基于W in CE的無線視頻監控系統

趙曉焱 劉小可

（河南師范大學計算機與信息技術學院，河南 新鄉 453007；河南省科學技術信息研究院，河南 鄭州 450000）

基于W in CE的無線視頻監控系統

趙曉焱 劉小可

（河南師范大學計算機與信息技術學院，河南 新鄉 453007；河南省科學技術信息研究院，河南 鄭州 450000）

提出了一種基于W in CE平臺的無線視頻監控系統。由于無線網絡帶寬的波動性和高誤碼率，系統引入了RTP速率控制單元，優化了傳統的RTCP擁塞控制，在客戶端中加入丟包處理模塊，通過采用分級速率調節，重傳關鍵幀I幀數據包等策略為無線視頻傳輸提供了有效的QoS保障，提高了視頻傳輸質量和穩定性。

W in CE；監控系統；差錯控制；擁塞控制

隨著無線傳輸技術和數字成像技術的發展，有線視頻監控開始向無線視頻監控演進[1]，無線監控將視頻監控系統帶進了更廣闊的應用領域。基于無線通信平臺的遠程監控終端兼容了多種通訊方式，具有強大的實時圖像采集和傳輸能力，并且支持復雜的數據采集和控制邏輯，可以應用于本地控制、遠程遙控等多種模式[2]。無線視頻監控系統的應用與移動視頻點播類似，是從有線網絡向無線網絡的單向的無線流媒體，同時比視頻點播要求有更高的實時性。它以無線移動設備作為客戶端，通過無線接入點，以IP網絡為基礎，向架設在有線網絡上的服務器發出請求，再由服務器向客戶端發送流媒體數據。由于無線視頻監控系統中視頻業務數據量大，無線信道又具有易錯、時變和帶寬有限的特點，使得信道的誤碼率和丟包率遠遠高于有線網絡，因此必須使用擁塞控制、差錯控制、改進傳輸協議等方法來保證視頻服務質量（QoS）。

1 無線視頻監控系統結構分析

本文系統結構分為三個部分：服務器（嵌入式網絡攝像機）、接收端（PDA終端）和網絡通訊線路。服務端內置了高性能的RISC芯片[3]，可以實現Web服務以及TCP/IP協議，負責采集視頻數據。網絡攝像機采用MPEG-4視頻編碼方案和G.723音頻編碼方案進行音視頻壓縮，以RTSP方式提供流媒體服務，與請求連接的客戶端交換數據，獲取客戶端監聽的RTP端口，將客戶端的IP地址與端口加入RTP發送列表，并提供CGI接口使客戶端可以對攝像機進行控制。音視頻數據通過WLAN無線局域網絡發送到PDA終端，用戶通過Pocket PC獲得壓縮后的媒體流解碼并播放，真正實現了在寬帶無線網絡系統中的視頻實時監控。由于無線網絡帶寬的波動性和高誤碼率，在系統設計中必須考慮視頻流的擁塞控制和差錯控制，并在客戶端中加入丟包處理模塊，以提高畫面質量和穩定性。

圖 1無線視頻監控系統結構圖

2 系統開發平臺W inCE

Win CE是微軟公司開發得一種嵌入式操作系統（EOS）。它是一種模塊化的（可組裝定制）、實時的、有強大通信能力的、搶先式、多任務的嵌入式操作系統。

系統采用Win CE作為無線視頻監控系統的手持終端的嵌入式操作系統。Win CE面向只有有限的硬件系統，采用模塊化設計方式，它不需要標準硬件，它提供了一個操作系統所能提供的最大柔性，并具有緊湊高效可伸縮的特性。Win CE包含強有力的應用程序開發工具Embedded Visual C++。利用EVC，程序員將在友好的環境下開發基于Win CE的應用程序，并能訪問詳細的平臺軟件開發工具包文檔。同時用EVC進行應用程序開發，程序可運行于特定的平臺，不需要編寫額外的代碼，針對特定平臺的代碼轉換工作將由系統自動完成。EVC和VC在界面、語法和開發流程上十分相似。對于有VC開發經驗的人來說，可以較快地進入EVC的開發。

3 系統的關鍵技術

視頻監控系統中的視頻數據的傳輸實際就是流媒體的傳輸，流媒體的傳輸對網絡帶寬、傳輸時延、分組丟包有著嚴格的要求[4]。尤其將基于PDA的視頻監控系統應用于CDMA1X網絡中時，視頻狀況嚴重下降，丟包率非常高。在無線環境中，有兩類原因導致數據丟失：網絡擁塞和鏈路錯誤。網絡擁塞引起的數據丟失為擁塞丟包，鏈路錯誤引起的數據丟失為誤碼丟包。

3.1 擁塞控制機制

傳統的TCP擁塞控制機制將網絡擁塞作為丟包的唯一原因，已經不能適用于無線網絡，否則會導致錯誤的速率調整，降低網絡性能。同時TCP重傳造成的時延對于實時業務質量是不能承受的，多媒體實時業務如VOIP、視頻會議、視頻點播等業務通常使用UDP包來傳輸，但是UDP包沒有提供擁塞控制和質量保證的機制，基于UDP的傳輸質量會由于網絡通信中不可避免的分組丟失而嚴重降低，所以需要在UDP的上層加上實時傳輸協議（RTP）或實時流協議（RTSP）等擁塞控制的機制。目前流媒體的擁塞控制是由應用程序利用RTCP提供的信息來實現的，擁塞控制的實現十分復雜，給應用開發造成了很多困難，這使得很多應用開發者在其應用程序中根本就不采取擁塞控制[5]。在有線網絡中，針對怎樣控制這些非TCP流的傳輸速率，國內外進行了大量的研究，如TFRC等方法，不但要求自適應的根據網絡狀態調整發送速率，還要求具有TCP友好性。這些方法都需要由接收端的反饋得到丟包率和RTT。接收端發送一個RTCP反饋報告，提供反映RTP流狀態的特殊信息，包括包丟失率和抖動信息，發送端可以判斷網絡擁塞狀況和控制傳輸速率。但這種方案應用于無線移動網絡時，發送端不能識別擁塞丟包和誤碼丟包，會造成不合理的速率控制，誤碼丟包任務會使網絡發生擁塞從而降低發送速率，造成網絡吞吐量下降。

圖2 傳統的RTCP擁塞控制方案圖

為解決此問題，系統引入了RTP速率控制單元。在系統的速率調節控制中，傳輸層使用RTP協議，RTP速率控制單元作為速率控制的代理，將其設置于有線網絡和無線網絡的邊緣處。其實現方法類似于split TCP，在中繼點上工作，但并不真正的分離一個RTP連接，而是反饋一個相應的RTCP信息，同時客戶端也返回RTCP至媒體服務器。RCU的功能是接收RTP包到達基站時的信息并發送RTCP反饋信息給媒體服務器。媒體服務器端通過RCU反饋的RTCP包來判斷網絡狀態，統計信息塊中的丟包率、抖動等參數，同時計算往返時間RTT，將統計參數通知應用程序，進行速率調節，防止系統進入嚴重的擁塞狀況，并相應地采取選擇性重傳等差錯控制，提高QoS質量。系統的結構方案如圖3所示：

圖 3 優化的基于RCU的速率與魯棒性控制方案圖

3.2 分級速率控制

由于系統采用的網絡攝像機具有分級編碼的功能，可以將采集到的視頻圖像按照幾個不同碼率的大小來壓縮，發送相應帶寬的數據，因此可以利用反饋得到的丟包信息正確的判斷網絡狀況并調節攝像機發送的視頻流速率。以RTP監控代理的包丟失率反饋報告為基礎，系統利用分級轉換視頻發送帶寬來執行發送速率控制。服務器可將視頻圖像壓縮編碼為各個不同比特率級別的文件，64kbps、128kbps、256kbps……2048kbps，并可以配置改變圖像質量（high/middle/low）。當平均包丟失率超過1%時視頻服務器選擇降低一個級別的帶寬速率發送。平均包丟失率Pavg-RCU按公式（1）計算：

其中ω是權重參數，每收到接收端的RTCP后ω增加1。當服務端選擇了不同的比特率級別后ω被重置為1。當平均包丟失率少于0.1%并且ω達最大值Maxω時視頻服務器選擇高一個級別的發送帶寬。

3.3 差錯控制策略

對MPEG4的FGS分層編碼，基本層的傳輸如果出現比特錯誤，錯誤會向增強層擴散。流媒體錯誤控制最主要的是要防止錯誤擴散。而且對于某一幀來說，如果基本層的數據沒有收到，即使收到了增強層的數據也是無法解碼的。由于PDA的解碼速度較慢，有一定的等待時間，因此系統采用對基本層數據的選擇性重發進行差錯控制。考慮重傳丟失數據在一定程度上會增加網絡和系統的壓力[8]，本文采取只重傳關鍵幀I幀數據包的策略。基本思想示意見圖4：

圖 4 重傳法示意圖

重傳線程采用TCP連接，因為TCP是面向連接的服務比UDP無連接服務可靠，但不能讓TCP線程一直重傳某一丟失的幀，只讓它重傳一次，TCP的確認幀附在重傳幀后。發送方需要維護一個定時器，定時器的時長是從發送者到接收者之間最大RTT（round to time）的兩倍，以避免包的誤發。

4 總結

本文對無線網絡中視頻傳輸控制技術做了深入分析和研究，以期對改善無線網絡下的視頻傳輸質量提供有價值的參考。文中采用的有線網絡與無線網絡邊緣的RTP速率控制單元方案，實現了在無線流媒體傳輸中有效區分擁塞丟包與誤碼丟包，擁塞控制和差錯控制效率得到了較大提高，丟包模塊測試結果顯示系統提高了視頻傳輸與解碼播放的質量，減少了網絡帶寬和系統開銷，為無線網絡中多媒體信息QoS保障的進一步研究提供了重要的參考。然而面向大眾應用的無線視頻傳輸技術尚未成熟，仍需進一步的研究改進。比如與信源編碼相結合的碼率控制，在編碼器中實現自適應速率調節的控制技術和抗誤碼的編碼技術，都是本文后續研究工作要考慮的問題。

[1]曹型兵，陳瑩星.基于SIP無線視頻監控系統實時視頻的實現[J].電視技術，2012，36（13）：122-124．

[2]楊明遠，閻明，張亞東.CDMA岸標無線視頻監控系統的設計與應用[J].計算機工程與應用，2010，46（2）：221-223．

[3]楊國斌，李秋紅，王太宏.基于WSNS和3G 網絡的無線遠程安防監控系統[J].傳感器與微系統，2012，31（12）：76-78．

[4]Liu Jain-Shing.A cross-layer control method for network lifetime maximization in wireless sensor networks[J].International Journal of Innovative Computing，Information and Control，2012，8（11）：7603-7625.

[5]李昕，陳浩，陳堅.基于反饋的區分服務網絡擁塞管理方案研究[J].計算機應用研究，2012，29（8）：3088-3090．

TN919

A

1671-0037（2014）05-68-2

國家自然科學基金（U1204609）；河南省科學技術重點研究項目（14A510011）。

趙曉焱（1981-），女，講師，碩士，研究方向:多媒體網絡通信。