Reed—Solomon码在MPEG-4视频流传输中的应用

Reed—Solomon码在MPEG-4视频流传输中的应用 Reed—Solomon码在MPEG-4视频流传输 中的应用 Reed—Solomon~5在MPEG一4视频流传 输中的应用 【王海东】 I圜I本文以MPEG4视频流作为研究的载体,详细研究基~Reed-Solomon~前向错误保护(FEC)的差错控制,实现了网络传输中的丢包恢复,并通过对算法的 改进大大提高了编解码的运算速度.实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明使用FEC机制可以有效提高视 频传输的质量. 王海东 太原科技大学电子信息工程学院,讲师,研究方向为数字图像处理. 引言 随着Internet的迅速发展,网络的多媒体应用成为了 研究的一个热点.多媒体传输对于网络带宽,传输延 和分组丢失有着严格的要求.研究表明,当网络丢包 高时,将严重影响多媒体视频的播放效果,因此差错 是提高网络视频传输质量的有效手段. 目前,网络传输的差错控制策略大致可分为4种: 请求重传(automaticrepeatrequest,ARQ),前向 (forwarderrorcontrol,FEC),混合纠错(hybrid rcontrol,HEC)和信息重复查询(information- at-query,IRQ).在网络视频通信中ARQ和FEC两种 都有使用,为了提高视频传输的实时性,本文主要讨 FEC在网络视频通信系统中的应用. 为了在网络视频传输中应用FEC策略,需要选择一 个合适的纠错码.常用的纠错码按其码子结构形式和对信 息序列的处理方式不同可以分为两大类:分组码和卷积 码.由于卷积码不适于对打包后的数据进行编码和解码, 因此本文使用了一种线性分组码,即RS码作为FEC编 码.最后用C语言实现了对打包后的数据进行RS码的编码 和解码. 2RS码在MPEG-4视频流中的丢包恢复策 略 1960年Reed和Solomon提出的RS码是一类纠错 能力很强的线性分组码.分组码的结构如图1所示,码长 n:k+r,分组码表示为(n,k)码. 图1分组码结构 Reed.S.I.m.n码在MPEG-4视频流传输中的应用f I RS码的主要参数如下:冗余数据包. 码长:=2一l 信息位:k个符号 监督位:一k=2t 最小码距:d=2t+l 对于给定的码长和维数,RS码具有最大可能的最小 码距d=一k+l,从这个意义上讲,它是最佳的,被 称为最大距离分离(MDS)码,它能纠正t个错误. 基于RS码的FEC系统工作于lP网络的传输层和应用 层,在这一层上数据的差错主要表现为lP数据包的丢失. 本文中丢包恢复策略的主要思想是,假设每一个lP包的包 长是,个字节,我们将kx,个字节的数据源通过RS编码生 成2f×,个字节的冗余数据,然后将全部+2f)×,个字节 的数据通过网络传输.如果在接收端丢失的数据小于tX, 个字节,则通过RS解码可以将丢失的数据完全恢复.具 体步骤如下: (1)将数据源按kX,的大小进行数据分割,分割出 的每一个数据块称作一个TG.每一个TG在传输时需要通 过编号来表示出它的相对位置,这可以利用一些协议头部 的标识符来完成(如RTP中的时间戳).图2中a图所示就 是一个数据块TG.可以把它看作一个,Xk矩阵,该矩阵 的每一个元素是由数据源的一个字节映射为(2)域的一 个符号. tt2ft 8冗余数据??C 图2RS码数据块 (2)对矩阵TG的每一个行向量进行RS编码运算, 生成冗余数据,再和TG组成新的数据块TG',它是一个 ,x(k+2,)阶矩阵,这里七+2t:255.如图2中b所示.将 矩阵TG'的每一个列向量(图3—5中的阴影部分)打包成 一 个lP包,通过lP网络传输.每一个lP包的长度是,个字 节,一个TG有255个lP包,其中有k个信息数据包,2,个 (3)在接收端,255个lP包中如果丢失的lP包小于 或等于t个,则可以通过RS译码恢复丢失的数据. 上述过程的本质对数据块TG进行了交织,即对TG' 的行向量进行RS编码运算,而打包则是TG'的列向量. 这样每丢失一个lP包会丢失,个字节,但是对于每一个行 向量来说仅仅丢失了一个字节.只要丢失的数据包小于或 等于t个,就可以通过译码恢复. 当然这个过程也带来了两个问题,一是由于冗余数 据的出现增加了网络负载;二是由于交织的出现增加了传 输的延迟,不过这种延迟是可控的.在实际应用中只要把 这两个问题控制在一定限度内,该方法就可以有效的实现 视频网络中的丢包恢复. 3算法的优化和实现 RS码是一种循环码,编码可以通过下述定理实现. 定理:设循环码的生成多项式为g),待编码的消 息的多形式为"),g)和")的次数分别是r和k—l ,则: c )=")+"X)"Xn-kl甜) RS码有多种解码算法,本文采用的是一种多项式辗 转相除的译码算法.若数据传输中发生了个差错,则最 多进行v+1次多项式乘除法就能纠错.该方法简单有效, 十分易于在计算机上编成实现. RS码的编码与解码算法中存在大量的GF(q)域的加 法,乘法运算以及多项式运算.这些运算的实现非常复 杂,大大影响RS编码的效率.为了提高运算的实时性必 须进行算法的优化,以利于在通用计算机上用软件实现. (1)GF(q)域中加法和乘法快速运算 GF(q)域的加法和乘法运算.加法运算比较简单, 可以直接通过异或运算实现.但是GF(q)域的乘法运算比 较复杂,通过查表法可以将乘法运算转化为加法运算,降 低了运算的复杂度,提高了编码和解码的效率.通过映射 表乘法运算只需3次查表和一次模加运算就可以完成,当 2007.5'广东通信技术 囵 圈 囡 园 57 圈 圈 囡 园 58 经验交流 表的长度不大时(本文使用的表长度是256),查表的时 间可以忽略不计.因此明显的降低了运算复杂度和运算时 间,从而有效的提高运算效率. (2)缩短RS码 RS码字多项式是: c()=C0+clX+C2+???+cH—l一 生成多项式是: g()=(+口)(+口)(+口)…(+口) 接收多项式是: ,.()=ro+fix+r2++???+一l一 错误图样是: P()=,.()一c()=e0+Pl+e2x++???+P一l一 因为本文的=255,所以这些多项式都是254次 多项式,而RS码的编码和译码运算主要是这些多项式的 加,乘,除法和求值运算,显然运算量很大.为了进一步 减少运算量,本文采用了缩短RS码,即假设码子中部分 元素为零. 令CJ,C川,…C=0,此时只有C0,C一Cl表示 源数据信息,这些多项式的最高次数仅为F/T-l,如果 F/t<F/就能大大减小运算量,提高运算效率.此外缩短 RS码也可以在不变GF域和k值的条件下提高编码的纠错 能力. 采用缩短RS码数据快TG如图3所示. ttt 图3缩短RS码数据块 图中只有阴影部分表示数据源的信息数据.实验证 明,上述方法能有效提高RS码的编解码运算速度,可以 满足视频传输的实时性要求. 4实验结果分析 实验条件是: 原始视频数据:foreman_qcif.yuv,400frame MPEG4压缩工具:FFMPEG GOP:IBBPBBPBBPBB 帧率:25frame/sec 比特流速率:1024bit/s PSNR:40.49 表1不同丢包率条件下视频图像的PSNRSlt 表26%丢包率条件下203-216帧的视频图像 203204205206207208209 j?l匕 2l02l12l22l32l42l52l6 隐?JJj譬匿誓— t (下转第64页) 经验交流 6KoKC.LeeDW.KoYB,SupportingIntelligentContext-8Guang—yaoJin,Xiao— yiLu.Myong—SoonParkAn AwarenessinUbiquitousSensorNetworkwithRFID.IndoorLocalizationMechanismUsin gActiveRFIDTag. KoreaComputerCongress(KCC)2005,VOL.O0NO.O0ProceedingsoftheIEEEInternatio nalConferenceon PP.0262,02642005.07SensorNetworks.Ubiquitous,andTrustworthyComputing 7BaoXu,WangGang.Random.SamplingAlgorithmin(SUTC'06),2006 RFIDIndoorLocationSystem.ProceedingsoftheThird(收稿日期:2007—04—17) IEEEInternationalWorkshoponElectronicDesign.2005 (上接第45页) 3李剑,胡波.移动宽带无线城域网关键技术及其展望.电讯技学,2004,(8):27—30 术,2006,(4):1—88马楠,刘培植,张平.无线城域网中的关键技术【J】.中兴通讯技 4AirInterfaceforFixedandMobileBroadbandWireless术,2005,(4):14—18 AccessSystems.IEEEP802.16e/D12,Februa~,20059Ghost,A,Wolter,DR,Andrews,JG.e ta1.Broadband 5WiMAXEnd—to—EndNetworkSystemsArchitecture— StagewirelessaccesswithWiMax/802.16:currentperformance 2:ArchitectureTenets,ReferenceModelandReferencebenchmarksandfuturepotentia1.IE EECommunications Points.WiMAXForum.December,2005Magazine,2005,43(2):129—136 6彭木根,李茗,路杨,王文博.IEEE802.16标准和wiMAX组网10MobileWiMAX— PartI1:AComparativeAnalysis,WiMAX 技术分析.电信工程技术与标准化,2005,(6):5—11Forum,March,2006 匡7王茜. 王岩.无线城域网wiMax技术及其应用.电信科(收稿日期:2007—04—09) 匡 匡(上接第49页) 匿4结论社?2004 2杜岩.从PAS到lRAS一一从北京小灵通的发展看小灵通技术 该 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 充分考虑了各个区域的地理环境特点和话务量的进步 .电信建设【J】.2004,1:58.62 情况,对基站数,站点数和信道数进行了精确的计算.该3侯嗣充.牡丹江无线市话 网规划 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 的研究及应用【D】.哈 方案已在A一2区作了小范围的试验,信号效果还可以,但也尔滨工程大学硕士学 位论文.2003 存在一些不足,下一步将在整个松北地区进行试验,找出4范捷.成都lPAs系统网络规划和工程实施【D】.电子科技大学硕 不足进行修改,使其信号效果更好,满足用户的要求.士学位论文.2004 参考文献(收稿.期:2007—04—23) 1徐福新小灵通(PAS)个人通信接入系统【M】.电子工业出版 (上接第58页) 表1是实验结果,表2是6%丢包率条件下,播放终端3胡飞,朱耀庭,朱光喜.基于Gal0is域Reed—s0l0m0n码的数 203—216帧的视频图像.据包层FEc编码软件实现?通信,2002年 实验结果表明:在不使用FEc的情况下,当丢包率4chIh_H.gK._H.w幻.l.MPEGid.. 陷.mi..i. 达到3%时视频通信几-T'-无法进行;而采用FEc机制以.igth.Ns2.iml10hnp: 『/140?116_72_80,,.m?k.『n.2, 后,视频传输质量得到明显提高.5J . Klaue.B.Rathke.andA.w.lisz,EvaMd—AFramework 参考文献forvide0Transmissi0nandQualityEvalua?n.2003. 1沈连丰,叶芝惠着.1言息论与编码-北京:科学出版社,2004年6杨品 ,钟玉琢译.MPEGL~E]象压缩编码标准:ISO/IEC 2欧智明,王承恕-RSZ-~一种新的译码算法?北京邮电大学学11172 . 北京:机械工业出版,1995#- ~.1994#-f收稿日期:2007— 04—17) 6.