基于區塊鏈的教學多視點視頻生成和管理系統設計

摘要：隨著3D顯示快速融入人們生活，多視點視頻作為其重要的支撐技術得到廣泛關注。多視點視頻是一種能夠滿足用戶全方位、多角度觀看視頻的視頻采集技術，目前多視點視頻主要存放在集中存儲的磁盤陣列，存在數據篡改或替換的隱患，不適合教育等保密要求較高的場景開展應用，因此，文章基于區塊鏈技術進行多視點視頻生成和管理系統設計，能夠在有效滿足視頻實時傳輸的基礎上確保視頻訪問和管理的安全性。

關鍵詞：區塊鏈；多視點視頻；管理系統

中圖分類號：TP393.1文獻標志碼：A

0 引言

隨著大數據、云計算、移動互聯網、多媒體等信息技術的快速發展，以虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）等技術為代表的3D顯示技術快速融入人們的生產和生活當中，基于三維視頻的應用展現出巨大的應用前景，多視點視頻作為重要的支撐技術已進入研究人員的視野當中。多視點視頻（Multi-Viewpoint Video，MVV）是一種能夠滿足用戶全方位、多角度觀看視頻的視頻采集技術，其基本原理為：在錄制視頻時，由多個攝像機構成的陣列獨立從不同視角對同一場景進行拍攝而得到一組視頻數據，用戶能夠在觀看視頻時自由切換不同的視點來查看不同攝像機拍攝內容，對于未放置攝像機的視點，則需要結合包含場景空間深度信息的采集視頻，合成虛擬視點視頻圖像供用戶觀看，從而使用戶產生身臨其境的感覺，該技術目前已經被廣泛應用于比賽、教學等三維視頻的場景表示［1-2］。然而目前無論是原始視點還是虛擬視點視頻，在使用過程中主要存放在集中存儲的磁盤陣列中（如云盤），難以發現數據在存儲或是分享過程中是否存在篡改，而教育教學過程相關視頻數據可能作為成績、考核和課程評價等工作的證據材料，特別是在多校共享教學資源的情況下，課程教學視頻作為基礎性資料必須具備追溯性，應確保視頻無法進行篡改或替換，因此現有系統框架存在一定的安全隱患。

區塊鏈技術是一種由多方共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠實現數據一致存儲、難以篡改、防止抵賴的記賬技術，也被稱分布式賬本技術［3］。區塊鏈技術通過綜合應用“點對點傳輸”“鏈式時間戳”“共識算法”和“智能合約”等技術，形成了在不可信的競爭環境中低成本建立信任的新型計算范式，成為發展數字經濟、構建新型信任體系的重要基礎［4］。基于區塊鏈技術特點，本文提出一種多視點視頻管理系統，對多視點視頻進行合成、存儲和內容訪問，能夠有效確保教學過程中多視點視頻數據的真實性和完整性，防止視頻數據的篡改和刪除，提高系統的安全性［5-6］。

1 系統需解決的主要問題

基于區塊鏈技術進行多視點視頻的存儲和應用，雖然提高了系統的安全性，但是還需要關注以下問題。

1.1 視頻數據量大，不適合全部進行上鏈存儲

為了確保多視點視頻的體驗，一般使用10個以上的攝像頭組成相機陣列對同一場景進行拍攝，這就造成視頻數據量會隨著攝像頭數量增加而線性增加，對于數據處理、傳輸和存儲的能力要求也隨之增加［7］。以4K視頻為例，單路相機錄制的視頻采用高效視頻編碼壓縮后約為30 Mbit/s，20路相機同時傳輸就需要600 Mbit/s。由于共識機制的影響，區塊鏈技術在進行數據上鏈存儲時，需要全部或多數節點形成共識后方能完成交易（數據完成存儲），其處理能力相對較慢，以公有鏈以太坊為例，其最大交易速度為每秒45個交易，即使對于節點數較少的私有鏈，其存儲速度也遠遠低于集中式的磁盤陣列，這對于多視點視頻存儲和應用造成了較大的限制。

1.2 用戶視點切換的時延控制

為了使用戶能夠觀看任意視點的視頻圖像，需要使用視點合成方法得到未捕獲的中間視頻圖像，在此過程中影響用戶體驗的因素主要有2個：一是視點合成的時延，由于在用戶切換過程中，需要進行中間視點視頻的合成，因此會存在一定的時延，時延過長將影響用戶的體驗；二是視頻場景切換的平滑性，如果前后2個實際視點之間間隔過大，則在切換過程中可能會出現不連續的感覺，為了確保切換的平滑性，可以在2個視點之間通過合成并插入虛擬視點予以解決，但是這會消耗更多的計算資源以確保切換的平滑性［8］。

2 系統整體模型

基于上述問題，本節重點介紹基于區塊鏈技術的多視點視頻生成和管理系統設計方案。該系統主要包括攝像機陣列、視頻管理服務器和區塊鏈節點服務器，其中攝像機陣列主要功能為多視點原始視頻采集，視頻管理服務器包含視頻存儲、視頻預處理、視頻合成、媒體管理文檔生成等功能，區塊鏈節點服務器以聯盟鏈形式構建區塊鏈網絡系統，以確保數據不被篡改。基于區塊鏈的多視點視頻管理系統設計如圖1所示，主要工作流程如下。

（1）在攝像機陣列完成原始視頻采集后，系統將視頻文件及相關配置信息（包含攝像頭數量、位置、設備參數、編號、視頻文件指紋等）發送至視頻管理服務器。

（2）視頻管理服務器將攝像頭采集的RGB視頻數據轉換為YUV格式，結合深度估計生成的深度數據生成3D扭曲視頻數據，以上視頻均采用H.265編碼格式進行存儲。對于虛擬視點，視頻管理服務器將根據前期參數設置，基于實際視點視頻數據合成虛擬視點視頻數據并進行存儲（視頻合成方法見第3節）。以上實際視點和虛擬視點的視頻、相關配置信息和訪問地址等數據將由視頻管理服務器生成服務描述文件，視頻文件和服務描述文件均在本地磁盤陣列進行存儲。

（3）服務描述文件在生成后通過區塊鏈節點進行加密上鏈存儲和共享，需要說明的是，視頻管理服務器和區塊鏈網絡內的服務描述文件將定期進行校驗，確保文件未發生篡改，以確保系統安全。

（4）授權用戶通過區塊鏈獲取加密后的服務描述文件，在使用私鑰解密讀取其中視頻訪問地址和相關參數后，向對應視頻管理服務器發送請求并獲取視頻文件。

3 多視點視頻的合成與切換管理

多視點視頻系統的視點包含實際視點和虛擬視點2種，其中實際視點的視頻數據直接使用攝像機采集，而虛擬視點數據需要基于實際視點視頻進行合成。因此圖像融合算法和不同視點切換策略將直接影響視頻展示的效果。目前的圖像融合算法在合成虛擬視點視頻時，為了確保視頻質量，其計算復雜度相對較高，視頻數據量相對較大，不夠適應基于區塊鏈的視頻生成和管理系統高效、簡潔的要求。為了進一步提高服務器合成和管理視頻的效率，本文提出一種改進的空洞填充算法，以快速生成虛擬視點圖像，滿足用戶需要。

改進的空洞填充算法如圖2所示，假設區域S是要被修復的空洞區域，定義其邊界為δS，屬于區域S的像素點p將被其鄰域Bξ（p）修復，其鄰域大小為ξ。根據給定的圖像I（q）和點q的梯度值I（q），可計算得到點p與點q的圖像近似值Iq（p）：

Iq（p）=I（q）+I（q）（p-q）（1）

則點p根據區域Bξ（p）中所有點q進行修復的圖像的I（p）為：

其中，權重函數ω（p，q）定義為3個變量的乘積：

ω（p，q）=dir（p，q）·dst（p，q）·lev（p，q）（3）

其中，方向向量dir（p，q）確保像素的貢獻接近法線方向，幾何距離向量dst（p，q）減少了在幾何上遠離p的像素的貢獻。水平距離向量lev（p，q）確保通過p靠近邊界的像素比更遠的像素貢獻更多。上述空洞填充算法能夠提高現有技術中虛擬視點合成的速度，使服務器能夠更加高效地向客戶端提供虛擬視點圖像。

本系統在使用過程中，客戶端可以通過區塊鏈網絡獲取服務描述文件并進行解析，直接根據服務描述文件中的視頻地址向視頻管理服務器獲取對應視頻，在此過程中將涉及不同視點的切換，為了提高視頻切換的平滑性，將主要基于以下策略進行控制。當用戶從當前視點位置d0切換至新位置d1時，系統將根據以下情況呈現相應的視點圖像。

情況1：當客戶端選擇的視點位置d1與當前視點位置d0距離小于第一切換閾值k1，即|d1-d0|lt;k1時，則仍向客戶端提供當前視點位置d0的視頻圖像。

情況2：當客戶端選擇的視點位置d1與當前視點位置d0距離大于或等于第一切換閾值k1，小于第二切換閾值k2，即k1≤|d1-d0|lt;k2時，則根據客戶端選擇的視點對應的服務描述文件，向客戶端提供對應虛擬視點的視頻數據。

情況3：當客戶端選擇的視點位置d1與當前的視點位置d0的距離大于或等于第二切換閾值k2，即|d1-d0|≥k2時，則直接讀取當前視點相鄰的實際視點圖像進行顯示。

4 區塊鏈模型設計

為了兼顧區塊鏈技術防篡改、分布式和傳統數據庫快速查詢、數據結構簡潔的優點，本系統參考ChainSQL區塊鏈技術機制構建聯盟鏈網絡。相比于傳統區塊鏈僅記錄交易的鏈數據庫，ChainSQL技術機制創新性地引入了能夠同步交易數據的關系型用戶數據庫，其中對用戶數據庫所有操作（增刪改查等）均以交易記錄的形式記錄在鏈數據庫中，鏈數據庫與用戶數據庫定期根據規則進行數據校驗和同步，用戶直接查詢用戶數據庫提高查詢效率，如在數據校驗和同步中發現用戶數據庫數據與鏈數據庫數據存在差異，則進行文件篡改提示和溯源［9］。

在具體組網過程中，可以采用Overlay網絡結構建立區塊鏈系統，即通過綜合應用API、Socket等技術在現有網絡層和應用層之間加入區塊鏈層，可以在不改變現有集中式視頻存儲機制的同時，完成區塊鏈技術的引入和搭建。一方面能夠支持授權用戶通過訪問關系型的用戶數據庫快速檢索到對應的服務描述文件；另一方面通過區塊鏈數據庫的引入防止數據被篡改和數據溯源，確保數據保存和共享使用過程中的安全，ChainSQL區塊鏈模型架構如圖3所示。

5 結語

本文設計的基于區塊鏈技術的多視點視頻生成和管理系統，在本地存儲視頻文件的基礎上，通過引入服務描述文件并基于區塊鏈網絡進行加密和分發，有效兼顧了視頻訪問的效率和安全性。同時基于區塊鏈系統特點設計的虛擬視點合成和視點切換策略，能夠有效提高視頻生成速度和切換的平滑性，提升用戶觀看體驗。在未來的工作中，還需要對合成算法和系統結構進行優化以更靈活地適配更多的用戶使用場景和滿足用戶對視頻效果的不同需求。

參考文獻

［1］程金婷，彭宗舉，王曉東，等.面向六自由度視頻應用的多視點視頻碼率分配［J］.光電子·激光，2020（9）：994-1000.

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［8］郭湘南，王功乾，田路.面向教育的多視點視頻結合CDN解決方案［J］.光通信研究，2020（3）：30-32.

［9］北京眾享比特科技有限公司.ChainSQL區塊鏈白皮書［R/OL］.（2020-09-04）［2023-12-26］.http：//www.chainsql.net.

Design of blockchain-based instructional multi-viewpoint video generation and management system

Abstract：With the rapid integration of 3D display into people’s lives， multi-viewpoint video has gained attention as its important supporting technology. Multi-viewpoint video is a kind of video capture technology that can satisfy users’ all-round and multi-angle video viewing. At present， multi-viewpoint video is mainly stored in centralized storage disk arrays， which has the hidden danger of data tampering or replacement， and it is not suitable for education and other scenarios with high confidentiality requirements to carry out the application. Therefore， based on the blockchain technology for the design of multi-viewpoint video generation and management system， it is able to effectively satisfy the real-time transmission of video and ensure the security of video access and management on the basis of real-time video transmission. Therefore， the design of multi-viewpoint video generation and management system based on blockchain technology can effectively ensure the security of video access and management based on real-time video transmission.

Key words： blockchain; multi-viewpoint video; management system