數(shù)字噴泉碼在無人機航拍數(shù)據(jù)回傳上的應用

摘要：隨著無人機航拍技術的風靡與發(fā)展，對于航拍的視頻數(shù)據(jù)回傳的質量要求也逐漸提升，傳統(tǒng)的視頻傳輸技術在惡劣的信道條件下不能保證視頻的傳輸質量，由此提出了基于噴泉碼的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。本文在介紹噴泉碼（LT碼和Raptor碼）原理的基礎上，闡述數(shù)字噴泉碼（LT碼和Raptor碼）在無人機航拍數(shù)據(jù)回傳上的應用。

關鍵詞：無人機 數(shù)據(jù)回傳 數(shù)字噴泉碼 LT碼 Raptor碼

中圖分類號：TN919.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0087-02

1 引言

航拍是小型無人機在民用領域里的主要應用，良好的航拍體驗要求航拍畫面實時、清晰、流暢，對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能提出了極高的要求。

小型無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要任務是把經(jīng)過壓縮的視頻數(shù)據(jù)可靠、有效地傳輸?shù)降孛鎽谩６趯嶋H應用時，無人機經(jīng)常需要在會場、樓宇之間、城市道路、工廠附近、深山峽谷等信道條件非常惡劣的環(huán)境工作，在這些環(huán)境下要求視頻傳輸清晰和流暢是對無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)非常嚴峻的挑戰(zhàn)。另外，無人機的飛行高度可達數(shù)百米，飛行距離可達數(shù)公里，無線信道中信號的強度隨距離的增加呈指數(shù)遞減，導致無人機飛行得越高越遠視頻傳輸質量越差。因此，研究提高視頻傳輸質量的方法具有非常重要的意義。

數(shù)字噴泉碼作為一種應用于提高傳輸質量的技術，能夠兼顧信道糾錯和自適應信道兩種功能，最早由Michael Luby 等人提出。其基本思想是：編碼端將原始的數(shù)據(jù)分組通過隨機編碼產生理論上無限長的編碼包，解碼端只需接收略大于原始數(shù)據(jù)分組數(shù)目的編碼包，即可以高概率重構原始文件[1]，且與具體接收到哪些編碼包無關。數(shù)字噴泉碼能夠在最大限度地減少反饋信息的情況下更高效完成數(shù)據(jù)可靠傳輸。本文主要介紹兩種有效的數(shù)字噴泉碼：LT（Luby Transform）碼和Raptor碼在無人機數(shù)據(jù)回傳上的應用。

2 數(shù)字噴泉碼原理

所謂數(shù)字噴泉，就是將原始待編碼的數(shù)據(jù)塊切分成一定數(shù)量的更小的數(shù)據(jù)包，或者稱為輸入符號，按照某種分布從這些數(shù)據(jù)包中隨機選擇不固定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，根據(jù)某種相關運算編碼成編碼數(shù)據(jù)包，或者稱為輸出符號，此編碼數(shù)據(jù)包類似噴泉噴出的一滴水，噴泉碼編碼器則類似水噴泉。接收端只要接收到足夠數(shù)量的編碼包而不關心具體接收到哪些編碼包也不關心接收到的編碼包的順序，就能夠按照相應的相關運算以高概率完成解碼恢復原始數(shù)據(jù)，這類似使用杯子接收足夠的水而不關心具體接收哪些水滴。

2.1 LT碼編譯碼原理

2002年Luby提出了一類非常適用于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分布的編碼方案-LT（Luby Transform）碼[2]。編碼以一個待傳送的原始數(shù)據(jù)作為輸入，以一個編碼包流作為輸出，每一個編碼包都按照如下算法獨立生成：

（1）把原始數(shù)據(jù)等分為k個輸入符號，在1～k范圍內按照某個分布（編碼器的度分布）隨機選取一個整數(shù)d（編碼包的度）；（2）從k個輸入符號中隨機地選取d個不同的輸入符號；（3）對這d個輸入符號做異或運算，產生一個輸出符號。

上述編碼原理可以用圖2-1來表示。

當接收端根據(jù)接收的編碼包恢復原始數(shù)據(jù)時，需要知道每個編碼包所對應的度和鄰接關系，通常把度和鄰接關系作為編碼包的包頭構成新的數(shù)據(jù)包來傳送。

LT碼的譯碼過程采用了一種迭代算法——信息傳遞法（Message Passing，MP），其過程（可用圖2-2描述）如下：

（1）接收端接收到略大于k個編碼包后，根據(jù)編碼符號的度和編碼符號與輸入符號的鄰接關系建立雙向圖；（2）從雙向圖中選擇度為1的編碼符號，此符號就是輸入符號，即與度為1的編碼符號對應的輸入符號可以直接恢復。如果接收的編碼包中不存在度為1的編碼符號，譯碼以失敗停止；（3）將所有與已經(jīng)恢復的輸入符號鄰接的編碼符號和這個已經(jīng)恢復的輸入符號進行異或運算，用異或運算的結果替代原編碼符號，把這個已恢復符號和編碼符號之間的邊從圖中刪除，并把這些編碼符號的度減1。（4）返回步驟2直到譯碼結束。假如能夠恢復所有輸入符號，則譯碼以成功結束；否則譯碼以失敗結束，此時也可以繼續(xù)接收更多的編碼包再進行譯碼。

2.2 Raptor碼編譯碼原理

Raptor碼是由Shokrollahi提出的迄今為止最有效的一類數(shù)字噴泉碼[1]，是在LT碼的基礎上發(fā)展而來的。Raptor碼編碼由高速預編碼和LT碼編碼過程組成[3]，Raptor碼的編碼過程如下：

（1）由K個長為T字節(jié)的源符號C[0]，C[1]，…，C[K-1]進行預編碼，產生L（L>K）個長為T字節(jié)的中間符號C[0]，C[1]，…，C[L-1]；

（2）由中間符號進行LT編碼產生源符號和修復符號。

Raptor碼的譯碼也就比較簡單，先采用LT碼的譯碼方法譯出中間符號的數(shù)據(jù)包，再采用預編碼對應的譯碼方法譯出中間數(shù)據(jù)包所對應的所有數(shù)據(jù)內容。

3 數(shù)字噴泉碼在航拍數(shù)據(jù)回傳上的應用

無人機航拍技術不僅可用于民用，還可以用于軍事上。它的發(fā)展?jié)摿薮螅藗儗τ诤脚募夹g的各方面要求將會越來越高。在滿足了硬件方面的條件之后，在軟件部分，如何提高傳輸質量就成為了研究的重點。

從之前介紹的數(shù)字噴泉碼的概念和原理可以看出，噴泉碼實際上是一種面向分組的前向糾錯編碼（FEC）技術，與其他可靠性保障機制相比，噴泉碼具有一些明顯的優(yōu)勢：

（1）可擴展性強。在噴泉碼方案的接收端，譯碼器只要收到足夠的數(shù)據(jù)就可以恢復數(shù)據(jù)，反饋機制不是必須提供的，與自動請求重傳（ARQ）相比，避免了反饋信號的往返延時和廣播、多播應用中可能出現(xiàn)的反饋風暴以及網(wǎng)絡擁塞造成的傳輸帶寬受抑制的問題。（2）能夠適用復雜多變信道狀況。噴泉碼編碼器可以源源不斷地輸出編碼包，碼長不固定或者碼長趨于無窮，碼率不固定或者無碼率。噴泉碼的這個特點使得發(fā)送端可以根據(jù)網(wǎng)絡狀況調整編碼碼率來適應復雜多變的信道，充分利用信道容量。（3）編譯碼算法的復雜度低。理論上，噴泉碼編碼器產生一個輸出符號所需的運算是與輸入符號數(shù)量k無關的常數(shù)，譯碼器譯得k個原始數(shù)據(jù)包所需運算量是關于k的線性函數(shù)，即具有線性復雜度。（4）對異質網(wǎng)絡友好，支持并行下載、分層組播等應用。基于噴泉碼無固定碼率的特性，網(wǎng)絡狀況不同的用戶可以依據(jù)自己的網(wǎng)絡狀況自由調整接收數(shù)據(jù)的多少，系統(tǒng)無需為劣質網(wǎng)絡用戶的接收質量而影響其他用戶信息的發(fā)送，從而支持并行下載和分層組播等應用。

我們常用的兩種數(shù)字噴泉碼：LT碼的編譯碼方法簡單，編譯碼算法復雜度低，譯碼開銷小；Raptor碼因為設計和優(yōu)化具有高速和高效率的特點，所以使其編譯碼的速度很快[4]。

正是由于數(shù)字噴泉碼擁有了這樣的一些優(yōu)點，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺乐校捎脟娙a制作的編譯碼器就能夠保證讓航拍到的視頻數(shù)據(jù)高質量回傳，從而得到原始的清晰、流暢的視頻內容。

4 結語

本文通過對數(shù)字噴泉碼（主要是LT碼和Raptor碼）的編譯碼原理的簡單介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)，噴泉碼之所以能夠應用在無人機航拍技術上，是源于它所具有的顯著優(yōu)勢可以讓航拍視頻數(shù)據(jù)高質量回傳。近幾年， 關于數(shù)字噴泉碼的研究已經(jīng)取得了不少令人振奮的結果，數(shù)字噴泉碼被認為是適用于可靠多播傳輸、多源下載、數(shù)據(jù)存儲和無線協(xié)作傳輸?shù)葢玫淖钣星巴镜木幋a技術[5]。當然，隨著無人機航拍技術的不斷發(fā)展，噴泉碼技術也將會不斷進步，從而更好的應用到航拍技術以及其他更多 更廣的技術中去。

參考文獻

[1]Shokrollahi A. Raptor Codes[J].IEEE Transactions on Informatio Theory， 2006，52（6）：2551-2567.

[2]M Luby.LT Codes[A].In ：Proceedings of the 43rd Annu.IEEE.Symp Foundations of Computer Science（FOCS）[C].Canada：Vancouver，Nov.2002.71-280.

[3]唐崇彥，李建平，蔡時.TANG Chong-yan.LI Jian-ping.CAI Chao-shi Raptor碼的原理及應用前景-通信市場.2008（1）.

[4]姜博，晏堅，蔣衛(wèi)東.噴泉碼及其在通信網(wǎng)絡中的應用-數(shù)字通信世界，2007（10）.

[5]慕建君，焦曉鵬，曹訓志.數(shù)字噴泉碼及其應用的研究進展與展望[J].電子學報，2009（07）.

收稿日期：2016-08-30

作者簡介：周滟（1989—），女，漢，四川廣元人，大學本科，研究方向：數(shù)據(jù)傳輸，就職于四川信息職業(yè)技術學院。