利用SRUDP 的3G 無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

梅魯海

(浙江機電職業(yè)技術學院 電氣電子工程學院, 杭州310053)

1 引 言

流媒體技術指的是視頻和音頻等數(shù)據(jù)以實時傳輸協(xié)議為載體,以連續(xù)的流形式從發(fā)送源端向目的端傳輸,并在目的端接收到一定緩存數(shù)據(jù)后,隨即播放出來的多媒體應用技術。移動流媒體技術是把流媒體技術應用到移動網(wǎng)絡上的新技術。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)則是以流媒體技術為核心,并綜合應用智能傳感器、網(wǎng)絡通信和計算機等多種技術的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

近幾年來,我國的3G 通信網(wǎng)絡開始大規(guī)模商用,3G 技術帶來的最直接變化就是移動網(wǎng)絡帶寬不再是視頻業(yè)務發(fā)展的瓶頸,無線傳輸技術由此被廣泛地應用到了流媒體系統(tǒng)中,基于無線網(wǎng)絡的流媒體實時傳輸技術也成為了目前業(yè)界的研究熱點和重點。但由于目前傳輸網(wǎng)上的主機性能差異和帶寬變化,視頻應用的實時傳輸變得非常復雜,網(wǎng)絡常常造成擁塞。又因為數(shù)據(jù)在特殊的無線信道傳輸中極易受到多徑效應等環(huán)境因素的干擾,從而導致較高的誤碼率、傳輸時延和抖動,因此如何在帶寬低、延時長和誤碼高的不穩(wěn)定無線信道中傳輸實時和高質量的視頻信號是一個需要研究的關鍵課題。無線通信網(wǎng)絡技術自身的發(fā)展很難為多媒體應用提供絕對的服務質量保證,但利用終端的一些控制策略則可以盡量改善服務質量。例如,利用發(fā)送速率控制和視頻質量控制就可以解決視頻碼率和帶寬的不匹配問題等。

本文在基礎理論、專業(yè)知識、實驗設計和應用新技術解決實際問題等方面對一種利用SRUDP 的3G無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的新型設計做了探討和研究。實驗證明,本設計的創(chuàng)新性強、擴展性好,既可以作為獨立的系統(tǒng)使用,也可以方便地集成到專業(yè)級視頻會議和視頻監(jiān)控等相關應用系統(tǒng)中,例如電力系統(tǒng)監(jiān)控視頻傳輸、社區(qū)安防視頻監(jiān)控和企業(yè)視頻會議等。

2 系統(tǒng)結構設計

本設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體物理結構如圖1所示。系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)、監(jiān)控中心視頻服務器和監(jiān)控用戶端3 部分組成。視頻監(jiān)控前端部分包括攝像機、前端視頻服務器和3G 通信模塊。系統(tǒng)運行時,為適應3G 網(wǎng)絡環(huán)境的視頻傳輸,各攝像機首先將采集到的視頻流信號送給前端視頻服務器進行H.264 標準的視頻編碼和壓縮,后經(jīng)過IP 格式的封裝處理,再通過3G 的通信模塊傳送到監(jiān)控中心,而監(jiān)控中心則可以通過3G 網(wǎng)絡或以太網(wǎng)接收和處理視頻數(shù)據(jù)。監(jiān)控用戶端可以通過視頻服務器發(fā)送控制指令,如控制攝像機鏡頭和云臺等。監(jiān)控中心視頻服務器的功能是負責轉發(fā)和控制監(jiān)控用戶端請求和調用的視頻流。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體組成Fig.1 The overall composition of video monitoring system

3G 方式的通信數(shù)據(jù)傳輸與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸相比,可用的帶寬較小,所以容易出現(xiàn)網(wǎng)絡的抖動。因此,當用戶所處的環(huán)境變化時,3G 網(wǎng)絡的通信質量也會隨之改變。TCP 協(xié)議一般具有擁塞控制和慢啟動的特性,會影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?而3G通信網(wǎng)絡通過TCP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸時,也會產(chǎn)生較多的網(wǎng)絡開銷,并占用帶寬。UDP 協(xié)議則是一種不可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式,盡管通信的效率較高,在3G 網(wǎng)絡中卻會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包的問題,進而會降低視頻傳輸?shù)馁|量,因此不適合對可靠性要求較高的應用環(huán)境[1]。

為解決上述問題, 本設計提出了一種利用SRUDP(Simple Reliable UDP)的3G 無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案,系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 利用SRUDP 的3G 無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.2 The structure diagram of 3G wireless network video monitoring system using SRUDP

圖2 中,位于視頻發(fā)送端的H.264 編碼器對攝取的視頻數(shù)據(jù)首先進行壓縮和編碼,并進行UDP 報頭、SRUDP 報頭和IP 報頭的封裝,然后經(jīng)過3G 通信網(wǎng)絡的轉發(fā),用戶視頻接收端收到后先進行視頻信號的解碼處理,QoS 監(jiān)測模塊則負責對視頻質量和網(wǎng)絡狀況的評測,提供監(jiān)測信息。監(jiān)測到的信息則以TCP 的方式傳送和反饋回視頻的發(fā)送端。發(fā)送端根據(jù)反饋的QoS 信息,通過編碼器進行速率的自適應調整,并參考SRUDP 的緩存情況來進行相應的參數(shù)修改,這樣可以最大程度地減少網(wǎng)絡擁塞的影響,但TCP 的反饋信息并不是最主要的調整因素。

編碼器視頻傳輸?shù)乃俾收{整方法一般來說是根據(jù)編碼的擴展性進行。傳統(tǒng)的速率調節(jié)一般采用幀丟棄過濾的方式,但這容易引起視頻數(shù)據(jù)流的不連貫,從而降低視頻服務質量。本項目的設計則采用一種以VOP 優(yōu)先級為主的包丟棄控制策略,即VOP數(shù)據(jù)是封裝在視頻數(shù)據(jù)包中,發(fā)送端具有過濾器,如果擁塞超過了設定的上限值,系統(tǒng)就依照VOP 優(yōu)先級首先丟掉低優(yōu)先級的視頻數(shù)據(jù)。這種方式不是丟棄整個的視頻幀,而是丟棄單個的數(shù)據(jù)包,因此接收端能夠獲得穩(wěn)定幀率的視頻數(shù)據(jù)流。

3 SRUDP 的傳輸機制

TCP 和UDP 協(xié)議因為本身的缺陷并不能較好地滿足某些對傳輸要求很高的應用環(huán)境。例如,移動計算環(huán)境就需要采用可靠并且高效的傳輸層協(xié)議,RUDP 協(xié)議雖然能夠滿足傳輸?shù)目煽啃砸?但該協(xié)議傳輸?shù)目刂茩C制比較復雜,協(xié)議的頭部偏長。而SRUDP 是一種簡化和自定義的、并為UDP 引入了許多可靠的控制機制的協(xié)議,可以滿足上述要求。

SRUDP 協(xié)議基于UDP 之上,具有2 個字節(jié)的協(xié)議頭,即1 個字節(jié)的后向序號和1 個字節(jié)的前向序號。后向序號表示的是帶給對方的證實序號,而前向序號表示的是期望對方下一次發(fā)送的SRUDP 包的序號。SRUDP 協(xié)議圍繞這2 個字節(jié)的協(xié)議頭采用了簡單而有效的重發(fā)機制、證實機制及序號強制對齊機制,以保證通信雙方傳輸?shù)目煽啃訹2]。

為提高3G 通信網(wǎng)絡UDP 傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,SRUDP 設計的鏈路連接是使用像TCP 方式一樣的的三次握手方式。發(fā)送端在數(shù)據(jù)發(fā)送之前,先與接收端嘗試進行連接,但不傳輸真正的用戶數(shù)據(jù),只是用來驗證一下傳輸數(shù)據(jù)的可行性,以保證傳輸鏈路的正確和可靠。發(fā)送端與接收端在視頻傳輸?shù)膶嶋H過程中,各設置了一個發(fā)送緩存與接收緩存的緩存區(qū)。SRUDP 是通過采用滑動窗口機制來進行消息的收發(fā)同步和流量控制的。因為無論接收緩存的空間有多大,當發(fā)送端的發(fā)送速率大于接收端時,有可能造成數(shù)溢出,引起數(shù)據(jù)包的丟失[3]。如圖3 所示,發(fā)送端的滑動窗口是由發(fā)送窗口、重傳隊列與發(fā)送隊列3 部分組成的,而接收端的滑動窗口則是由接收窗口與接收隊列兩部分組成的。

圖3 發(fā)送端與接收端的滑動窗口Fig.3 The sliding windows of sending end and receiving end

SRUDP 協(xié)議中設置了重傳機制,以減小3G 通信網(wǎng)絡因數(shù)據(jù)包錯誤和丟失對視頻質量產(chǎn)生的影響。發(fā)送端是將已發(fā)送的數(shù)據(jù)包放入到重傳隊列,然后開始計時操作,而接收端在收到發(fā)送端的數(shù)據(jù)后,則會回送一個ACK 的信息確認。如果發(fā)送端在約定的時間里沒有收到一個ACK 的信息,則會重傳數(shù)據(jù)。但是一個數(shù)據(jù)包的重傳如果超過了限定的次數(shù),發(fā)送端會放棄重傳的操作,然后退出重傳的隊列。當發(fā)送窗口被重傳隊列整個占滿時,就停止滑動窗口,如果重傳發(fā)生超時或收到信息確認,隊列再進行改變[4]。

4 視頻編碼和糾錯的分析

H.264 編碼標準中含有糾錯工具,可以防止數(shù)據(jù)包丟失出現(xiàn)的問題,同時也具有較高的編碼效率,能夠合理的降低視頻的編碼碼率,所以H.264 非常適合在3G 的通信網(wǎng)絡環(huán)境中處理視頻數(shù)據(jù)。本設計中的前端視頻服務器采用H.264 的壓縮編碼方式,硬件上使用具備ARM 和DSP 雙核的處理器GM8180,由ARM 核心負責操作系統(tǒng)的運行和外圍設備的協(xié)調,DSP 則獨立承擔H.264 標準的視頻編碼。這里,經(jīng)處理器GM 8180 編碼出來的H.264 視頻數(shù)據(jù)形式是NAL(Network Abstraction Lay)單元格式。為提高系統(tǒng)的可靠性,本設計將視頻壓縮模塊和SRUDP 組包模塊劃分為2 個獨立的進程來實現(xiàn)。考慮到硬件資源有限,選擇System VIPC 的共享內存來完成進程間的通信。

本設計中,H.264 壓縮編碼的糾錯機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)組建參數(shù)集

為了保證在容易出錯的環(huán)境中正確地傳輸視頻信息,增強碼流傳輸?shù)募m錯能力,H.264 把一些會造成解碼嚴重失真的關鍵比特信息分離出來,成為一個參數(shù)集的形式。

(2)編碼模式的分層化

一般的H.264 編碼分為NAL 層和VCL 層,在VCL 層,對于平均分布的隨機性位錯誤采用前向糾錯編碼比較有效,但對于高誤碼率或突發(fā)性錯誤的糾錯效果卻不好。本設計采用分層模式的H.264 編碼,因為NAL 層的作用,可以較好地提高抗誤碼性和糾正突發(fā)錯誤[5]。

(3)靈活的宏塊排序

本設計的圖像內部預測機制是只允許用同一片組在空間上相鄰的宏塊,并通過宏塊分配映射技術和靈活的宏塊順序,把每個宏塊分配到不按掃描順序的片中,這樣一幅圖像就由若干個片組成,每片包含一系列的宏塊,并且每個片都是獨立的解碼,不同片的宏塊不能用于自身片中來作為預測參考。這樣,片的設置就不會使誤碼擴散到一幀中。例如,所有的宏塊被分成了片組0 和片組1,當片組1 丟失,因為其周圍的宏塊都屬于其他片的宏塊,根據(jù)相鄰域的相關性,片組0 宏塊的某種加權就可用來代替片組1 的相應宏塊[6]。

5 視頻QoS 控制算法

為充分利用網(wǎng)絡帶寬資源,保持視頻的最佳傳輸質量,本系統(tǒng)的視頻QoS 控制方式運用了迭代算法,即在發(fā)送端根據(jù)接收端反饋回來的網(wǎng)絡參數(shù)來調整編碼速率,具體方法如下。

(1)運用基于模型的方法LDA(Loss-Delay adjustment A lgorithm), 發(fā)送端向接收端發(fā)送一組TCP格式的APP(App lication Specific Functions)報文形式的探測數(shù)據(jù)包,這里,APP 報文的量級較低,對傳輸帶寬影響很小。接收端填充APP 報文中的字段Add(Application-dependent data),把網(wǎng)絡帶寬和數(shù)據(jù)包丟失率等參數(shù)反饋給發(fā)送端處理。

(2)收到相關參數(shù)后,發(fā)送端根據(jù)接收端反饋回來的網(wǎng)絡參數(shù),確定初始編碼速率V0,并把編碼后的視頻流通過DM IF 層、同步層和傳輸層傳送出去[7]。

(3)為適應網(wǎng)絡帶寬的持續(xù)變化,發(fā)送端依據(jù)從接收端傳回來的APP 報文不斷動態(tài)地調整發(fā)送的速率,具體步驟為如下。

首先,發(fā)送端在收到下一個反饋的APP 包之前,始終保持一個穩(wěn)定的發(fā)送速率Vn,并創(chuàng)建APP 和SR報文。發(fā)送端填充APP 的序號,并將SR 中的LSR 字段復制到APP 中的字段Add。每間隔1 s,發(fā)送端發(fā)送一次APP 的報文,但不發(fā)送創(chuàng)建的報文SR。

其次,當接收端解析收到的APP 報文后, 開始創(chuàng)建APP 和RR 報文,接著發(fā)送對應的APP 報文,而不發(fā)送RR 報文。然后,接收端要復制包丟失率的字段P 與RR 中的字段DLSR 到APP 的字段Add。

然后,當發(fā)送端接收到APP 報文后,通過解析獲得包丟失率p 和網(wǎng)絡傳輸延遲Dn的數(shù)值。為確定視頻編碼速率Vn的值,發(fā)送端是運用迭代算法來進行計算,具體如下:設定Vmin=0, Vmax=V0,如果Dn減小,則Vn相對于網(wǎng)絡帶寬來講偏小,Vmin=Vn;如果Dn增加,則Vn相對于網(wǎng)絡帶寬來講偏大,Vmax=Vn。由此,當前的視頻編碼速率Vn+1為

當p>0.2 時,說明當前的網(wǎng)絡擁塞狀況比較嚴重,這時Vn會進行快速調整,即Vn=Vn×0.8。當0.1

(4)TCP 的APP 報文會由于各種原因丟失,因為發(fā)送和接收端都有一個TCP 報文的緩沖區(qū),因此依據(jù)定時器的時間計數(shù),當超過5 s的間隔卻沒有收到APP 的報文時,發(fā)送端和接收端將進行自動重發(fā)APP 的數(shù)據(jù)包,并進行Vn=Vn×0.8 的調整。

6 實驗測試

本設計的仿真實驗裝置選擇在3G 網(wǎng)絡通信的環(huán)境中,針對UDP、TCP 與SRUDP 協(xié)議進行傳輸性能的對比測試。采用3 個數(shù)據(jù)源信號發(fā)生器,分別輸出1 路基于UDP 協(xié)議的2M 數(shù)據(jù)流、基于TCP 協(xié)議的2M 數(shù)據(jù)流和基于SRUDP 協(xié)議和H.264 的2M視頻流。視頻的時長為15 min,分辨率為640×480。發(fā)送端使用3G 通信終端,接收端采用ADSL 網(wǎng)絡,收發(fā)端網(wǎng)絡接口帶寬10 Mbit/s,傳輸延遲5 ms。每種協(xié)議分別測試30 次,計算平均值。以視頻接收端統(tǒng)計的數(shù)據(jù)包丟失率作為視頻質量的評價標準,實驗結果如表1 所示。

表1 UDP、TCP 與SRUDP 傳輸實驗對比Table 1 Transmission experimental comparison of UDP,TCP and SRUDP

測試結果發(fā)現(xiàn),當發(fā)送端的UDP 數(shù)據(jù)流逐漸增大時,在接收端的數(shù)據(jù)包丟失率也跟著逐漸增大,可以看出UDP 數(shù)據(jù)流對傳輸帶寬的影響較大,也不能完成對網(wǎng)絡擁塞的自適應調整。但當發(fā)送端的TCP流或SRUDP 流逐漸增加時,接收端測得的數(shù)據(jù)丟包率變化不明顯。這是因為TCP 流或SRUDP 流增加時,雖然會占用較多的網(wǎng)絡帶寬,但發(fā)送端卻可以根據(jù)網(wǎng)絡可用帶寬的實際狀況適時地改變輸出的速率大小,因此能自適應網(wǎng)絡擁塞的情況,并自動占用較少的網(wǎng)絡資源,由此降低了接收端的包丟失率和傳輸時延,并保證了數(shù)據(jù)流競爭帶寬資源的公平性。實驗同時也發(fā)現(xiàn),在3G 環(huán)境里,在同樣的包丟失率情況下,SRUDP 數(shù)據(jù)流的傳輸速率是TCP 數(shù)據(jù)流的1.5 ～2 倍,明顯高于TCP 數(shù)據(jù)流,由此也體現(xiàn)了基于SRUDP 的視頻應用在3G 通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)越性。

在1 路SRUDP 數(shù)據(jù)流和1 路UDP 數(shù)據(jù)流的并行發(fā)送實驗中,在逐漸增加發(fā)送UDP 數(shù)據(jù)流的同時,發(fā)送端也循環(huán)發(fā)送一定的SRUDP 視頻數(shù)據(jù)流,實驗中發(fā)現(xiàn)接收端的視頻流數(shù)據(jù)丟包率也逐漸上升。而在1 路SRUDP 數(shù)據(jù)流和2 路TCP 數(shù)據(jù)流的并行發(fā)送實驗中,TCP 數(shù)據(jù)流面對擁塞環(huán)境會自我進行調整。例如,實驗發(fā)現(xiàn)如果1 路TCP 數(shù)據(jù)流的速率為128 kbit/s,2 路并行時則約為114 kbit/s。因此,本系統(tǒng)的SRUDP 視頻流和TCP 流共享網(wǎng)絡帶寬時,有一定的自適應性。

7 結 語

雖然,目前國內應用的固定視頻采集實時傳輸系統(tǒng)比較廣泛,但由于布線較多,在一些特殊環(huán)境中無法應用。3G 網(wǎng)絡的正式商用為我們帶來了真正意義上的移動無線寬帶網(wǎng)絡,無線帶寬及復雜環(huán)境的瓶頸再一次被打破,一直跟隨通信技術而發(fā)展的視頻監(jiān)控系統(tǒng)也由此升級到了3G 無線視頻監(jiān)控的階段[9]。本文提出的一種利用SRUDP 的3G 無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的新型設計方案很好地解決了在特殊的無線信道中傳輸實時和高質量視頻信號的關鍵問題。實驗表明,在3G 環(huán)境里,SRUDP 視頻流可以自適應地與TCP 數(shù)據(jù)流共享網(wǎng)絡帶寬,而傳輸速率可以提高到TCP 數(shù)據(jù)流的1.5 ～2 倍,因此本設計在降低視頻數(shù)據(jù)包丟失率、提高傳輸速率和改善視頻質量等方面具有明顯的優(yōu)越性。

因為3G 網(wǎng)絡承載的復雜性和多樣性,在實時視頻應用中需要進一步深入研究高效帶寬的捕捉和反饋、傳輸協(xié)議的延伸和大流量的視頻應用等課題。

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