 Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2012, 2, 17-23 http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2012.21004 Published Online February 2012 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc) Overview of Video Transmission Methods and Techniques in Ad Hoc Networks* Zhaohui Wang Computer Science and Technology School, Soochow University, Suzhou Email: zhhwang@suda.edu.cn Received: Nov. 1st, 2011; revised: Nov. 27th, 2011; accept ed: Dec. 9th , 2011 Abstract: Topology change and nodes move in Ad Hoc networks leads to regular interruption of the path, making Ad Hoc network channel bit error rate and transmission packet loss rate very high. This brings a new challenge for video transmission. As a result, research on video coding and transmission methods that suitable for Ad Hoc networks has become a hot spot today. On the basis of transmission characteristics of Ad Hoc networks, it starts with video encoding, video transmission and the receiver all together, gives a systematic introduction to the current research status and main methods of video transmission in Ad Hoc networks, moreover forecasts the future of the key technologies and new mechanisms which are suitable for video transmission in Ad Hoc networks. Keywords: Ad Hoc; Video Encoding; Video Transmission; Frame Reconst Ad Hoc网络中的视频传输方法与技术综述* 王朝晖 苏州大学计算机科学与技术学院，苏州 Email: zhhwang@suda.edu.cn 收稿日期：2011 年11 月1日；修回日期：2011 年11 月27 日；录用日期：2011 年12 月9日 摘 要：Ad Hoc网络由于拓扑变化以及节点的移动导致路径经常性中断，使得 Ad Hoc网络信道误码率和传输 丢包率高，这给视频传输带来了新的挑战。因此，研究适合 Ad Hoc网络的视频编码和传输方法成为了当今一大 热点。在结合 Ad Hoc网络传输特性的基础上，从视频编码、传输和接收端同时入手，对目前 Ad Hoc网络视频 传输的研究现状和主要方法进行了系统的论述，并对适合 Ad Hoc网络传输视频的新机制及其关键技术进行了展 望。 关键词：Ad Hoc；视频编码；视频传输；帧重构 1. 引言 随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进 行自由通信的渴望，一种新的网络技术——Ad Hoc 网络技术应运而生。作为一种新的组网方式，Ad Hoc 网络可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设 施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的建立 不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性； Ad Hoc网络没有严格的控制中心；所有节点的地位平 等，节点可以随时加入和离开网络；任何节点的故障 不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。Ad Hoc 网络的这些特点使得它能满足许多应用领域的特 殊需求，如军事通信网络、应急救灾等[1-3]。 *资助项目：本文工作受国家自然科学基金(61170124，61170020)， 江苏省科技支撑计划项目(BE2009048)，江苏省自然科学基金资助项 目(BK2009116)以及苏州市应用基础研究计划(SYG201116)的资助。 Ad Hoc网络在带来便利性的同时，也增加了网络 Copyright © 2012 Hanspub 17  Ad Hoc网络中的视频传输方法与技术综述 节点的复杂度和网络拓扑的变化，加之无线信道本身 的物理特性，使得它提供的网络带宽相对有线信道要 低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的 碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可 得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值，使得 Ad Hoc网络面临许多问题，包括带宽问题、能量消耗、 链路断合、传输延时、数据丢失等。因此，目前 Ad Hoc 仍以传输简单数据为主。由于视频信息具有表达直 观、内容丰富等特点，高质量的视频传输已经成为了 一个重要的研究课题[4-6]。但是，由于无线节点的移动 性，已经建立起来的从源节点的路由在视频传输过程 中可能会丢失，这会导致目的节点接收到时断时续、 抖动的视频信号；无线 Ad Hoc 网络较高的随机丢包 率、网络信道误码率以及视频对延迟的严格要求等都 会影响到传输视频的质量。因此，Ad Hoc网络进行可 靠视频传输还有许多挑战[7-10]，且已经引起国内外学 者的关注。 本文将结合 Ad Hoc网络的特点和视频编码特性， 从编码、传输和解码等角度，对Ad Hoc 网络中鲁棒 视频传输的研究现状和关键技术进行了综述。 2. 适合 Ad Hoc网络传输的视频编码方法 针对 Ad Hoc网络丢包率和误码率高、带宽有限、 传输延迟等特点，目前视频传输所采用的编码方式主 要有：分层编码(LC)、多描述编码(MDC)以及结合两 者优点的分层多描述联合编码等[11,12]。它们与传统编 码的明显不同之处在于：传统编码方式每次只生成一 个传输码流，而这几种编码方式下，每次均可以生成 两个或两个以上的子码流。尽管构成 LC 和MDC 的 编解码器还是采用传统的编解码方式(如基于 DCT 或 小波的 Codec)，但相对于传统编码器而言，由于编码 结构的改善，可以有效保护对视频解码贡献更大的信 号成分，在一定程度上提高了接收端解码视频信号的 PSNR 值和重构视频的质量，更适合高丢包率和带宽 有限的 Ad Hoc网络中的视频传输。 2.1. 分层编码 LC 编码器的基本结构是将原始视频序列分解成 一个基本信息层(简称基本层，BL)和若干个增强信息 层(简称增强层，EL)如图 1所示。 信 源 分 层 编 码 器 基本层BL 增强层1 增强层n 解 码 器 信道1 信道2 信道n Figure 1. Level coding model 图1. 分层编码模型 LC 的优点在于可以通过控制增强层的码流速率 来适应不同的网络带宽。然而它的致命弱点在于基本 层信号的丢失会导致原始信息完全不可恢复。因此， 在差错网络环境尤其是 Ad Hoc网络中传输时，LC必 须通过 ARQ 等相应的信道控制机制来保证基本层信 息的可靠传输。Shiwen Mao，Meng-Yen Heieh，T. Schierl 等人利用多径传输以及带有重传机制的分层 编码进行视频传输，将视频流分解为基层(BL)和增强 层(EL)流，使用多路径传输技术在两条互不相交的路 径上分别传输 BL 和EL分组流，并采用 ARQ机制来 保护 BL 分组，取得了一定的效果[13-18]。但是，如果 承载基层分组的信道出现故障，视频传输质量将急剧 下降。 2.2. 多描述编码 针对差错网络环境和 LC的缺陷，另外一种编码 策略——多描述编码(MDC)被用于视频编码中。编码 模型如图 2所示。 MDC 对原始信号生成多个描述，并假定这些描 述在发送端和接收端之间的多个独立的、并行的信道 上传输。这些生成的多个描述没有优先级的安排，它 的接收质量仅取决于接收到的描述的数量。MDC的 优点在于通过冗余(多 个描述 )来抵抗差错网络的影响 从而提高接收端的解码性能。Ad Hoc网络的路径经常 信 源 多 描 述 编 码 器 解 码 器 信道1 信道2 信道n 描述1 描述2 描述n Figure 2. Multiple description coding model 图2. 多描述编码模型 Copyright © 2012 Hanspub 18  Ad Hoc网络中的视频传输方法与技术综述 中断，如果采用单描述编码，当传输该描述的信道出 现问题或中断时，接收端就无法对其进行恢复，多描 述编码则很好的解决了这一问题。文献[1,5,19-26]结 合多径传输和多描述编码进行视频传输，每个信号首 先被分解为多个描述，然后每个描述被独立地编码。 多描述编码是非分层编码机制，每个子信号都包含足 够的信息可以使接收端重构质量可以接受的信号，额 外收到的子信号可以提高信号质量。多描述通过在源 编码器引入冗余来克服信道质量变化带来的影响。然 而，多描述编码方法没有考虑图像中不同内容对图像 的作用，同时不能根据信道的传输状况自适应地调整 冗余度，也没有涉及减少错误扩展的相关机制。文献 [27,28]进一步提出了利用参考帧选择机制减少错误的 扩展，同时提高编码效率。在参考帧选择机制中，奇 数帧和偶数帧通过不同的信道进行传输，接受端发送 反馈信息，编码端根据反馈信息确定编码下一帧的参 考帧，但在误码率很高的情况下并不适用。 2.3. 分层多描述联合编码 结合分层编码和多描述编码两者优点的分层多 描述联合编码技术 MDLC 最近被一些学者提出，并通 过仿真实验证明该方法有着比分层编码和多描述编 码更好的网络适应性和鲁棒性。吕庆江，邹静娴等对 分层多描述联合编码技术进行了研究，证明了该方案 能在一定程度上提高视频通信的质量[29]。张朝鹏、倪 江群等提出了一种先对视频流进行分层编码，然后再 对重要的基本层采用多描述编码的分层多描述联合 编码方案，并通过两类不同的分层多描述联合策略进 行了仿真实现，实验结果表明无论在有无 ARQ 保护 的差错网络环境中，都能明显提高重构视频的 PSNR 值[30]。 2.4. 基于ROI(Region of Interest)内容的编码 目前，广泛运用于视频编码压缩的统计编码、预 测编码和变换编码技术大多以像素或块作为编码的 对象，没有利用图像的结构特点，因此，编码性能有 待进一步提高。此外，这类技术在设计编码器时也没 有考虑人类视觉系统的特性和图像内容的重要性。而 Ad Hoc网络丢包率高、带宽有限，并且路径经常中断， 因此在编码时对重要的内容进行保护就显得尤为重 要。MPEG-4 提供了基于内容的视频编码工具，基于 ROI 内容的编码技术也被采用到无线网络中[31]，最 新 的视频压缩标准 H.264 也有采用 ROI的内容自适应的 视频编码技术。徐进等提出了一种内容自适应的 H.264视频冗余片编码算法，先将 H.264视频流分成 视觉敏感片组和常规片组，然后利用动态的灵活宏块 排序技术(FMO)，对属于视觉敏感区域的冗余片技术 进行保护，实验结果表明，该算法在丢包网络中能明 显地提高重构图像的主客观质量[32]。将基于 ROI 内容 的视频编码技术运用到 Ad Hoc 网络视频传输中，可 以显著提高重构图像的 PSNR 值，保证视频的鲁棒可 靠传输。 3. 传输 视频通信需要可靠的传输信道，同时包丢失和传 输延迟也需尽可能小，以便通过差错控制和错误隐藏 进行恢复。目前针对 Ad Hoc 网络上的视频可靠传输 的研究主要集中在路由选择、传输层差错控制和错误 恢复以及多径传输等方面。 3.1. 路由选择 路由选择是 Ad Hoc网络中的一个基本问题，反 映了 Ad Hoc网络所能提供的服务质量。 文献[33,34]分析了目前用于 Ad Hoc网络视频传 输的几种主要路由协议：动态源路由(Dynamic Source Routing, DSR)协议、按需距离矢量路由协议(AODV)、 目的序列距离矢量(Destination Sequenced Distance Vector，DSDV)路由协议，并通过仿真实验结果表明： DSR协议仅能传输一般要求的视频，但不能保证视频 数据的连贯性和流畅性；DSDV 在试验中各项性能均 无法满足多媒体业务的要求；较其他 Ad Hoc网络路 由协议，AODV 协议传输多媒体数据具有延时抖动 小、网络收敛时间短的优势，特别有利于实时视频数 据的传输，但是，3种协议中，没有一种协议可以有 效地保证实时要求较高的传输，其平均延时都超过了 能保证 QoS 的范围。因此，如何在 Ad Hoc网络环境 下，通过完善协议将延时参数控制在多媒体数据能够 容忍的门限值以下仍然是一个研究难点。 在Ad Hoc 网络中按路径的数目可将路由分为两 种：单路径路由和多路径路由。当使用多路径路由时， 分组可以在多条路径中传输，因此比使用单路径路由 具有更好的灵活性。一些针对无线Ad Hoc 网络的多 Copyright © 2012 Hanspub 19  Ad Hoc网络中的视频传输方法与技术综述 路径路由协议己经在文献[35-37]中被提出。然而，这 些协议的性能只在某些特定的场景中通过仿真被评 估。一些文章也曾提出了分析模型对多路径路由协议 的不同方面加以研究[38-44]。在对无线Ad Hoc网络中 负载分布研究方面，提出了一个分析模型评估了使用 最短路径路由时 Ad Hoc 网络中的负载问题。对多路 径路由，则假定流量均匀分布在网络中，并没有考虑 多路径数目以及如何选路的问题。 在Ad Hoc 网络中，节点的移动性和网络拓扑频 繁变化的特性，使得彼此间的连接易于断裂，从而导 致一些节点处于非连接状态。当两个要通信的节点不 在它们传输范围内，而恰好有视频信息需要传递给这 些节点，就会导致信息传送失败。另外，网络的多跳 路由、动态拓扑等特性又很难保证网络的 QoS。若要 找到一条可行路径，使其既能满足一系列端到端的 QoS 约束，同时又可以有效的利用网络资源是一个很 困难的问题。因此，优化 Ad Hoc 网络路由，特别是 容错路由，对于合理利用的网络资源，提高网络生存 能力具有重要的意义。 3.2. 传输层的混合差错控制与错误恢复机制 研究表明，当传输超过 3跳时，重建视频质量将 严重下降。尽管对重要信息，如纹理信息、对象信息 等可采取重传、FEC 等机制。但是，当网络处于拥塞 时，重传会恶化网络性能，这对带宽受限的 Ad Hoc 网络来讲是无法容忍的。因此，为了保证视频数据在 网络中的可靠传输，必须根据 Ad Hoc 网络的特点， 研究新的差错控制与错误恢复技术。现有的传输层差 错控制技术 FEC会对信道的其它传输特性造成一定 的影响，如流量、时延和抖动等[45,46]。ARQ 的一个关 键问题是时延。为克服 ARQ 时延过大的缺点，可以 采用时延受限的重传机制。同FEC 相比，ARQ 需要 一个从接收端到发送端的反馈信道。Ad Hoc由于存在 相互独立的多个信道，因此，满足这一要求。此外， 由于视频编码输出的码流对重建质量的影响是不同 的，一旦码流的重要信息发生了错误，必将造成视频 重建质量的严重下降。在传输时需要根据所传输的信 息的重要程度来决定对各部分采取不等的保护措施。 为此，需结合分层编码与视频对象信息编码，研究不 等错误保护机制 ARQ 和不等错误保护机制的混合差 错控制机制。 3.3. 加入负载平衡及路径优化的多径传输体 如前所述，现有传输模式主要为分层传输和多径 传输。所采用的方法通常是结合多描述编码与多路径 传输或分层编码与多描述编码结合再利用多径传输 [13,14,19,20,37-40]。文 献 [41,42]采用基于聚类的多径传输协 议，将视频资源同时由几个源节点用多路径传输，实 行了多对一传输编码后的视频，有效地解决了 Ad Hoc 网络动态拓扑变化的问题。文献[43]对AODV 协议进 行了改进，并将其应用于 Ad Hoc 网络多径传输，节 省了传输延迟，改善了视频传输的质量，取得了一定 的效果。文献[44]采用基于标量量化的多描述编码和 基于层次聚类的多径传输策略进行视频传输，明显地 提高了重构视频的 PSNR 值，并且为解码端的错误恢 复提供了保障。文献[45]提出了一种新的在无线 Ad Hoc 网络中进行视频传输的多路径包调度算法。该算 法充分考虑到视频流传输的特殊 QoS 要求，针对视频 流中的每个数据包进行操作，通过计算将其指定在某 条路径上传输。避免了传统多路径传输中的接收端数 据包乱序和重新排序的问题，有效地减小了接收端的 启动延时和缓冲区需求。然而，这些多径传输策略较 少考虑到最佳路径选择和负载平衡的问题。 4. 接收端解码恢复 通过在多径传输中加入负载平衡机制及优化路 径，可有效地提高传输可靠性以及网络的吞吐率，降 低丢包率，保证视频的鲁棒传输。然而，因 Ad Hoc 网络环境的特殊性，仍不免会产生丢包现象，这就需 要在解码端利用有效手段尽可能恢复传输中丢失的 信息，提高重构帧的质量。目前可采用的方法有：在 解码端进行错误隐藏和差错控制；采用多源动态信息 融合技术进行帧重构等。 4.1. 解码端错误隐藏和差错控制技术 在宽带视频传输以及无线视频传输等方面，错误 隐藏技术得到了有效的应用[46]。与差错控制相比，错 误隐藏技术不需要占用额外的比特数或者引起额外的 传输延迟。同时与差错控制相结合，可进一步保证视 频传输的质量。错误隐藏包含基于时间的错误隐藏、 基于空间的错误隐藏、基于时–空的错误隐藏和频域 错误隐藏。基于时间的错误隐藏利用时间上连续的相邻 Copyright © 2012 Hanspub 20  Ad Hoc网络中的视频传输方法与技术综述 块之间的相关性，坏块由前面完好帧的对应块替代。 隐藏的效果取决于视频图像中的运动特性及人眼对包 丢失的容忍度。如果运动矢量完好，运动矢量可用于 该块的运动补偿；如果运动矢量也不可用，则运动小 时，这种替代的效果较好，运动大时取决于运动矢量 的重建。基于空间的错误隐藏的立足点是视频图象空 间变化的平滑性。典型的方法是使被恢复块的边界像 素与周边块边界像素的方差值最小。简单插值会模糊 图象中的边界，增加其它约束可以改善高频特性，但 也增加了复杂性，并且还与图象本身的相关性有关。 基于时–空的错误隐藏结合时空两种算法，在运动大 时用空间插值，运动小时用时间替代，空间插值采用 拉普拉斯算子的最大平滑算法。频域错误隐藏直接在 频域重建受损块的 DCT 系数。通常利用邻块 DCT系 数插值和加边界平滑约束条件的 DCT 系数恢复计算。 尽管现有的错误隐藏方法可以达到一定的效果， 然而，并没有利用视频中的对象信息，还属于第一代 错误隐藏方法[47]，用于传输信道极其恶劣、具有高误 码率和高丢失率的 Ad Hoc网络则无法达到预期效果。 尤其是在 Ad Hoc 网络中，经常会出现整帧图像丢失 的情况，引起视频质量的严重下降[48]。文献[4]进一步 分析了 FEC(Forward Erro r Cor rection)和基于重传机制 的错误恢复，并指出这些机制不适合实时视频传输。 事实上，丢包也是一种不完备信息。因此，研究不完 备信息下的视频重构技术，充分利用 Ad Hoc网络复 杂的拓扑结构及视频中的对象模型信息，结合分层编 码以及其他差错控制技术，是解决恶劣条件下视频传 输的有效方法。 4.2. 多源动态信息融合技术 Ad Hoc网络所传输的视频信息存在一定的冗余 性，对网内冗余数据进行综合处理，即数据融合，可 以提高重构视频的质量、优化网络传输效率、节省节 点宝贵的能量资源，并可以有效减轻网络传输拥塞， 消除单个节点因外界环境影响造成传输数据的误差， 提高数据精度和可信度。 多路径动态主动信息融合分为三个部分：节点的 选择机制、动态主动融合操作、解码(融合的决策)。 由于所有在网络中传输的信息都是随时间动态变化 的。各个节点都有自身的数据信息，不同节点所传输 信息的可信度也有很大的差别，并且在节点中的数据 存在着不完备性(包括数据丢失、数据不准确等)。因 此可以利用一个节点选择机制，通过一些预先定义的 代价函数，用一个新颖的启发式的方法找到网络节点 的最优的融合函数的映射，有效的选择最优节点作为 信息融合的信息源。动态主动融合操作可以应用一个 融合函数对单一信息源、多个信息源或者信息源集合 和另外一些融合函数的流数据序列进行融合。其中这 个融合操作包含了数据同步、结构管理、相关性控制、 计算量管理、内存管理以及信息源与融合函数之间的 反馈等问题。最后根据动态主动融合进行解码，得到 传输的视频信息。经过动态信息融合之后解码得到的 视频信息可以尽可能的保持原始的信息。 因此在解码端可采用动态多源融合技术，并结合 多径传输有效地进行高质量视频重构以及提供同步 机制，从而实现视频的可靠性传输。 5. 总结与展望 本文从视频编码、传输和接收端同时入手，对目 前Ad Hoc 网络的视频传输的研究现状和主要方法进 行了系统的论述。对适合 Ad Hoc 网络传输视频的新 机制及其关键技术作了进一步的展望： 1) 在编码端采用基于内容的分层编码和多描述 编码相融合的编码方法，可为重要信息提供多路传输 和渐进式重传机制以及在多描述编码中提高其冗余 度； 2) 在传输层采用结合基于内容的视频差错控制 技术，可对重要信息加以特殊保护，并通过强化学习、 聚类分析等措施优化路径。同时，采用负载平衡策略， 使网络运行在高吞吐率、低丢失率和低延迟的状态 下，可为要求时延保证的业务提供一种良好的实现机 制； 3) 在解码端采用多源动态信息融合技术，并结合 多径传输、差错控制、错误隐藏有效地进行高质量视 频重构以及提供同步机制，从而可实现视频的可靠性 传输； 4) 压缩感知理论的提出是信号领域的重大突破， 采用压缩感知技术可以针对信号的稀疏程度以低于 奈奎斯特速率的采样率对数据进行压缩采样，合适的 稀疏域就可以实现信号近乎完全的重构。分布式视频 编码自身适合应用于编码端复杂度较低的无线终端， 压缩感知理论与分布式视频编码的结合 DCVS(Dis- Copyright © 2012 Hanspub 21  Ad Hoc网络中的视频传输方法与技术综述 tributed Compressive Video Sensing)就是一种“强强联 合”[49-51]。国外已有部分学者已经开始着力研究此方 面在 Ad 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