利用SRUDP 的3G 無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

梅魯海

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣電子工程學院, 杭州310053)

1 引 言

流媒體技術(shù)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(yīng)用技術(shù)。移動流媒體技術(shù)是把流媒體技術(shù)應(yīng)用到移動網(wǎng)絡(luò)上的新技術(shù)。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)則是以流媒體技術(shù)為核心,并綜合應(yīng)用智能傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信和計算機等多種技術(shù)的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

近幾年來,我國的3G 通信網(wǎng)絡(luò)開始大規(guī)模商用,3G 技術(shù)帶來的最直接變化就是移動網(wǎng)絡(luò)帶寬不再是視頻業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸,無線傳輸技術(shù)由此被廣泛地應(yīng)用到了流媒體系統(tǒng)中,基于無線網(wǎng)絡(luò)的流媒體實時傳輸技術(shù)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(yīng)用的實時傳輸變得非常復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(zhì)量的視頻信號是一個需要研究的關(guān)鍵課題。無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的發(fā)展很難為多媒體應(yīng)用提供絕對的服務(wù)質(zhì)量保證,但利用終端的一些控制策略則可以盡量改善服務(wù)質(zhì)量。例如,利用發(fā)送速率控制和視頻質(zhì)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(chǔ)理論、專業(yè)知識、實驗設(shè)計和應(yīng)用新技術(shù)解決實際問題等方面對一種利用SRUDP 的3G無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的新型設(shè)計做了探討和研究。實驗證明,本設(shè)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(guān)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體物理結(jié)構(gòu)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(wù)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(wù)器和3G 通信模塊。系統(tǒng)運行時,為適應(yīng)3G 網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(luò)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(wù)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(wù)器的功能是負責轉(zhuǎn)發(fā)和控制監(jiān)控用戶端請求和調(diào)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(luò)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(luò)的抖動。因此,當用戶所處的環(huán)境變化時,3G 網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)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(luò)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(luò)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(luò)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|(zhì)量,因此不適合對可靠性要求較高的應(yīng)用環(huán)境[1]。

為解決上述問題, 本設(shè)計提出了一種利用SRUDP(Simple Reliable UDP)的3G 無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 利用SRUDP 的3G 無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(luò)的轉(zhuǎn)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(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)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(yīng)調(diào)整,并參考SRUDP 的緩存情況來進行相應(yīng)的參數(shù)修改,這樣可以最大程度地減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響,但TCP 的反饋信息并不是最主要的調(diào)整因素。

編碼器視頻傳輸?shù)乃俾收{(diào)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(diào)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(wù)質(zhì)量。本項目的設(shè)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(shè)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(yīng)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(fù)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(luò)UDP 傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,SRUDP 設(shè)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(shè)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(shè)置了重傳機制,以減小3G 通信網(wǎng)絡(luò)因數(shù)據(jù)包錯誤和丟失對視頻質(zhì)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(luò)環(huán)境中處理視頻數(shù)據(jù)。本設(shè)計中的前端視頻服務(wù)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(shè)備的協(xié)調(diào),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(shè)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(nèi)存來完成進程間的通信。

本設(shè)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(guān)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(shè)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(shè)計的圖像內(nèi)部預(yù)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(shù)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(yù)測參考。這樣,片的設(shè)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(guān)性,片組0 宏塊的某種加權(quán)就可用來代替片組1 的相應(yīng)宏塊[6]。

5 視頻QoS 控制算法

為充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源,保持視頻的最佳傳輸質(zhì)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(luò)參數(shù)來調(diào)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(luò)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(guān)參數(shù)后,發(fā)送端根據(jù)接收端反饋回來的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(fù)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(yīng)的APP 報文,而不發(fā)送RR 報文。然后,接收端要復(fù)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(luò)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(shè)定Vmin=0, Vmax=V0,如果Dn減小,則Vn相對于網(wǎng)絡(luò)帶寬來講偏小,Vmin=Vn;如果Dn增加,則Vn相對于網(wǎng)絡(luò)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(luò)擁塞狀況比較嚴重,這時Vn會進行快速調(diào)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(diào)整。

6 實驗測試

本設(shè)計的仿真實驗裝置選擇在3G 網(wǎng)絡(luò)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(luò),收發(fā)端網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量的評價標準,實驗結(jié)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(jié)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(luò)擁塞的自適應(yīng)調(diào)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(luò)帶寬,但發(fā)送端卻可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況,并自動占用較少的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用在3G 通信網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(luò)帶寬時,有一定的自適應(yīng)性。

7 結(jié) 語

雖然,目前國內(nèi)應(yīng)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(yīng)用。3G 網(wǎng)絡(luò)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(luò),無線帶寬及復(fù)雜環(huán)境的瓶頸再一次被打破,一直跟隨通信技術(shù)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(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的新型設(shè)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(zhì)量視頻信號的關(guān)鍵問題。實驗表明,在3G 環(huán)境里,SRUDP 視頻流可以自適應(yīng)地與TCP 數(shù)據(jù)流共享網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(zhì)量等方面具有明顯的優(yōu)越性。

因為3G 網(wǎng)絡(luò)承載的復(fù)雜性和多樣性,在實時視頻應(yīng)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(yīng)用等課題。

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