一種無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的3D醫(yī)療視頻傳輸方法技術(shù)

一種無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的3D醫(yī)療視頻傳輸方法，通過遞歸計(jì)算得到當(dāng)前編碼QP，當(dāng)前認(rèn)證哈西數(shù)量，當(dāng)前MCS模式下的端到端視頻失真；通過遍歷計(jì)算所有QP、認(rèn)證哈西數(shù)量、MCS的組合情況下的端到端失真，選擇一種失真最小情況下的QP、認(rèn)證哈西數(shù)量、MCS進(jìn)行應(yīng)用層編碼和認(rèn)證，物理層MCS的配置，并傳輸當(dāng)前數(shù)據(jù)包。這種方法可以系統(tǒng)的配置與協(xié)調(diào)不同參數(shù)對(duì)認(rèn)證與容錯(cuò)方面的強(qiáng)度，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下能夠最大化3D醫(yī)療視頻的質(zhì)量。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及視頻編碼與無線傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的3D醫(yī)療視頻傳輸方法。
技術(shù)介紹
隨著電子信息和多媒體通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)逐步走向數(shù)字化的分布式應(yīng)用模式。信息技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的電子健康技術(shù)，極大的推動(dòng)了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。而電子健康技術(shù)的核心問題就是遠(yuǎn)程處理和監(jiān)控患者的健康信息。視頻處理與無線通信技術(shù)的結(jié)合突破了醫(yī)療水平差異的地域限制，遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)大多基于2D視頻通信系統(tǒng)進(jìn)行醫(yī)療信息的傳遞與交互。近年來，隨著數(shù)字成像，3D視覺以及3D顯示等技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字3D視頻技術(shù)已經(jīng)成為目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。與2D視頻相比，3D視頻能夠使前景、背景圖像的區(qū)分更加明顯，具有更清晰的邊界輪廓和更細(xì)膩的紋理圖案，從而能夠呈現(xiàn)給人們更好的成像質(zhì)量和更加生動(dòng)自然的3D感知效果，讓人們重新看到自然場(chǎng)景的三維本質(zhì)，感受到完全不同于一般平面畫面的視覺體驗(yàn)。為了提供更為精準(zhǔn)的第三維信息，3D視頻可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。3D視頻系統(tǒng)可以使醫(yī)生獲得從傳統(tǒng)平面顯示無法捕捉到的深度信息數(shù)據(jù)，能夠全方位讀取影像信息，為臨床診斷提供更豐富、精準(zhǔn)的影像資料，大幅度降低對(duì)病灶的漏診、從而提高診療質(zhì)量。目前，3D醫(yī)療視頻通信大多基于無線網(wǎng)絡(luò)，可以覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)。由于無線通信技術(shù)相比有線通信容易被侵入，這樣醫(yī)療視頻通信過程中的認(rèn)證技術(shù)對(duì)保護(hù)病人患者的隱私就極為關(guān)鍵。傳統(tǒng)面向數(shù)據(jù)流的認(rèn)證簽名技術(shù)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行簽名，復(fù)雜度等代價(jià)較高。在數(shù)據(jù)包編碼過程中，每一個(gè)編碼條帶(slice)作為一個(gè)基本的打包單元進(jìn)行打包。而每個(gè)視頻數(shù)據(jù)包的碼率基本由編碼的量化參數(shù)來決定。因此，在實(shí)時(shí)編碼中，可以根據(jù)信道帶寬的情況實(shí)時(shí)的決定編碼條帶的量化參數(shù)(quantizationparameter，QP)，而不同QP的選擇將會(huì)導(dǎo)致不同程度的視頻失真，也就是不同程度的視頻質(zhì)量。編碼后的每一個(gè)視頻數(shù)據(jù)包作為一個(gè)基本的應(yīng)用層單元進(jìn)行傳輸，傳遞給網(wǎng)絡(luò)的其他層。為了保證視頻數(shù)據(jù)包的安全性和易于版權(quán)管理，視頻傳輸通常需要認(rèn)證技術(shù)進(jìn)行加密或者認(rèn)證處理。現(xiàn)有的視頻傳輸可以采用多路徑哈希鏈條認(rèn)證模式，也就是基于同源多鏈條的哈希認(rèn)證處理模式，對(duì)一個(gè)圖像組(GOP，groupofpictures)進(jìn)行認(rèn)證處理。每一幀的數(shù)據(jù)包可以根據(jù)GOP內(nèi)已經(jīng)解碼幀內(nèi)的對(duì)應(yīng)位置數(shù)據(jù)包進(jìn)行哈希的父節(jié)點(diǎn)選擇(哈希鏈的上一層索引)。每一個(gè)包可以有多種哈希鏈路徑選擇方案(也就是父節(jié)點(diǎn)選擇)，每一種選擇方案根據(jù)路徑上先前節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證情況，估計(jì)出當(dāng)前包的當(dāng)前認(rèn)證方案的認(rèn)證概率。同時(shí)計(jì)算出該認(rèn)證所需花費(fèi)的比特?cái)?shù)。假定每個(gè)包可以最大有N個(gè)哈希父節(jié)點(diǎn)，每個(gè)哈希消耗比特?cái)?shù)為b，而認(rèn)證成功的概率為假定信道傳輸丟包的概率為ρ。每個(gè)包可以有多個(gè)哈希鏈接，這樣每個(gè)包的認(rèn)證成功的概率是不同的，假定N個(gè)包作為一組，擁有一個(gè)簽名。為了減少認(rèn)證和解碼延遲，我們假定當(dāng)前數(shù)據(jù)包只能選擇本數(shù)據(jù)包所依賴的必須比當(dāng)前包先解碼的包作為哈希的父節(jié)點(diǎn)。假定可以利用的哈希父節(jié)點(diǎn)有M個(gè)，則當(dāng)前第i(i<M)個(gè)數(shù)據(jù)包認(rèn)證成功的概率為如果當(dāng)前第i(i<M)個(gè)數(shù)據(jù)包選擇的哈希父節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是m(m<M)，而第n個(gè)父節(jié)點(diǎn)距離當(dāng)前包的距離為dn,則當(dāng)前該數(shù)據(jù)包的認(rèn)證成功的概率修訂為并且哈希認(rèn)證花費(fèi)的比特?cái)?shù)為m·b。假定原有數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為S,而加入哈希認(rèn)證數(shù)據(jù)后的包的長(zhǎng)度為S+m·b,則每個(gè)數(shù)據(jù)包在物理層可以分割的資源塊的數(shù)量和相應(yīng)的調(diào)制和信道編碼(modulationandchannelcodingschemes,MCS)都可能根據(jù)信道的質(zhì)量而發(fā)生變化。因此隨著哈希父節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，每個(gè)包對(duì)應(yīng)的資源塊數(shù)量也會(huì)增加，相應(yīng)的每個(gè)數(shù)據(jù)包的丟包概率也會(huì)增加，因此每個(gè)數(shù)據(jù)包的哈希數(shù)量直接影響到數(shù)據(jù)的認(rèn)證概率和丟包概率。在視頻傳輸過程中，除了信源失真和信道失真，沒有通過認(rèn)證的視頻數(shù)據(jù)包也將引起視頻失真。這主要是由于當(dāng)前數(shù)據(jù)包由于哈希認(rèn)證依賴的數(shù)據(jù)包丟包而造成當(dāng)前數(shù)據(jù)包無法認(rèn)證而引起失真。另一方面，認(rèn)證比特?cái)?shù)據(jù)占用了帶寬數(shù)據(jù)，可能會(huì)造成信源數(shù)據(jù)減少而帶來信源質(zhì)量的損失，也就是產(chǎn)生一定的失真?；诠ｆ湕l(hashchain)簽名的視頻流認(rèn)證(stream-levelauthentication)較為簡(jiǎn)潔。為了提高認(rèn)證數(shù)據(jù)包的容錯(cuò)能力，通常采用同源多鏈條認(rèn)證方式。但是同源多鏈條認(rèn)證模式大大增加了傳輸數(shù)據(jù)的冗余。如何有效的選擇認(rèn)證的哈希路徑數(shù)量，直接影響視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，以及接收端視頻的失真。由于無線網(wǎng)絡(luò)物理層支持一定的調(diào)制與信道編碼模式，可以對(duì)數(shù)據(jù)流行成一定的保護(hù)，但物理層調(diào)制與信道編碼方式的選擇也直接影響數(shù)據(jù)包的丟包概率和視頻失真。傳統(tǒng)的認(rèn)證方法并沒有從系統(tǒng)整體最優(yōu)的角度來進(jìn)行認(rèn)證哈希的選擇，因此在動(dòng)態(tài)的信道條件下無法保證3D醫(yī)療視頻無線通信質(zhì)量的最優(yōu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題：提供一種視頻傳輸質(zhì)量好的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的3D醫(yī)療視頻傳輸方法。為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的3D醫(yī)療視頻傳輸方法，其特征在于：具體步驟如下：1)、根據(jù)無線3D醫(yī)療視頻的可容錯(cuò)認(rèn)證哈希數(shù)量的選擇，應(yīng)用層視頻編碼量化參數(shù)的選擇，LTE下行鏈路物理層調(diào)制與編碼模式的選擇，通過最小化端到端3D視頻失真綜合建立得到以下最優(yōu)的參數(shù)：(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是當(dāng)前數(shù)據(jù)包的最優(yōu)的哈希父節(jié)點(diǎn)，H,Q,和Z分別表示候選的哈希父節(jié)點(diǎn)集合，QP集合以及MCS模式集合，QP為編碼條帶的量化參數(shù)，MCS為物理層調(diào)制與編碼模式，Tmax一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延限制，T指數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，可以通過數(shù)據(jù)包的大小除以物理層傳輸速率近似得到；2)、設(shè)置初始QP以及MCS等參數(shù)：設(shè)置QP＝minQP，minD＝0，maxMCS＝15，maxQP＝45；3)、針對(duì)雙目采集的3D醫(yī)療視頻，根據(jù)多視點(diǎn)視頻編碼具有視間預(yù)測(cè)的編碼結(jié)構(gòu)，以QP為量化參數(shù)進(jìn)行編碼；4)、對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)包設(shè)置哈希父節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量置為0，即m＝0，并得到當(dāng)前數(shù)據(jù)包最大可能的哈希節(jié)點(diǎn)數(shù)量為maxH，根據(jù)公式計(jì)算當(dāng)前第i個(gè)數(shù)據(jù)包的認(rèn)證成功的概率，其中，當(dāng)前第i(i<maxH)個(gè)數(shù)據(jù)包選擇的哈希父節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是m(m...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的3D醫(yī)療視頻傳輸方法，其特征在于：具體步驟如下：1)、根據(jù)無線3D醫(yī)療視頻的可容錯(cuò)認(rèn)證哈希數(shù)量的選擇，應(yīng)用層視頻編碼量化參數(shù)的選擇，LTE下行鏈路物理層調(diào)制與編碼模式的選擇，通過最小化端到端3D視頻失真綜合建立得到以下最優(yōu)的參數(shù)：(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是當(dāng)前數(shù)據(jù)包的最優(yōu)的哈希父節(jié)點(diǎn)，H,Q,和Z分別表示候選的哈希父節(jié)點(diǎn)集合，QP集合以及MCS模式集合，QP為編碼條帶的量化參數(shù)，MCS為物理層調(diào)制與編碼模式，Tmax一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延限制，T指數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，可以通過數(shù)據(jù)包的大小除以物理層傳輸速率近似得到；2)、設(shè)置初始QP以及MCS等參數(shù)：設(shè)置QP＝minQP，minD＝0，maxMCS＝15，maxQP＝45；3)、針對(duì)雙目采集的3D醫(yī)療視頻，根據(jù)多視點(diǎn)視頻編碼具有視間預(yù)測(cè)的編碼結(jié)構(gòu)，以QP為量化參數(shù)進(jìn)行編碼；4)、對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)包設(shè)置哈希父節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量置為0，即m＝0，并得到當(dāng)前數(shù)據(jù)包最大可能的哈希節(jié)點(diǎn)數(shù)量為maxH，根據(jù)公式計(jì)算當(dāng)前第i個(gè)數(shù)據(jù)包的認(rèn)證成功的概率，其中，當(dāng)前第i(i<maxH)個(gè)數(shù)據(jù)包選擇的哈希父節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是m(m<maxH)，而第t個(gè)父節(jié)點(diǎn)距離當(dāng)前包的距離為dt，認(rèn)證成功的概率為假定當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用層丟包的概率為ρi；5)、設(shè)置物理層信道的編碼和調(diào)制模式MCS＝1；對(duì)每一種調(diào)制和編碼模式h，計(jì)算等效的信噪比γmieff(h)=κ(h)[J-1(1NsbΣj=1NsbJ(γjκ(h)))]2;]]>其中，Nsb代表子載波的數(shù)量,γj是第j個(gè)子載波的信號(hào)與干擾加噪聲比，κ(h)為調(diào)制和編碼模式h下的校正因子，J(x)和J?1(y)計(jì)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)、根據(jù)信噪比SNR計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)包的物理層資源丟塊率和應(yīng)用層丟包率：對(duì)于選擇調(diào)制和編碼模式為h的資源塊的丟塊概率計(jì)算如下：其中erfc(·)是互補(bǔ)誤差函數(shù)，而b(h)和c(h)可以通過擬合計(jì)算的方式預(yù)先得到；對(duì)于應(yīng)用層視頻碼流第n幀中第i個(gè)包的丟包概率其中，Bnum為當(dāng)前數(shù)據(jù)包占用的物理層資源快數(shù)量；7)、根據(jù)編碼結(jié)構(gòu)計(jì)算失真，失真計(jì)算中的丟包率包括認(rèn)證概率和丟包概率組合的情況，即當(dāng)前包被成功認(rèn)證且不丟包的概率為8)、計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)包傳輸過程中的端到端失真D：D=E[(fni-f~fi)2=(fni)2-2·fni·E[(f~ni)+E[(f~ni)2];]]>其中，S為當(dāng)前第n幀中當(dāng)前數(shù)據(jù)包包含的像數(shù)個(gè)數(shù)；如果當(dāng)前幀屬于左視點(diǎn)，則采用傳統(tǒng)失真計(jì)算方法。利用像素期望遞歸的方法計(jì)算失真。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼塊的失真計(jì)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];]]>幀間預(yù)測(cè)的編碼塊的像數(shù)失真計(jì)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...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的3D醫(yī)療視頻傳輸方法，其特征在于：具體步驟如下：
1)、根據(jù)無線3D醫(yī)療視頻的可容錯(cuò)認(rèn)證哈希數(shù)量的選擇，應(yīng)用層視頻編碼量化參數(shù)的
選擇，LTE下行鏈路物理層調(diào)制與編碼模式的選擇，通過最小化端到端3D視頻失真綜合建立
得到以下最優(yōu)的參數(shù)：
(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是當(dāng)前數(shù)據(jù)包的最優(yōu)的哈希父節(jié)點(diǎn)，H,Q,和Z分別表示候選的
哈希父節(jié)點(diǎn)集合，QP集合以及MCS模式集合，QP為編碼條帶的量化參數(shù)，MCS為物理層調(diào)制與
編碼模式，Tmax一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延限制，T指數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，可以通過數(shù)據(jù)包的
大小除以物理層傳輸速率近似得到；
2)、設(shè)置初始QP以及MCS等參數(shù)：設(shè)置QP＝minQP，minD＝0，maxMCS＝15，maxQP＝45；
3)、針對(duì)雙目采集的3D醫(yī)療視頻，根據(jù)多視點(diǎn)視頻編碼具有視間預(yù)測(cè)的編碼結(jié)構(gòu)，以QP
為量化參數(shù)進(jìn)行編碼；
4)、對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)包設(shè)置哈希父節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量置為0，即m＝0，并得到當(dāng)前數(shù)據(jù)包最大可能
的哈希節(jié)點(diǎn)數(shù)量為maxH，根據(jù)公式計(jì)算當(dāng)前第i個(gè)數(shù)據(jù)包的
認(rèn)證成功的概率，其中，當(dāng)前第i(i<maxH)個(gè)數(shù)據(jù)包選擇的哈希父節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是m(m<maxH)，
而第t個(gè)父節(jié)點(diǎn)距離當(dāng)前包的距離為dt，認(rèn)證成功的概率為假定當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用層丟
包的概率為ρi；
5)、設(shè)置物理層信道的編碼和調(diào)制模式MCS＝1；對(duì)每一種調(diào)制和編碼模式h，計(jì)算等效
的信噪比γmieff(h)=κ(h)[J-1(1NsbΣj=1NsbJ(γjκ(h)))]2;]]>其中，Nsb代表子載波的數(shù)量,γj是第j個(gè)子載波的信號(hào)與干擾加噪聲比，κ(h)為調(diào)制和
編碼模式h下的校正因子，J(x)和J-1(y)計(jì)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...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉金霞，張?jiān)瞿?/a>，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江萬里學(xué)院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江;33