基于IP網絡的數字視頻信息傳輸技術

樂元果

（重慶市信息通信咨詢設計院有限公司 重慶市 400000）

隨著當今網絡、計算機、傳輸以及圖像處理等技術的不斷發展與優化，數字監控設備總體成本的不斷降低，以及寬帶的廣泛普及，使得視頻監控制技術也呈現出迅猛的發展勢頭。在此背景下，網絡視頻監控已成為整個監控領域中的重要發展方向；而隨著技術的持續發展，也帶來了視頻監控領域投入成本的增加。本文圍繞多媒體網絡視頻監控系統，與其中的實時視頻信息傳輸的基本特點相結合，從多方面對此系統中的視頻信息傳輸技術進行深層研究，如速率控制技術、食品信息的組播傳輸技術及視頻信息壓縮編碼技術等。需要指出的是，此技術借助以PCI 總線為基礎的視頻采集壓縮卡，能夠圍繞實時視頻信息，利用H.264 視頻壓縮算法對其實施壓縮編碼。本文基于工控PC 機，對視頻信息傳輸技術架構當中的一些關鍵設備進行了設計，也就是以工控PC 機為基礎的視頻服務器，以及以視頻信息組播傳輸為基礎的網絡模型；另外，還采用以發送端為基礎的速率控制技術，為視頻信息能夠高質量的在IP 網絡上進行傳輸提供切實保障。本文就此探討如下。

1 數字視頻信息編解碼技術分析

針對視頻壓縮編碼來講，其最核心目的即為實現視頻序列相應碼率的減少，以此為既定信道上視頻信息的實時、高質量傳輸提供切實方便。對于視頻所采用的編解碼系統來分析，其主要由兩部分組成，其一為解碼器，其二是編碼器；而在整個編碼器架構當中，首先，用信源模型所對應的各項參數，對視頻序列（數字化）進行全面、深層次的描述；然后，量化信源模型的各項參數，使之成為相對有限且標準化的符號集；最后，采用當前比較實用且先進的無損編碼技術，對各種量化參數進行映射，使之成為更加滿足現實需要的二進制碼字，而從中所產生的大量比特流，會在IP 網絡上有規律、有目的性的傳輸。對于解碼器而言，其能夠根據現實情況及具體需要，反向開展編碼器的量化與二進制編碼，對信源模型所對應的各項量化參數進行重新獲取；然后利用解碼器所對應的圖象合成算法，并借助信源模型所給出的各種量化參數，將解碼相對應的視頻幀給計算出來。

需要指出的是，在整個數字視頻監控系統當中，因有著比較多的多媒體種類，且型號繁雜、信息量龐大，尤其是那些比較常見、常用的視頻圖像、聲音信息、數據及圖形等，在其中有著更大的占比；在此背景下，怎樣處理如此規模龐大的數據量，已經成為當前存儲、傳輸領域中需要迫切解決的難題所在。從根本上來分析，要想將此類信息進行有效化、合理化、規范化儲存與傳輸，首先要做的便是利用先進且高效的數據壓縮技術，對這些信息、數據進行有目的性、順序性且流程化的壓縮編碼處理；而在視頻編碼壓縮標準上，比較常用的有兩種，其一為H.264 標準，其二是MPEG-4 標準，通過對這些標準的嚴格遵循，以此來得到比較高的壓縮比，并最終獲得質量更高、更清晰的視頻圖像。

2 以工控PC機為基礎的視頻服務器設計

在整個視頻信息傳輸領域中，視頻服務器乃是其中不可分割的重要構成，是發揮著關鍵作用，扮演著重要角色；需要指出的是，視頻服務器作為數字視頻監控系統的基礎部件，其核心功能就是將壓縮編碼的各種視頻信息，以一種安全、穩定且高效的方式，向網絡進行傳送，與此同時，還能夠將視頻信息儲存在相連接的硬盤中，以便日后查看。需強調的是，所采用的系統不同，視頻服務器所發揮的作用也會存在差異，比如其能夠根據系統需要，實時控制處于連接狀態的云臺、攝像儀等。從基礎層面來考量，視頻服務器在具體功能上，主要可劃分為三類，第一類為控制功能，第二類是網絡通信功能，而第三類則為視頻壓縮存儲功能。需說明的是，如果將視頻服務器應用于數字視頻監控系統當中，通常情況下，需要采用以工控PC 機為基礎的視頻服務器，或者是采用與之相匹配的嵌入式視頻服務器。本文根據系統設計需要，選用的是以工控PC 機為基礎而得以設計開發的視頻服務器；此服務器借助以PCI 總線為基礎的視頻壓縮卡，圍繞經采集而得到的實時視頻信息，進行有目的性、針對性的壓縮編碼；另外，從中所得到的壓縮碼流，會以一種合理、妥當的方式儲存在硬盤陣列當中；此外，還需要說明的是，借助先進的網絡適配器，能夠把各種視頻信息向IP 網絡實時性、快速化發送。而針對攝像儀以及云臺所控制的信息來講，則借助串行接口RS485、RS232（工控PC 機），來為傳輸提供配合。

另需重點強調的是，以工控PC 機為基礎的視頻服務器，依據功能的不同，可劃分成三個子系統：其一為視頻采集設備控制子系統，其二是網絡通信子系統，其三為視頻信息壓縮存儲子系統。

2.1 網絡通信子系統

在整個視頻服務器架構當中，要想高質量的進行或完成信息傳輸，合理設置通信子系統尤為關鍵。而在視頻服務器當中需要傳輸的信息主要有三種，分別為控制視頻采集設備的信息、RTCP 控制信息與視頻流信息。在傳輸視頻流時，通常情況下，需選用UDP協議來進行傳輸；而對于RTP 控制信息而言，一般來講，需參照TCP 協議來進行傳輸；而針對控制視頻采集設備的相關信息來分析，需基于TCP 協議來展開傳輸，即服務器通過各種合適途徑，將控制信息以一種合理、規范的方式，不斷寫入COM 端口，通過這種方式來達到控制視頻采集設備的目的。需特別說明的是，因需要基于Windows2000 操作系統下，來進行網絡通信程序的開發，因此，可以根據現實需要，選用套接字的方式來進行以UDP 與TCP 協議為基礎的網絡通信程序的編制。另外，在本次設計當中，還基于TCP/IP 協議，完成了實時視頻信息傳輸模型的構建，此系統主要由四部分組成：

（1）解碼模塊；

（2）反饋模塊；

（3）視頻傳輸模快；

（4）編碼模塊。

2.2 視頻信息壓縮存儲子系統

針對此子系統而言，其主要作用就是圍繞實時視頻信息，將其壓縮編碼工作高質量完成，然后將所得到的壓縮編碼視頻，以一種規范、高效的方式，不斷儲存于硬盤陣列當中。通常情況下，在對實時視頻信息實施壓縮編碼時，可采用H.264 視頻壓縮算法來行此操作，另外，可將IDE 硬盤陣列當作存儲視頻信息的介質，并且采用RAID 的方式將視頻信息儲存起來。

2.3 視頻采集設備控制子系統

在系統的視頻服務器端，為了能夠將視頻圖清晰、準確且全面記錄下來，且選擇合適的錄像目標，需要結合實際情況，合理化控制相關采集設備，比如調節攝像儀、控制云臺等。有時為了能夠在客戶端同樣可以看到清晰、詳細的視頻圖象，可采用C/S 的方式，將控制信息高質量、實時性的向服務器端進行傳送，然后，服務器端便會根據具體程序需要，控制實時視頻采集設備。此外，還需強調的是，將云臺解碼驅動器妥當的連接于COM 端口（工控PC 機），并通過將數據寫入到COM 端口，便能夠使全方位攝像儀被驅動（由云臺解碼驅動器所驅動），然后根據要求進行各種操作，如此一來，便能夠達到高效化控制實時視頻采集設備的目的。

3 視頻信息組播傳輸技術分析

對于組播傳輸方式來分析，其允許路由器一次性把數據包復制到若干通道上，并且對于此時的視頻服務器而言，僅需發送一個信息包，全部發出請求的客戶端對同一信息包進行共享，這樣一來，便可以達到減少網絡上傳輸信息包總量的目的，為帶寬的高效化利用提供切實保障，并為高質量傳輸實時視頻信息，提供優質、高效且順暢的網絡傳輸方式。

在整個IP 網絡體系當中，用組播方式來進行數據包的傳送，并借助間接地址的方式來進行尋址，另外，在IPV4 所對應的地址分類當中，采用D 類地址對1 個組播組進行標識，此類地址所對應的具體范圍，通常在224.0.0.0～239.255.255.255 之間，向此小組發送的數據報副本，會被及時傳送給此小組成員。需要指出的是，上述所描述的各種操作，均用到了2 種協議，一種是多點傳送路由選擇協議，而另外一種則為IGMP 協議。針對IGMP 來講，通常情況下，會在主機與路由器（二者處于相連狀態）之間來進行各項操作，離開或者申請加入1 個組播組，而針對此時的路由器而言，會將主機成員資格查詢消息對外發出，借此對有無主機屬某個組播組的成員進行判斷，在此期間，只要有1 個主機對此次查詢響應，此時的組播路由器便會將組播數據持續性的向此子網發送。

針對IP 網絡所對應的多點傳送路由選擇來講，其也可劃分成兩種，其一為域間多點路由選擇，其二是域內多點路由選擇。而針對與域內多點路由選擇相關的協議當中，多使用PIM-DM 協議、DVMRP 協議等；而對于域間組播路由協議來考量，其現階段仍處在一個不斷研究、探索的階段，在解決方案上，較為成形的是三個協議的組合（即PIM-SM、MSDP 與MBGP）。另需說明的是，若視頻信息需通過其它網段，因難以確保其它網段也支持組播，可利用組播隧道技術來對實時視頻信息進行高效化且穩定的組播傳輸。

（1）對組播數據進行打包，使之成為單播數據包，以此使組播數據包可通過單播數據包的形式順利通過此網絡；

（2）當路由器接受到此數據包后，將數據包進行解壓，得到原先的組播數據包，然后向以太網交換機進行傳送，以此達到組播傳輸實時視頻信息的目的，在此過程中，交換式以太網經路由器與寬帶IP 骨干網絡相連接。

4 發送端速率控制技術分析

需說明的是，一個合理且實用的實時視頻信息傳輸方案，需擁有專屬自身的速率調節機制，也就是當發生網絡擁塞情況時，視頻服務器應能夠將自身的發送速率予以減低，以此對可能發生的網絡崩潰進行規避，并促進網絡資源相應利用率的提升。所以，在對視頻服務器進行實際設計時，需選用與之配套的速率調節機制，參照客戶端所給出的反饋信息，對視頻服務器向IP 網絡所傳送的視頻速率進行動態化調節，借此來更好的適應網絡帶寬的各種變化。本文選用以發送端為基礎的速率調節機制，將速率控制器與速率過濾器結合在一起，采用此種方式進行視頻信息的傳輸。對于速率過濾器而言，其通過執行速率過濾，使已被完成壓縮的視頻的發送速率，能夠更好的匹配于網絡所要求的速率。

另需指出的是，速率濾波器還可根據現實情況及相關要求，選用分層丟棄濾波器或者是幀丟棄濾波器。對于幀丟棄濾波器來講，其可以對出幀的類型進行準確識別，并且還能依據幀的重要性對其實施合理化丟棄。此外，幀丟棄濾波器能通過將部分幀丟棄，便可以借助較低速率而對所保留的幀急性傳遞；而針對分層丟棄濾波器來考量，其可以對視頻數據層進行準確識別，并依據從高到底的順序來丟棄視頻數據層。

5 結語

綜上，以IP 網絡為基礎來進行數字視頻監控系統的設計，能夠得到更加理想的視頻傳輸技術，通過對從客戶端所接收到的圖像質量來分析，此信息傳輸技術實用且可行，可以顯著提高IP 網絡上處于傳輸狀態的實時視頻信息的質量，因而能夠為數據信息的高質量傳輸提供支撐，并為相關工作的高效化開展提供切實保障。