262[4] as defined by the ITU) is a standard for "the generic coding of moving pictures and associated audio information". It is designed to compress raw digital video and audio down to 1.5 Mbit/s. It describes a combination of lossy video compression and lossy audio data compression methods, which permit storage and transmission of movies using currently available storage media and transmission bandwidth.
在现有的基于IEEE 802.11和802.15.4标准的分层协议栈中，帧被分割为多个数据包。如果由于信道错误，即使只有一个比特被翻转，在循环冗余检查之后，整个数据包将被丢弃在最终或中间接收器。这可能导致视频解码器无法解码一个独立编码的(I)帧，从而导致整个视频帧序列的丢失。
基于最近提出的压缩感知(CS)[5]范式的新型跨层优化无线系统可以为上述问题提供一个有前景的解决方案，因此即使有许多压缩技术，如MPEG,JPEG，这种技术也被使用。压缩感知(“压缩采样”)可以为传统的视频编码器提供一种替代方案，它使成像系统能够以非常低的编码器计算复杂度同时感知和压缩数据。
图像
C-DMRC的捐款如下:
1.基于压缩感知的视频传输。
2.基于失真的速率控制。
3.基于视频质量的速率变化攻击性。
压缩失真最小化速率控制(C-DMRC)是一种新的分布式跨层控制范式，它联合调节CS采样率、网络注入的数据速率和简单基于奇偶的信道编码器的速率，以在多跳有损耗的无线网络上最大限度地提高接收到的视频质量。
本文的其余部分结构如下。第二节讨论了相关工作。第三部分介绍了CDMRC系统的体系结构。在第四节中介绍了结果。第五节讨论了结论和今后的工作。

相关工作
最常见的速率控制方案是众所周知的传输控制协议(TCP)[9]。由于TCP中使用的加增/乘减算法，TCP决定的速率变化对终端用户来说非常分散注意力，导致终端用户对视频质量的感知很差。此外，TCP假定丢包的主要原因是拥塞[10]，因此错误地将由通道错误引起的损失解释为拥塞的迹象。这些考虑导致了许多基于方程的速率控制方案，这些方案基于测量参数(如丢失的数据包数量和数据包的往返时间(RTT))分析性地调节节点的传输速率。其中的两个例子是TCP友好速率控制[1][10]，它用于确定对TCP流公平的源速率。但是，在WMSN中，必须以牺牲其他可容忍延迟数据为代价，优先考虑对延迟敏感的流。因此，TCP产生的传输速率比最优速率更为保守。因此，为了在资源受限的wmsn中优化资源利用，我们的方案没有考虑TCP公平性。

系统设计
压缩失真最小化速率控制(C-DMRC)[11]，一种新的分布式跨层控制算法，联合调节CS采样率，注入网络的数据速率，以及一个简单的基于奇偶的信道编码器的速率，以最大限度地提高在有损耗链路的多跳无线网络上接收的视频质量。此外，由于所有压缩样本都同样重要，样本的损失只会影响接收到的图像质量，与丢失的样本数量成正比。本文提出的拥塞控制与视频传输集成方案的跨层架构如图2所示。图2。
图像
通过共同控制应用层的压缩视频编码、传输层的速率和物理层的自适应奇偶校验，在这三层利用信息来开发一个集成的避免拥塞和最小化失真的系统。
以下是一些贡献:
基于压缩感知的视频传输:利用两帧的CS样本之间的差异，我们可以在低复杂度的情况下根据时间相关性对帧进行压缩。
基于失真的速率控制:C-DMRC利用估计的接收到的视频质量作为速率控制决策的基础。传输节点直接控制传输视频的质量。由于视频的数据速率与视频质量线性相关，这有效地控制了数据速率。通过这种方式控制拥塞，即使对于压缩比非常不同的视频，也能保持接收视频质量的短期公平性。
基于视频质量的速率变化攻击性:使用所提出的控制器，节点根据传输速率的变化将对接收到的视频质量产生的影响的估计来适应其传输视频质量的变化率。速率控制器直接在速率控制决策中使用关于估计接收的视频质量的信息。
图像
(1)表示前N次接收的RTT测量的加权平均值与最近测量的差值。
如果发送节点估计接收到的视频质量很高，并且往返时间测量表明当前网络拥塞状况允许速率增加，则该节点将比估计视频质量较低但往返时间相同的节点增加速率的幅度较小。相反，如果一个节点正在发送低质量的视频，它将优雅地降低其数据速率。

方法:
该体系结构的框图如图3所示。首先将视频序列划分为图片组(Group Of Pictures, GOPs)。每个GOP的第一帧，也称为关键帧，使用传统的帧内编码技术进行编码，如H.264/AVC帧内模式。GOP中的其余帧使用分布式编码原则进行编码，称为WZ帧。在像素域WZ版本中，WZ帧首先进行量化。或者，在变换域版本中，在量化之前应用DCT变换。
然后，量化值被分割成位平面，通过Turbo编码器。在解码器中，通过对先前解码的帧进行运动补偿插值或外推，生成近似WZ帧的SI。在涡轮解码器中使用SI，以及通过反馈通道请求的WZ帧的奇偶校验位，以重建位平面，并随后解码的视频序列。
图像

实验设置及结果
在Pentium-4, 2gb RAM, 40gb硬盘，OpenCv 2.4.3和Microsoft Visual Studio 2008的基础上，得到理想的结果。
有三个模块被使用，他们是客户端，路由器和服务器，用于发送请求的压缩文件从服务器到客户端通过路由器。

1.客户:
图像
客户端通过选择接收数据的路径向服务器请求数据，这是通过点击“点击这里”完成的。

2.SERVER_1:
图像
客户端请求数据后，服务器通过知道IP地址来响应特定的客户端，从下拉文件列表中选择压缩文件，点击发送按钮传输文件。

3.SERVER_2:
图像
客户端可以从多个服务器请求数据，因此在请求文件后，服务器通过知道IP地址来响应特定的客户端，压缩文件被选中并单击发送按钮。

4.路由器:
图像
最初必须输入IP地址，当客户端请求文件和服务器发送一个文件时，该文件将经过许多节点和路由器，并且随着文件的发送被划分为编号的数据包，这里每个文件将被划分为10个数据包。
图像
当数据包被发送时，下一个数据包不会被接收，直到当前数据包被完全接收，如上图6所示。没有接收到Packet5，因此重新配置过程一直进行，直到接收到Packet5，下一个数据包也没有接收到。
图像
路由器接收数据包成功，服务器发送的每个文件被划分为10个包。
图像
获取以文件形式发送的每个包的服务时间，并计算平均延迟。
图像

结论及未来工作
客户端和服务器端获取IPAddr并通过路由器交换信息，采用自适应奇偶校验和速率控制机制，基于往返时间正确地对网络拥塞做出反应，与其他压缩技术相比，提供了更好的服务时间。
剩下的部分包括图像捕获和图像编码，因为像素被捕获而不存储，可以作为未来的工作来实现。

参考文献
  1. W.T. Tan和A. Zakhor，“使用错误弹性可伸缩压缩和tcp友好传输协议的实时互联网视频”，1999年6月。
  2. K. Stuhlmuller, N. Farber, M.Link和B. Girod，“有损信道上视频传输的分析”，2000年6月。
  3. T. Wiegand, G. J. Sullivan, G. Bjntegaard和A. Luthra，“H.264/AVC视频编码标准概述”，IEEE Trans。视频技术的电路和系统，第13卷，no。7，第560-576页，2003年7月。
  4. J.奥斯特曼，J.博尔曼，P. List, D. Marpe, M. narschke, F. Pereira,T.;Stockhammar和t.w idi，“H.264/AVC视频编码:工具、性能和复杂性”，IEEE电路与系统杂志，第4卷，no. 4。1，页7-28,2004年4月。
  5. D. Donoho，“压缩感知”，IEEE信息理论汇刊，第52卷，no. 2。4，页1289-1306,2006年4月。
  6. i.f. Akyildiz, T. Melodia，和K. R. Chowdhury，“无线多媒体传感器网络的调查”，计算机网络(Elsevier)，第51卷，no. 1。4，第921-960页，2007年3月。
  7. O. Akan，“无线传感器网络中多媒体通信传输协议的性能”，2007年10月。
  8. J. Romberg，“压缩采样成像”，IEEE信号处理杂志，第25卷，no. 1。2，页14-20,2008。
  9. K. Stuhlmuller, N. Farber, M.Link，和B. Girod，“有损信道上视频传输的分析”，IEEE通信选定领域杂志，第18卷，no. 2。6，第1012-1032页，2008年6月。
  10. M. Allman, V. Paxson和W. Stevens，“TCP拥塞控制”，IETF rfc2581。
  11. M. Handley, S. Floyd, J. Padhye，和J. Widmer，“TCP友好速率控制:协议规范”，IETF RFC 3448, 2009。
  12. S. Pudlewski, T. Melodia，和A. Prasanna，“C-DMRC:无线多媒体传感器网络的压缩失真最小化速率控制”，发表于2010年IEEE传感器、Mesh和自组织通信与网络国际会议(SECON)，波士顿，马萨诸塞州，2010年6月。
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