基于條件隨機場模型的運動視頻數據安全傳輸方法

馬憲敏

(黑龍江外國語學院 信息工程系，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引言

隨著運動視頻傳輸系統實際應用規模的不斷擴大，所傳輸的運動視頻內容的安全保護逐漸受到人們的關注。目前的運動視頻數據傳輸技術通常采用高分辨率的傳輸系統實現視頻幀的傳輸[1]。在進行運動視頻數據傳輸的過程中，由于受到誤碼擾動以及鏈路轉發控制多徑因素的影響，會導致運動視頻數據傳輸的安全性較差[2]，因此，需要對運動視頻數據傳輸過程進行優化設計，建立運動視頻數據的安全信道輸出模型，提高運動視頻數據傳輸的安全性，降低輸出誤碼。

目前，已有專家學者在該領域提出了一些較為成熟的研究結果，針對運動視頻數據可靠傳輸的方法主要有OFDM擴頻方法、MUSIC方法和分數間隔均衡控制方法等等[3-4]。文獻[5]中提出了一種在運動感知環境下的基于緩存的自適應視頻流安全傳輸方法。該方法利用 MA-BBA算法，根據片段運動級別確定碼率映射函數，賦予運動強度高的視頻數據較高的碼率，賦予運動強度低的視頻數據較低的碼率，使得運動視頻數據處于安全環境，直接通過數據緩存變化量與碼率的映射函數選取合適的碼流傳輸方式。該方法雖然具有較強的自適應性，但是對運動強度的判斷標準不明確，使得映射函數的選擇不準確，導致傳輸過程誤碼率較高。文獻[6]中提出了一種機會網絡中視頻分塊隨機集中傳輸方法，該方法在時間軸上調節運動視頻分塊的分布情況，建立分塊緊缺度模型，引導分塊在目標節點趨于均勻分布，滿足了食品數據在快速接收時間軸上的隨機分布、內容上連續且數量較多的視頻段的需求，同時也能夠有效引導視頻塊的傳輸，在很大程度上避免傳輸過程受鏈路多徑的影響，然而該方法的自適應均衡性不好，影響了運動視頻數據傳輸的安全性和高效性。文獻[7]中提出了一種多通道高速視頻數據安全傳輸方法。該方法以CPU作為運動視頻傳輸過程的控制中心，利用現場可編程門陣列中的編程輸入輸出單元和可配置邏輯塊配合高速串行收發器，實現多通道的高速視頻數據的傳輸。然而由于該方法缺少數據鏈路的均衡控制，導致傳輸過程的誤碼率較高。

通常來說，對運動視頻數據的安全傳輸是建立在信道的均衡調節基礎上，通過信道均衡配置，能夠使運動視頻數據傳輸的保真性和傳輸效率得以提高。同時，由于條件隨機場模型綜合了最大熵模型與隱馬爾可夫模型的優點，在識別、標注等方面具有明顯的應用優勢。因此，針對當前方法中存在的問題，本文考慮利用條件隨機場模型來保證運動視頻數據的安全傳輸，提出一種基于條件隨機場模型的運動視頻數據傳輸方法。主要貢獻點如下。

(1)構建調制模型使得運動視頻數據安全傳輸的信道更加均衡，在此基礎上采用隨機鏈路轉發控制方法對數據傳輸過程中的鏈路進行均衡調制；

(2)利用條件隨機場模型對運動視頻傳輸過程進行分簇聚類設計，通過控制波特間隔的均衡性實現運動視頻數據安全傳輸過程的調制解調處理；

(3)通過實驗結果證明了本文方法在提高運動視頻數據安全傳輸能力方面的優越性能。

1 運動視頻數據傳輸信道均衡設計

1.1 安全傳輸信道模型

為了實現運動視頻數據安全傳輸，首先構建運動視頻數據安全傳輸的信道均衡模型，采用隨機鏈路轉發控制方法進行運動視頻數據傳輸過程中的鏈路均衡調制。采用信息傳輸帶寬調節控制方法構建運動視頻數據傳輸的隨機擴頻序列模型[8]，得到運動視頻數據傳輸的離散信號為x，采用多頻頻移鍵控(MFSK)構建運動視頻傳輸數據的比特序列x(n)，經離散傅里葉變換后，用X=DFT{x}表示運動視頻數據傳輸的帶寬，采用脈寬調制方法進行特征分解，構建運動視頻數據傳輸的隨機轉發序列為x，采用無線擴頻技術進行運動視頻數據安全傳輸的信道均衡控制[9-10]，利用運動視頻數據傳輸信道的頻域特性進行多徑擴展，得到運動視頻數據傳輸的統計信息特征量為式(1)。

X=[X(0),…,X(N-1)]

(1)

(2)

其中，N表示運動視頻數據的長度;J表示幀的頻率;C(j)表示帶寬。在信息脈沖持續時間內得到運動視頻數據傳輸的信道模型，設原始輸入的運動視頻數據的多徑特征序列為x=[x(0),…,x(N-1)]，其中x(n)為有限長的運動視頻數據模型，0≤n≤N-1，則運動視頻數據傳輸的信道模型的表達式為式(3)。

(3)

其中，0≤k≤N-1，表示運動視頻數據的長度，采用信道均衡控制方法，實現運動視頻數據安全傳輸信道均衡調節和自適應控制。

1.2 波特間隔均衡模型

在構建運動視頻數據安全傳輸的信道均衡模型的基礎上，采用隨機鏈路轉發控制方法進行運動視頻數據傳輸過程中的鏈路均衡調制，并建立運動視頻數據傳輸的波特間隔均衡模型，對輸入的運動視頻數據的碼元n的自相關函數進行z變換得到nz，分析運動視頻數據傳輸信道的多徑特征，采用信號自動檢波方法進行運動視頻數據的包絡特征檢測[12-14]，將一個運動視頻數據分為若干個時隙，對運動視頻數據進行波譜特征檢測，得到檢測結果為式(4)。

(4)

其中，β表示輸入的運動視頻數據的關聯特征量，介于0和1之間。結合波特均衡調制方法，構造運動視頻數據傳輸的波特間隔均衡模型，表示為式(5)。

(5)

對運動視頻數據傳輸的擴頻信道進行帶寬擴展，在信息脈沖持續時間內得到運動視頻數據傳輸的高階統計特征量為s(t)=[s1(t),s2(t),…,sq(t)]T，干擾分量為n(t)，兩者是相互獨立的，用Pj描述運動視頻數據傳輸的譜密度，{P1,P2,…,Pj}是脈位調制序列，與n(t)具有獨立同分布性，采用多徑信號的調制解調方法，進行運動視頻數據傳輸的譜增益調節，運動視頻數據傳輸的信道干擾為n(k)，其中干擾信息分量的實部nr(k)和虛部ni(k)分別為獨立的白噪聲，根據上述分析，采用波特間隔均衡控制方法，進行運動視頻數據傳輸的信道均衡控制，輸出的帶寬為c(j)，在波特間隔均衡調節下，利用多徑干擾的能量分布進行自適應控制[15]，提高運動視頻數據傳輸的安全性。

2 運動視頻數據安全傳輸優化控制

2.1 條件隨機場模型

在上述進行運動視頻數據安全傳輸的信道均衡設計基礎上，進行運動視頻數據傳輸的安全設計，本文提出一種基于條件隨機場模型的運動視頻數據傳輸方法。令運動視頻數據的調制碼元為Mq(q=1,2,…)，利用碼元之間的不相關性，計算分簇鏈路稀疏性配置系數，并對當前時刻的運動視頻數據傳輸通道進行同步解調處理[16]。采用隨機碼元寬度調節方法，進行運動視頻序列傳輸的加權調節，得到加權值為式(6)。

W=λ-1Mq

(6)

其中，λ表示加權系數。根據接收到的擴頻信號的抽頭延遲進行自適應控制[17]，在中頻調制信號約束下，采用直擴系統構建運動視頻數據安全傳輸的條件隨機場模型，如圖1所示。

圖1 運動視頻序列傳輸的條件隨機場直擴系統模型

根據上述分析，構建運動視頻數據傳輸的隨機場分布模型，其模型表達式為式(7)。

(7)

結合空間均衡調度方法，進行運動視頻數據傳輸的安全傳輸的調制解調處理。

2.2 運動視頻數據安全傳輸幀向量提取

在條件隨機場模型中，假設運動視頻序列的信源分布為a(t)，碼元速率為Ra，運動視頻序列的碼元寬度為Ta，Ta=1/Ra，計算信號通頻帶內的干擾功率，采用沖激響應調節方法[18-19]，構建運動視頻數據傳輸的幀跟蹤模型為式(8)。

(8)

根據上述分析，得到運動視頻數據傳輸的直擴頻譜分布示意圖，如圖2所示。

圖2 運動視頻數據傳輸的直擴頻譜分布示意圖

采用波特間隔均衡調節模型進行數據傳輸過程中的調制解調處理，提取運動視頻數據安全傳輸的幀向量為式(9)。

(9)

綜上分析，根據提取的運動視頻數據安全傳輸的幀向量，進行運動視頻數據安全傳輸控制，實現運動視頻數據傳輸的均衡調節和自適應控制。

2.3 數據傳輸方法具體步驟

① 構建運動視頻數據傳輸信道均衡模型，通過頻域特性進行多徑擴展得到視頻數據的統計信息特征量，再利用隨機鏈路轉發控制方法進行鏈路均衡調制；

② 結合波特均衡調制方法建立運動視頻數據傳輸過程的波特間隔均衡調節模型，對運動視頻數據進行波譜特征檢測，利用多徑干擾的能量分布進行自適應控制；

③ 采用條件隨機場模型對運動視頻傳輸過程進行分簇聚類設計，實現運動視頻數據傳輸過程的調制解調處理；

④ 采用沖激響應調節方法構建運動視頻數據傳輸的幀跟蹤模型，提取運動視頻數據的幀向量，實現運動視頻數據的安全傳輸。

3 實驗與結果分析

為了測試上述基于基于條件隨機場模型的運動視頻數據安全傳輸方法在實現數據安全傳輸中的應用性能，進行仿真測試分析。

3.1 實驗條件設置

為增加實驗的有效性和對比性，將所提的基于條件隨機場模型的運動視頻數據傳輸方法與文獻[5]中的運動感知環境下的基于緩存的自適應視頻流安全傳輸方法、文獻[6]中的機會網絡中視頻分塊隨機集中傳輸方法、文獻[7]中的多通道高速視頻數據安全傳輸方法進行對比。

3.2 實驗指標

實驗中選取的主要實驗指標如下。

① 輸出結果峰值信噪比：信噪比表示在輸出結果中有效信號與噪聲信號所占的比例，信噪比的值越高，證明輸出結果中有效信號越多，其計算過程為式(10)。

(10)

式中，Ps和Pn分別表示有效信號和噪聲的功率值。

② 傳輸誤碼率：根據傳輸誤碼率可以判斷數據傳輸方法的傳輸準確性，計算過程為式(11)。

(11)

③ 數據召回率：在數據傳輸過程中，傳輸的質量可以通過數據召回率來體現，即數據召回率越低，傳輸質量越高。

3.3 實驗結果

根據上述實驗環境和參數設定，進行運動視頻數據傳輸性能測試，得到待傳輸的運動視頻數據的幀序列如圖3所示。

圖3 待傳輸的運動視頻數據的幀序列

以圖3的運動視頻數據的幀序列為研究對象，采用條件隨機場模型進行運動視頻傳輸過程中的分簇聚類設計，實現運動視頻的特征提取和傳輸優化，得到提取結果如圖4所示。

(a)視頻數據1

通過上述對運動視頻數據傳輸的特征提取和參數估計，實現傳輸信道均衡配置，測試運動視頻傳輸的輸出峰值信噪比，得到測試結果如圖5所示。

(a)視頻數據1

分析圖5得知，采用本文方法進行運動視頻數據傳輸的輸出峰值信噪比較高，說明輸出誤碼率較低，數據傳輸的保真性較好，具有很好的運動視頻數據安全傳輸能力。

為進一步測試基于條件隨機場模型的運動視頻數據安全傳輸方法的有效性，測試不同數據傳輸方法的傳輸誤碼率和數據召回率，得到的對比結果如圖6和表1所示。

圖6 不同傳輸方法的誤碼率對比

表1 不同傳輸方法的數據召回率對比/%

通過圖6所示結果可知，隨著實驗迭代次數的不斷增加，不同視頻數據傳輸方法的傳輸誤碼率也在不斷發生變化。可以看出，所提的基于條件隨機場模型的運動視頻數據傳輸方法的傳輸誤碼率值也始終低于另外3種方法，證明采用所提方法能夠準確對運動視頻數據進行安全傳輸。

分析表1可知，隨著迭代次數的增加，不同數據傳輸方法的數據召回率也在隨之變化。文獻[5]方法的數據召回率在4種方法中波動最大，本文所提的基于條件隨機場模型的運動視頻數據傳輸方法的數據召回率在4種方法中始終保持最低，證明所提方法的傳輸質量最高。

4 總結

對運動視頻數據傳輸過程進行優化設計，建立運動視頻數據的安全信道輸出模型，有利于提高運動視頻數據傳輸的安全性，降低輸出誤碼。本文提出一種基于條件隨機場模型的運動視頻數據傳輸方法，采用信息傳輸帶寬調節控制方法構建運動視頻數據傳輸的隨機擴頻序列模型，采用隨機碼元寬度調節方法，進行運動視頻序列傳輸的加權調節，構建運動視頻數據傳輸的幀跟蹤模型，采用條件隨機場模型進行運動視頻傳輸過程中的分簇聚類設計，結合波特間隔均衡控制方法提取運動視頻數據安全傳輸的幀向量，進行運動視頻數據安全傳輸控制，實現運動視頻數據安全傳輸的調制解調處理。研究得知，采用本文方法進行運動視頻數據安全傳輸的自適應性較好，誤碼率較低，輸出的峰值信噪比較高，提高了運動視頻數據傳輸的安全性，具有很好的應用價值。

然而，在利用該方法進行運動視頻數據傳輸的過程中耗能較大、耗時較長，因此，在未來的研究階段，將在減少傳輸耗能、縮短傳輸時長兩個方面對該方法進行進一步優化。