一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法及系统

本发明涉及计算机技术和无线通信技术领域，具体涉及一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法及系统。

在目前的无线环境下主要是以传统的压缩编码方式进行视频传输。然而在全景视频传输场景下，视频帧交付有严格的时间延迟限制。采用压缩编码的方式在收发器两端引入复杂的编解码算法，考虑到移动端的处理能力，这会产生不可忽视的处理时延，影响用户的质量体验。近年来随着带宽的提高，无压缩传输方式重新出现。其去除了压缩中的量化、熵编码和运动估计等，可以实现忽略处理时延以及用户重建质量随信道状态平滑衰落。然而由于全景视频的数据量大，其在多用户相互干扰的无线环境下经常面临带宽不足的问题，传统的压缩编码方式可以通过改变编码参数来实现最优的无线资源分配。对于无压缩传输，由于去除了量化和熵编码等，如何实现最优的无线资源分配是一个开放的问题。目前的一种常用的简单策略是通过对不同重要性比特进行非均等功率分配，但这并非最优的资源分配策略。因此，如何提高时延约束下的无线环境下全景视频的无压缩传输的性能成为一个亟待解决的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法及系统。

本发明技术解决方案为：一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法，包括：

步骤S1：在发送端，将视频帧按像素比特位进行拆分，均匀分成数据块，其中，所述数据块的数据量与按频率和时间进行划分的信道资源块的传输容量相匹配；

步骤S2：各个用户链路将待传输的所述数据块的匹配申请提交给接入点，所述接入点根据各个所述数据块的偏好列表，向偏好值最高的所述信道资源块提出分配建议，所述信道资源块根据联合功率优化与信道匹配算法决定接受或拒绝该建议，直到完成所有所述数据块的匹配申请，形成最终的匹配方案；所述接入点将所述匹配方案发给各个所述用户链路，所述用户链路按照所述匹配方案发送数据，具体步骤如下：

2.1各个用户链路将待传输的所述数据块的匹配申请提交给接入点，所述接入点根据公式(1)，计算每个所述数据块对于信道资源块的偏好值，基于所述偏好值构建偏好列表，并向其中偏好值最高的所述信道资源块提出匹配建议：

(1)

其中，I代表信道资源中存在的干扰，σ2代表背景噪声，h代表路径增益，pmax代表可传输的最大功率；

2.2各个所述信道资源块根据所述匹配建议，进行匹配，并计算接受该匹配建议后的最大用户体验质量提升值Ut,c，接受使得Ut,c值提升最大的匹配建议：

(2)

其中，t代表第t个时隙，c代表第c个信道；xt,c代表信道资源块{t,c}给各待传输资源的传输指示矢量；pt,c代表信道资源块{t,c}给各待传输资源的功率分配矢量；

Ft,c(xt,c,pt,c)代表该信道资源传输数据块产生的总均方误差：

(3)

(4)

其中，M是与调制模式相关的参数，n代表像素权重，I代表干扰；上的T代表转置；σ代表背景噪声；

2.3如果所述信道资源块根据所述所有匹配建议进行匹配后，无法使得Ut,c值提升，则所述信道资源块拒绝当前所有匹配建议，进行移除或替换操作：

用表示去除数据块si,j后的优化目标，其中i代表用户链路，j代表数据块的像素权重，当，即去除数据块si,j后Ut,c大于去除前的Ut,c，则进行移除操作，否则不进行任何操作；

用表示用数据块替换数据块si,j，当，即替换数据块si,j后，Ut,c大于替换前的Ut,c，则用数据块替换数据块si,j，否则不进行任何操作；

2.4重复2.1~2.3，直到完成所有所述数据块匹配申请，形成最终的匹配方案，所述接入点将其发给各个所述用户链路，所述用户链路按照所述匹配方案发送数据；

步骤S3：在接收端接收所述数据块，将视频帧按像素各比特重新拼接，未接收到的部分补0，最终得到视频帧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的方法，根据视频帧像素不同比特重要性的差别，采用无压缩传输可以在实现非均等保护的同时，显著降低编码和解码带来的处理延迟和误差传播。相比于传统的独立优化策略，本发明提供的方法通过联合功率优化与信道资源分配，可在多用户相互干扰的情况下实现更好的传输性能。

图1为本发明实施例中一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法的流程图；

图2为本发明实施例中联合功率优化与信道匹配算法效果示意图；

图3为本发明实施例中无压缩全景视频无线传输系统结构示意图；

图4为本发明实施例中无压缩技术的全景视频无线传输方法流程示意图；

图5为本发明实施例中一种基于无压缩技术的全景视频无线传输系统的结构框图。

本发明提供了一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法，通过联合功率优化与信道资源分配，可在多用户相互干扰的情况下实现更好的传输性能。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下通过具体实施，并结合附图，对本发明进一步详细说明。

在无线环境带宽不足的情况下，需要尽可能多的传输数据块，从而传输更多的信息量。在本发明实施例中的图像传输是以像素比特数据块为单位，不同位的数据块具有不同的权重。为了实现在带宽受限下传输更多的信息量，本发明实施例根据数据块的重要性和不同用户间的相互干扰情况来进行信道资源分配。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法，包括下述步骤：

步骤S1：在发送端，将视频帧按像素比特位进行拆分，均匀分成数据块，其中，数据块的数据量与按频率和时间进行划分的信道资源块的传输容量相匹配；

步骤S2：各个用户链路将待传输的数据块的匹配申请提交给接入点，接入点根据各个数据块的偏好列表，向偏好值最高的信道资源块提出分配建议，信道资源块根据联合功率优化与信道匹配算法决定接受或拒绝该建议，直到完成所有数据块的匹配申请，形成最终的匹配方案；接入点将匹配方案发给各个用户链路，用户链路按照匹配方案发送数据，具体步骤如下：

2.1各个用户链路将待传输的所述数据块的匹配申请提交给接入点，所述接入点根据公式(1)，计算每个所述数据块对于信道资源块的偏好值，基于所述偏好值构建偏好列表，并向其中偏好值最高的所述信道资源块提出匹配建议：

(1)

其中，I代表信道资源中存在的干扰，σ2代表背景噪声，h代表路径增益，pmax代表可传输的最大功率；

2.2各个所述信道资源块根据所述匹配建议，进行匹配，并计算接受该匹配建议后的最大用户体验质量提升值Ut,c，接受使得Ut,c值提升最大的匹配建议：

(2)

其中，t代表第t个时隙，c代表第c个信道；xt,c代表信道资源块{t,c}给各待传输资源的传输指示矢量；pt,c代表信道资源块{t,c}给各待传输资源的功率分配矢量；

Ft,c(xt,c,pt,c)代表该信道资源传输数据块产生的总均方误差：

(3)

(4)

其中，M是与调制模式相关的参数，n代表像素权重，I代表干扰；上的T代表转置；σ代表背景噪声；

2.3如果所述信道资源块根据所述所有匹配建议进行匹配后，无法使得Ut,c值提升，则所述信道资源块拒绝当前所有匹配建议，进行移除或替换操作：

用表示去除数据块si,j后的优化目标，其中i代表用户链路，j代表数据块的像素权重，当，即去除数据块si,j后Ut,c大于去除前的Ut,c，则进行移除操作，否则不进行任何操作；

用表示用数据块替换数据块si,j，当，即替换数据块si,j后，Ut,c大于替换前的Ut,c，则用数据块替换数据块si,j，否则不进行任何操作；

2.4重复2.1~2.3，直到完成所有所述数据块匹配申请，形成最终的匹配方案，所述接入点将其发给各个所述用户链路，所述用户链路按照所述匹配方案发送数据；

步骤S3：在接收端接收数据块，将视频帧按像素各比特重新拼接，未接收到的部分补0，最终得到视频帧。

在一个实施例中，上述步骤S1：在发送端，将视频帧按像素比特位进行拆分，均匀分成数据块，其中，数据块的数据量与按频率和时间进行划分的信道资源块的传输容量相匹配，具体包括：

在发送端，将待发送的全景视频帧数据按比特位进行划分，假设各像素点由k比特表示，则可将无压缩视频数据均匀划分成N×k的数据块，其数据量需要与频率和时间进行划分信道资源而得到T×C的信道资源块容量呈一定比例，其中，T代表时隙数目，C代表信道数目。

各个用户链路将待传输的数据块的匹配申请提交给接入点，基于博弈理论，由接入点将各用户的数据块传输任务和信道资源块建模为一对多的双边匹配模型，由传输任务根据当前资源分配方案的偏好表向信道资源块发送匹配申请，由信道资源块根据匹配申请引起的整体视频数据传输的用户体验质量评估，进行接收、去除或替换操作。在用户体验质量的评估中引入功率优化操作，依据推导出信干噪比和视频峰值信噪比的关系，在各申请中接收此目标总体最大化的方案。形成信道资源块和数据块的匹配方案与功率分配方案。

在一个实施例中，上述步骤S2：各个用户链路将待传输的数据块的匹配申请提交给接入点，接入点根据各个数据块的偏好列表，向偏好值最高的信道资源块提出分配建议，信道资源块根据联合功率优化与信道匹配算法决定接受或拒绝该建议，直到完成所有数据块的匹配申请，形成最终的匹配方案；接入点将匹配方案发给各个用户链路，用户链路按照匹配方案发送数据，具体步骤如下：

2.1各个用户链路将待传输的数据块的匹配申请提交给接入点，接入点根据公式(1)，计算每个数据块对于信道资源块的偏好值，基于偏好值构建偏好列表，并向其中偏好值最高的信道资源块提出匹配建议：

(1)

其中，I代表信道资源中存在的干扰，σ2代表背景噪声，h代表路径增益，pmax代表可传输的最大功率；

本发明实施例中的偏好值是通过计算传输过程中可达到的最大信干噪比而得到。

由于在信道资源块中，每个用户只能发送一个数据块，所以在每一轮的匹配中，只有各用户当前最高位的未发送数据块才能提出匹配建议。偏好表是根据当前信道资源利用情况进行评估的，因此当资源分配发生变化时，偏好表需要更新，且各信道资源每轮只能接受一个数据块的匹配建议。

2.2各个信道资源块根据匹配建议，进行匹配，并计算接受该匹配建议后的最大用户体验质量提升值Ut,c，接受使得Ut,c值提升最大的匹配建议：

(2)

其中t代表第t个时隙，c代表第c个信道；xt,c代表信道资源块{t,c}给各待传输资源的传输指示矢量；pt,c代表信道资源块{t,c}给各待传输资源的功率分配矢量；

Ft,c(xt,c,pt,c)代表该信道资源传输数据块产生的总均方误差：

(3)

(4)

其中，M是与调制模式相关的参数，例如4QAM，则M是4，16QAM，则M是16，n代表像素权重，I代表干扰；上的T代表转置；σ代表背景噪声；

由于定向天线的存在，链路之间的产生传输影响是非对称的。相同质量建议的接收会受申请顺序的影响，而建议的评估又受到已产生的资源分配策略的影响。为了解决这个问题，本发明实施例中通过分别计算接受各个匹配建议后的用户体验质量提升值Ut,c，选择使得Ut,c值提升最大的作为本轮的匹配建议。

S2.3如果信道资源块根据所有匹配建议进行匹配后，无法使得Ut,c值提升，则信道资源块拒绝当前所有匹配建议，进行移除或替换操作：

用表示去除数据块si,j后的优化目标，其中i代表用户链路，j代表数据块的像素权重，当，即去除数据块si,j后Ut,c大于去除前的Ut,c，则进行移除操作，否则不进行任何操作；

用表示用数据块替换数据块si,j，当，即替换数据块si,j后，Ut,c大于替换前的Ut,c，则用数据块替换数据块si,j，否则不进行任何操作；

如图2所示，在某一时隙时，链路a、b、m均需发送数据。由于链路a和b间的相互干扰小，链路m对链路a和b的干扰大，因此被分配不同频率的信道，以避免干扰。不同的阴影，代表不同频率的信道。

举例来说，当信道资源块准备传输数据块，，时，提出匹配申请，但由于和之间的干扰较大，接受此建议不能产生用户体验质量提升值。因此，执行替换操作。分别评估，替换，，三种方案，发现对和的影响比更小，可获得更好的用户体验质量提升值，因此方案选择，，。

在上述基础上，当信道资源块准备传输，，时，提出匹配申请，但由于和之间的干扰较大，接受此建议不能产生用户体验质量提升。因此，执行替换操作。分别评估，替换，，,三种方法，发现均无法获得更的好用户体验质量提升值。因此执行移除操作评估。假设对和的影响较大，移除后干扰减小，可获得更高的增益。因此方案选择，。

本发明实施例通过对现有匹配方案引入替换和移除已匹配数据块的操作，避免了局部最优解。

2.4重复2.1~2.3，直到完成所有数据块匹配申请，形成最终的匹配方案，接入点将其发给各个用户链路，用户链路按照匹配方案发送数据。

重复执行2.1~2.3中的申请和接收、替换、去除操作，直到无申请提出，即可得到最终的匹配方案。将最终的匹配方案由接入点传输给视频服务器，各数据块通过QAM调制直接在无线信道上传输。

本发明实施例中使用的无线资源调度联合功率优化匹配算法在一对多博弈中能保证收敛到稳定的匹配。这是由于在评估中使用的联合功率优化与信道匹配算法可以使数据块传输获得最大的均方误差减小，对于每一个信道资源块，基于接收、替换和移除规则的资源分配策略更新将会进一步减少整体均方误差。由于全局最小均方误差有下界，匹配算法最终会在有限步长的时间内收敛到全局或局部最小的均方误差，即一个稳定的匹配策略。

在一个实施例中，上述步骤S3：在接收端接收数据块，将视频帧按像素各比特重新拼接，未接收到的部分补0，最终得到视频帧，具体包括：

接受端在限定时间内容对收到的无压缩数据块进行QAM解调，并对各像素数据按位进行拼接合并。对于未收到的部分，实行补0替代操作，最终得到传输后的全景视频帧。

如图3所示，视频无线传输系统结构示意图。

如图4所示，展示了无压缩技术的全景视频无线传输方法流程示意图。

本发明公开了一种基于无压缩技术的全景视频无线传输方法，根据视频帧像素不同比特重要性的差别，采用无压缩传输可以在实现非均等保护的同时，显著降低编码和解码带来的处理延迟和误差传播。相比于传统的独立优化策略，本发明提供的方法通过联合功率优化与信道资源分配，可在多用户相互干扰的情况下实现更好的传输性能。

实施例二

如图5所示，本发明实施例提供了一种基于无压缩技术的全景视频无线传输系统，包括下述模块：

视频拆分模块41，用于在发送端，将视频帧按像素比特位进行拆分，均匀分成数据块，其中，数据块的数据量与按频率和时间进行划分的信道资源块的传输容量相匹配；

构建匹配方案模块42，用于各个用户链路将待传输的数据块的匹配申请提交给接入点，接入点根据各个数据块的偏好列表，向偏好值最高的信道资源块提出分配建议，信道资源块根据联合功率优化与信道匹配算法决定接受或拒绝该建议，直到完成所有数据块的匹配申请，形成最终的匹配方案；接入点将匹配方案发给各个用户链路，用户链路按照匹配方案发送数据；

视频还原模块43，用于在接收端接收数据块，将视频帧按像素各比特重新拼接，未接收到的部分补0，最终得到视频帧。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。