流媒體視頻實時傳輸在消防應(yīng)急通信中的應(yīng)用研究

■ 王志強 赤峰市森林消防支隊

流媒體視頻的實時傳輸是一種在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上以流的形式進行多媒體信息實時傳輸?shù)募夹g(shù)。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和用戶需求的提高，針對流媒體視頻實時傳輸?shù)膽?yīng)用也受到了越來越多的關(guān)注，也是未來寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流趨勢之一。但是，當(dāng)前應(yīng)急救援任務(wù)中最為突出的消防應(yīng)急通信系統(tǒng)，由于條件的限制，目前大多數(shù)還只是采用相對落后的技術(shù)設(shè)備，對于災(zāi)害事故還缺乏實時監(jiān)控和信息傳輸，這就造成現(xiàn)場的指揮模式無法滿足快速反應(yīng)、正確決策的現(xiàn)象。因此，文章針對當(dāng)前消防應(yīng)急通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，就流媒體視頻實時傳輸技術(shù)的應(yīng)用進行闡述，以求為消防應(yīng)急通信保障的研究提供技術(shù)支持。

一、流媒體實時傳輸技術(shù)

（一）流媒體技術(shù)概述

在Internet/Intranet 中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)播放媒體就稱為流媒體。當(dāng)前針對互聯(lián)網(wǎng)上的視頻等多媒體信息傳播的方法大致有兩類：一類是下載；另一類是流式傳播。但受傳輸速度制約，與流式傳播的方法相比，下載時所需的存儲容量大，因此使用流式傳送的方法就比較便捷，它通常是把音頻、影像或動畫等內(nèi)容利用音視頻服務(wù)器向終端用戶進行連續(xù)的實時傳送，只需要經(jīng)過幾秒鐘的啟動延時便可以進行播放。

實時流媒體服務(wù)器通過不同傳輸層的協(xié)議將多媒體數(shù)據(jù)傳送到客戶端。因此，根據(jù)傳輸層采用的不同傳輸協(xié)議，可以將實時流媒體傳輸協(xié)議分為兩類：一類是使用開銷較小的無連接傳輸協(xié)議UDP 作為其傳輸層的協(xié)議，比如，RTP、RTMFP 等；另一類是使用可靠的面向連接的TCP 協(xié)議作為其傳輸層協(xié)議，比如，RTMP 等。當(dāng)然，流媒體在傳輸過程中也不可避免地因為受到干擾影響流暢度，因此，對于流媒體流暢度的提高是現(xiàn)今研究的重點，當(dāng)前已有的比如可以通過優(yōu)化帶寬自適應(yīng)方法改善流暢度，還可以通過P2P 平臺、Spark 開源分布式計算平臺、Symbian 平臺等軟件平臺進行提升。

（二）流媒體擁塞控制算法及自組網(wǎng)模式

1.流媒體擁塞控制算法

TCP 協(xié)議提供端到端的可靠服務(wù)和QoS，其擁塞控制機制是端到端吞吐量控制的最重要方式，所以起初對于擁塞控制機制的研究，都是圍繞TCP 協(xié)議的擁塞控制。TCP 協(xié)議的擁塞控制對報文往返時間、數(shù)據(jù)包大小、網(wǎng)絡(luò)阻塞程度、發(fā)送端都能進行相應(yīng)的反饋處理，因此在某種程度上可保證給接收端分派同等的網(wǎng)絡(luò)帶寬，確保所有客戶的公平性。

發(fā)生擁塞時，TCP 協(xié)議會讓傳輸速率減半，這會造成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的突然劇變，這明顯不適合多媒體視頻的流式傳輸，會導(dǎo)致客戶端聲音和圖像的劇烈變化，帶給用戶非常糟糕的視覺感受。目前普遍的解決方案是在流媒體服務(wù)器創(chuàng)建緩沖區(qū)域，利用緩沖機制緩和傳輸速率的瞬間變化，使數(shù)據(jù)流平滑地傳送到用戶端的流媒體播放器。當(dāng)然，引入緩沖機制，會導(dǎo)致發(fā)送端到接收端的傳輸時延增加。

2.自組網(wǎng)模式

（1）以地面為主。有時也稱為“天星地網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星以中繼信號的形式在網(wǎng)絡(luò)中提供服務(wù)。有時會利用星間鏈路技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星間信息傳遞，但通常做法是盡快將信息回傳至地面站進行后續(xù)傳輸。這是包括Iridium在內(nèi)的現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的使用形式。

（2）以衛(wèi)星為主。衛(wèi)星負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理工作，有時也有地面站協(xié)同管理。在這類研究中，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（例如，由GEO、MEO 和LEO 三層衛(wèi)星組成的多層網(wǎng)絡(luò)）常常被使用，其中處于高軌的衛(wèi)星通常作為控制單元和骨干網(wǎng)絡(luò)，處于低軌的衛(wèi)星負責(zé)信號中繼傳輸。

（3）完全融合。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)享有相同的優(yōu)先級?？捎蓛刹糠志W(wǎng)絡(luò)協(xié)同負責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理（中心化網(wǎng)絡(luò)管理），也可由各節(jié)點自主適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)情況變化實現(xiàn)信息傳輸（去中心化網(wǎng)絡(luò)管理）。

（三）視頻流的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

對于視頻流的網(wǎng)絡(luò)傳輸主要分為以下幾個方面：

1.單播

這種方式是指能夠在客戶機與服務(wù)器之間建立一個單向通道以供其進行數(shù)據(jù)傳輸。各個客戶端可以查詢所屬的服務(wù)器，而服務(wù)器可以實現(xiàn)將客戶機所申請的信息數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。這種方式會影響信息傳遞的效率，服務(wù)器對于受到的信息也很難及時做出反應(yīng)。為了確保網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，需要增加一些不是很必要的硬件，不僅增加成本，還會影響整體工作質(zhì)量。

2.組播

由路由器通過IP 組播的技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，一次可以實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)通道的傳輸，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是連續(xù)的，可以發(fā)送到相當(dāng)數(shù)量的客戶端，延遲較短，可以忽略不計。同時信息的傳輸可以發(fā)送到任意地址的客戶端，不再局限于單個通道，這極大減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偭浚档土顺杀?，提高了網(wǎng)絡(luò)的使用率。

3.點播和廣播

點播是指客戶機發(fā)出數(shù)據(jù)，請求服務(wù)器進行傳輸。這種方式首先是要選擇所要聯(lián)系的內(nèi)容。點播方式可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的控制，但是會在很短的時間就消耗完現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬。

廣播是用戶被動地接收服務(wù)器傳輸?shù)男畔?。在廣播的過程中只能接收，不能控制，也就是說不能進行快進、后退等操作。

二、流媒體視頻服務(wù)器模塊

流媒體服務(wù)器主要包含兩項服務(wù)：一是RTSP 服務(wù)，二是流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。RTSP 服務(wù)是整個系統(tǒng)通信中的關(guān)鍵部分，主要負責(zé)系統(tǒng)中信令消息的交互處理及視頻流鏈路的會話管理，可以增強整個系統(tǒng)的負載能力；流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)采用的是模塊化設(shè)計，各個模塊之間采用高內(nèi)聚低耦合、按功能劃分的原則，主要分成了四個模塊，即流媒體接收模塊、流媒體處理或過濾、流媒體發(fā)送模塊、RTCP 控制模塊。各模塊主要負責(zé)的功能如下：

（一）流媒體接收模塊

流媒體接收模塊可以按照不同媒體格式分成若干子模塊，分別處理來自不同媒體的數(shù)據(jù)，它只負責(zé)媒體數(shù)據(jù)的來源，而不關(guān)心媒體數(shù)據(jù)的去向，也不關(guān)心媒體數(shù)據(jù)是否被轉(zhuǎn)發(fā)或中間是否被處理、過濾等。它只需要在允許的緩存空間中盡量接收數(shù)據(jù)，提供給其他模塊使用。

（二）流媒體處理、過濾

在整個系統(tǒng)中，流媒體處理、過濾不是一定需要的，針對不同的業(yè)務(wù)，可以靈活地加入系統(tǒng)，主要對來自流媒體接收模塊的媒體數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理或過濾掉一些不需要給流媒體發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)。

（三）流媒體發(fā)送模塊

當(dāng)流媒體數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒的情況下，流媒體發(fā)送模塊只需要負責(zé)將流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的播放器端，而不關(guān)心發(fā)送媒體數(shù)據(jù)的類型、格式及來源。本系統(tǒng)傳輸流媒體數(shù)據(jù)的方式是TS/RTP/UDP 的方式，所以本模塊只負責(zé)將讀入的TS 流打包成RTP 包發(fā)送到相應(yīng)的播放器端就行。

（四）RTCP 模塊

對流媒體傳輸?shù)男诺佬畔⑦M行反饋，從而讓服務(wù)端和移動端做出相應(yīng)調(diào)整。媒體管理為RTSP 服務(wù)和流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)提供橋梁，每個通道管理著一種類型流媒體的傳輸工作。媒體管理可以同時管理多個媒體通道，每個媒體通道管理著各自RTSP 請求的流媒體轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)工作，它并不關(guān)心流媒體是如何傳輸處理的，這樣的設(shè)計能讓RTSP 服務(wù)和流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)完美結(jié)合，讓各個功能模塊充分解耦，使整個系統(tǒng)也更加具有擴展性，更能適應(yīng)今后不同場景的消防應(yīng)急救援工作狀況。

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，流媒體視頻的應(yīng)用日益廣泛，在傳輸過程中除了自身服務(wù)器外，還會與其他模塊相結(jié)合，比如，無人機、手機、平板、導(dǎo)播臺等，具體模塊如圖1所示。

三、流媒體視頻實時傳輸在消防應(yīng)急通信中的應(yīng)用

流媒體視頻實時傳輸系統(tǒng)包括固定視頻傳輸系統(tǒng)和移動視頻傳輸系統(tǒng)兩大類：

（一）固定視頻傳輸系統(tǒng)

對于流媒體實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭ㄒ曨l傳輸，是指在某些地區(qū)不便于實現(xiàn)有線通訊的，或者由于環(huán)境影響而無法實現(xiàn)重大災(zāi)害事件監(jiān)測的場所，包括高山密林、高層建筑、地下工程、大中型的石化公司、人員密集場所、易燃易爆場所等。通過利用流媒體實時數(shù)據(jù)傳輸，指揮中心的監(jiān)測人員能夠及時了解所有重點區(qū)域的安全狀況，從而可以及時發(fā)現(xiàn)危險隱患并將其消除。如果出現(xiàn)重大災(zāi)害事件時，還可以在最短的時限內(nèi)及時掌握現(xiàn)場救援的一手資源，讓現(xiàn)場實時感知，讓指揮變得可視，為事故偵查和消防應(yīng)急救援提供可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，使應(yīng)急救援的效能得到明顯提升。

（二）移動視頻傳輸系統(tǒng)

隨著當(dāng)前移動設(shè)備的發(fā)展，流媒體視頻實時傳輸需要加入GPRS 技術(shù)，這樣方便實現(xiàn)隨時隨地、實時地傳輸視頻，同時還可以對其位置進行定位，方便位置的查找。移動視頻傳輸系統(tǒng)主要是在應(yīng)急救援場景下對多媒體信息進行即時、動態(tài)的采集與管理，從而把現(xiàn)場的圖像信息直觀、精確地分發(fā)至指揮中心以及各級指揮員處，使其能夠?qū)ΜF(xiàn)場情況進行實時把控，使指揮救援更加高效。

按照移動視頻數(shù)據(jù)傳輸終端所屬的部位以及指揮層次的不同，可分成“單兵模式”和“中繼模式”兩類。

第一，“單兵”模式。即通過派出單兵前端，就能實現(xiàn)對救援現(xiàn)場的可視化，指揮車也能夠及時將收集到的現(xiàn)場音視頻加以管理，對單兵進行實時指揮處置。

第二，“中繼”模式。即在“單兵裝置”模式的基礎(chǔ)上，經(jīng)過現(xiàn)場技術(shù)測量后，在確定的制高點上或地下適當(dāng)轉(zhuǎn)彎處等便于通信的有利地點建立中繼，以確保通信網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋整個指定或全部的主要地區(qū)，并同時設(shè)置通信干點，或連接有線專網(wǎng)，以確保在應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的一線災(zāi)害信息能及時傳送到各級指揮中心，以求實現(xiàn)首長機關(guān)的指揮工作人員都能隨時監(jiān)控災(zāi)情，最終決勝于千里之外。并且還可以對現(xiàn)場處理工作進行錄像，方便后期進行回放總結(jié)。

四、結(jié)語

當(dāng)前，雖然流媒體視頻實時傳輸已經(jīng)在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，但是對于消防應(yīng)急通信中的應(yīng)用還未成熟，視頻信號對傳輸?shù)男枰蛯嶋H環(huán)境之間還存在矛盾，致使其在未來的發(fā)展還有很多的挑戰(zhàn)。文章對于流媒體視頻實時傳輸在消防應(yīng)急通信中的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一些成果，未來還需要不斷加強對流媒體視頻實時傳輸技術(shù)的研究，從而完善流媒體視頻實時傳輸在消防應(yīng)急通信中的使用性能，不斷提升消防應(yīng)急救援工作的效率，從而更好地完成應(yīng)急救援任務(wù)。