一种无线网络环境下的3D医疗视频传输方法技术

一种无线网络环境下的3D医疗视频传输方法，通过递归计算得到当前编码QP，当前认证哈西数量，当前MCS模式下的端到端视频失真；通过遍历计算所有QP、认证哈西数量、MCS的组合情况下的端到端失真，选择一种失真最小情况下的QP、认证哈西数量、MCS进行应用层编码和认证，物理层MCS的配置，并传输当前数据包。这种方法可以系统的配置与协调不同参数对认证与容错方面的强度，在当前网络状态下能够最大化3D医疗视频的质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及视频编码与无线传输领域，具体涉及一种无线网络环境下的3D医疗视频传输方法。
技术介绍
随着电子信息和多媒体通信技术的迅猛发展，现代医疗技术逐步走向数字化的分布式应用模式。信息技术与生物技术相结合而产生的电子健康技术，极大的推动了医疗卫生事业的现代化发展。而电子健康技术的核心问题就是远程处理和监控患者的健康信息。视频处理与无线通信技术的结合突破了医疗水平差异的地域限制，远程医疗系统应运而生。传统的远程医疗系统大多基于2D视频通信系统进行医疗信息的传递与交互。近年来，随着数字成像，3D视觉以及3D显示等技术的飞速发展，数字3D视频技术已经成为目前学术界和工业界的研究热点。与2D视频相比，3D视频能够使前景、背景图像的区分更加明显，具有更清晰的边界轮廓和更细腻的纹理图案，从而能够呈现给人们更好的成像质量和更加生动自然的3D感知效果，让人们重新看到自然场景的三维本质，感受到完全不同于一般平面画面的视觉体验。为了提供更为精准的第三维信息，3D视频可以应用于远程医疗系统。3D视频系统可以使医生获得从传统平面显示无法捕捉到的深度信息数据，能够全方位读取影像信息，为临床诊断提供更丰富、精准的影像资料，大幅度降低对病灶的漏诊、从而提高诊疗质量。目前，3D医疗视频通信大多基于无线网络，可以覆盖偏远地区。由于无线通信技术相比有线通信容易被侵入，这样医疗视频通信过程中的认证技术对保护病人患者的隐私就极为关键。传统面向数据流的认证签名技术对每个数据包进行签名，复杂度等代价较高。在数据包编码过程中，每一个编码条带(slice)作为一个基本的打包单元进行打包。而每个视频数据包的码率基本由编码的量化参数来决定。因此，在实时编码中，可以根据信道带宽的情况实时的决定编码条带的量化参数(quantizationparameter，QP)，而不同QP的选择将会导致不同程度的视频失真，也就是不同程度的视频质量。编码后的每一个视频数据包作为一个基本的应用层单元进行传输，传递给网络的其他层。为了保证视频数据包的安全性和易于版权管理，视频传输通常需要认证技术进行加密或者认证处理。现有的视频传输可以采用多路径哈希链条认证模式，也就是基于同源多链条的哈希认证处理模式，对一个图像组(GOP，groupofpictures)进行认证处理。每一帧的数据包可以根据GOP内已经解码帧内的对应位置数据包进行哈希的父节点选择(哈希链的上一层索引)。每一个包可以有多种哈希链路径选择方案(也就是父节点选择)，每一种选择方案根据路径上先前节点的认证情况，估计出当前包的当前认证方案的认证概率。同时计算出该认证所需花费的比特数。假定每个包可以最大有N个哈希父节点，每个哈希消耗比特数为b，而认证成功的概率为假定信道传输丢包的概率为ρ。每个包可以有多个哈希链接，这样每个包的认证成功的概率是不同的，假定N个包作为一组，拥有一个签名。为了减少认证和解码延迟，我们假定当前数据包只能选择本数据包所依赖的必须比当前包先解码的包作为哈希的父节点。假定可以利用的哈希父节点有M个，则当前第i(i<M)个数据包认证成功的概率为如果当前第i(i<M)个数据包选择的哈希父节点的数量是m(m<M)，而第n个父节点距离当前包的距离为dn,则当前该数据包的认证成功的概率修订为并且哈希认证花费的比特数为m·b。假定原有数据包的长度为S,而加入哈希认证数据后的包的长度为S+m·b,则每个数据包在物理层可以分割的资源块的数量和相应的调制和信道编码(modulationandchannelcodingschemes,MCS)都可能根据信道的质量而发生变化。因此随着哈希父节点数量的增加，每个包对应的资源块数量也会增加，相应的每个数据包的丢包概率也会增加，因此每个数据包的哈希数量直接影响到数据的认证概率和丢包概率。在视频传输过程中，除了信源失真和信道失真，没有通过认证的视频数据包也将引起视频失真。这主要是由于当前数据包由于哈希认证依赖的数据包丢包而造成当前数据包无法认证而引起失真。另一方面，认证比特数据占用了带宽数据，可能会造成信源数据减少而带来信源质量的损失，也就是产生一定的失真。基于哈希链条(hashchain)签名的视频流认证(stream-levelauthentication)较为简洁。为了提高认证数据包的容错能力，通常采用同源多链条认证方式。但是同源多链条认证模式大大增加了传输数据的冗余。如何有效的选择认证的哈希路径数量，直接影响视频数据传输的效率，以及接收端视频的失真。由于无线网络物理层支持一定的调制与信道编码模式，可以对数据流行成一定的保护，但物理层调制与信道编码方式的选择也直接影响数据包的丢包概率和视频失真。传统的认证方法并没有从系统整体最优的角度来进行认证哈希的选择，因此在动态的信道条件下无法保证3D医疗视频无线通信质量的最优。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：提供一种视频传输质量好的无线网络环境下的3D医疗视频传输方法。为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种无线网络环境下的3D医疗视频传输方法，其特征在于：具体步骤如下：1)、根据无线3D医疗视频的可容错认证哈希数量的选择，应用层视频编码量化参数的选择，LTE下行链路物理层调制与编码模式的选择，通过最小化端到端3D视频失真综合建立得到以下最优的参数：(mhash(d0,...dm-1)opt,QPopt,MCSopt)=argminm∈Q,QP∈Q,MCS∈ZD(m,QP,MCS)]]>subjecttot<Tmax其中mhash(d0,...dm-1)opt是当前数据包的最优的哈希父节点，H,Q,和Z分别表示候选的哈希父节点集合，QP集合以及MCS模式集合，QP为编码条带的量化参数，MCS为物理层调制与编码模式，Tmax一个数据包传输的最大时延限制，T指数据包的传输时延，可以通过数据包的大小除以物理层传输速率近似得到；2)、设置初始QP以及MCS等参数：设置QP＝minQP，minD＝0，maxMCS＝15，maxQP＝45；3)、针对双目采集的3D医疗视频，根据多视点视频编码具有视间预测的编码结构，以QP为量化参数进行编码；4)、对当前数据包设置哈希父节点数据量置为0，即m＝0，并得到当前数据包最大可能的哈希节点数量为maxH，根据公式计算当前第i个数据包的认证成功的概率，其中，当前第i(i<maxH)个数据包选择的哈希父节点的数量是m(m...

【技术保护点】
一种无线网络环境下的3D医疗视频传输方法，其特征在于：具体步骤如下：1)、根据无线3D医疗视频的可容错认证哈希数量的选择，应用层视频编码量化参数的选择，LTE下行链路物理层调制与编码模式的选择，通过最小化端到端3D视频失真综合建立得到以下最优的参数：(mhash(d0,...dm-1)opt,QPopt,MCSopt)=arg minm∈H,QP∈Q,MCS∈ZD(m,QP,MCS)]]>subject to t<Tmax其中mhash(d0,...dm‑1)opt是当前数据包的最优的哈希父节点，H,Q,和Z分别表示候选的哈希父节点集合，QP集合以及MCS模式集合，QP为编码条带的量化参数，MCS为物理层调制与编码模式，Tmax一个数据包传输的最大时延限制，T指数据包的传输时延，可以通过数据包的大小除以物理层传输速率近似得到；2)、设置初始QP以及MCS等参数：设置QP＝minQP，minD＝0，maxMCS＝15，maxQP＝45；3)、针对双目采集的3D医疗视频，根据多视点视频编码具有视间预测的编码结构，以QP为量化参数进行编码；4)、对当前数据包设置哈希父节点数据量置为0，即m＝0，并得到当前数据包最大可能的哈希节点数量为maxH，根据公式计算当前第i个数据包的认证成功的概率，其中，当前第i(i<maxH)个数据包选择的哈希父节点的数量是m(m<maxH)，而第t个父节点距离当前包的距离为dt，认证成功的概率为假定当前数据传输应用层丢包的概率为ρi；5)、设置物理层信道的编码和调制模式MCS＝1；对每一种调制和编码模式h，计算等效的信噪比γmieff(h)=κ(h)[J-1(1NsbΣj=1NsbJ(γjκ(h)))]2;]]>其中，Nsb代表子载波的数量,γj是第j个子载波的信号与干扰加噪声比，κ(h)为调制和编码模式h下的校正因子，J(x)和J‑1(y)计算如下：J(x)≈-0.04210610x3+0.209252x2-0.00640081x,0<x<1.63631-exp(0.00181491x3-0.142675x2-0.08220540x+0.0549608),x≥1.6363]]>J-1(y)≈1.09542y2+0.214217y+2.33727y,0<y<0.3646-0.706692log(-0.386013(y-1))+1.75017y,0.3646≤y≤1;]]>6)、根据信噪比SNR计算当前数据包的物理层资源丢块率和应用层丢包率：对于选择调制和编码模式为h的资源块的丢块概率计算如下：其中erfc(·)是互补误差函数，而b(h)和c(h)可以通过拟合计算的方式预先得到；对于应用层视频码流第n帧中第i个包的丢包概率其中，Bnum为当前数据包占用的物理层资源快数量；7)、根据编码结构计算失真，失真计算中的丢包率包括认证概率和丢包概率组合的情况，即当前包被成功认证且不丢包的概率为8)、计算当前数据包传输过程中的端到端失真D：D=E[(fni-f~fi)2=(fni)2-2·fni·E[(f~ni)+E[(f~ni)2];]]>其中，S为当前第n帧中当前数据包包含的像数个数；如果当前帧属于左视点，则采用传统失真计算方法。利用像素期望递归的方法计算失真。帧内预测编码块的失真计算E[f~n,li]=θn,li·(f~n,li)+(1-θn,li)·θn-1,li·E[f~n-1,lk]+(1-θn,li)·(1-θn-1,li)·E[f~n-1,li];]]>帧间预测的编码块的像数失真计算E[f~n,li]=θn,li·(e^n,li+E[f~n-1,lj])+(1-θn,li)·θn-1,li·E[f~n-1,lk]+(1-θn,li)·(1-θn-1,li)·E[f~n-1,li];]]>E[(f~n,li)2]=θn,li&C...

【技术特征摘要】
1.一种无线网络环境下的3D医疗视频传输方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)、根据无线3D医疗视频的可容错认证哈希数量的选择，应用层视频编码量化参数的
选择，LTE下行链路物理层调制与编码模式的选择，通过最小化端到端3D视频失真综合建立
得到以下最优的参数：
(mhash(d0,...dm-1)opt,QPopt,MCSopt)=argminm∈H,QP∈Q,MCS∈ZD(m,QP,MCS)]]>subjecttot<Tmax其中mhash(d0,...dm-1)opt是当前数据包的最优的哈希父节点，H,Q,和Z分别表示候选的
哈希父节点集合，QP集合以及MCS模式集合，QP为编码条带的量化参数，MCS为物理层调制与
编码模式，Tmax一个数据包传输的最大时延限制，T指数据包的传输时延，可以通过数据包的
大小除以物理层传输速率近似得到；
2)、设置初始QP以及MCS等参数：设置QP＝minQP，minD＝0，maxMCS＝15，maxQP＝45；
3)、针对双目采集的3D医疗视频，根据多视点视频编码具有视间预测的编码结构，以QP
为量化参数进行编码；
4)、对当前数据包设置哈希父节点数据量置为0，即m＝0，并得到当前数据包最大可能
的哈希节点数量为maxH，根据公式计算当前第i个数据包的
认证成功的概率，其中，当前第i(i<maxH)个数据包选择的哈希父节点的数量是m(m<maxH)，
而第t个父节点距离当前包的距离为dt，认证成功的概率为假定当前数据传输应用层丢
包的概率为ρi；
5)、设置物理层信道的编码和调制模式MCS＝1；对每一种调制和编码模式h，计算等效
的信噪比γmieff(h)=κ(h)[J-1(1NsbΣj=1NsbJ(γjκ(h)))]2;]]>其中，Nsb代表子载波的数量,γj是第j个子载波的信号与干扰加噪声比，κ(h)为调制和
编码模式h下的校正因子，J(x)和J-1(y)计算如下：
J(x)≈-0.04210610x3+0.209252x2-0.00640081x,0<x<1.63631-exp(0.00181491x3-0.142675x2-0.08220540x+0.0549608),x≥1.6363]]>J-1(y)≈1.095...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金霞，张增年，
申请(专利权)人：浙江万里学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33