無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸容錯策略研究

劉雙紅，張勞模

（1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450046；2. 河南工程學(xué)院，鄭州 451191）

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸容錯策略研究

劉雙紅1，張勞模2

（1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450046；2. 河南工程學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是一款簡單易用的小型遠程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，與網(wǎng)絡(luò)攝像機配套使用，可采用有線或無線方式連接網(wǎng)絡(luò)，易于安裝部署，不需要用戶額外配置專用電腦和采集錄像等設(shè)備。用戶可采用手機或電腦作為監(jiān)控終端設(shè)備，可隨時隨地接收報警信息和查看監(jiān)控視頻。本系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟實用等特點，可用于防火防盜、安全護衛(wèi)、人員監(jiān)護、遠程管理等，特別適合個人、家庭、店鋪等使用。

1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸中存在的問題

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是一種易錯網(wǎng)絡(luò)(errorprone)，在其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容易發(fā)生丟包、位倒置等傳輸錯誤。由于有些視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供的容錯技術(shù)對信道誤碼非常敏感，即使單個原發(fā)性錯誤，也可能造成視頻質(zhì)量的急劇下降。而IP網(wǎng)絡(luò)丟包則更是無法容忍，嚴(yán)重時將導(dǎo)致解碼端崩潰。特別是傳輸錯誤的包作為參考幀的時候，以此為參考的圖像也會出錯，因此造成錯誤的傳播。

在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r候，TCP協(xié)議可以保證可靠的傳輸，但是它的重傳機制所帶來的時延很大，在實時視頻應(yīng)用中是無法接受的。而UDP協(xié)議可以降低時延，但是由于沒有QoS的保證，丟包率比較大，特別是在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中應(yīng)用的話，較高的丟包率嚴(yán)重影響了視頻的質(zhì)量。

綜合以上考慮，在傳輸層，可以使用UDP協(xié)議來傳輸，而在上層，需要添加合適的容錯策略，來降低丟包率，并且采取有效的措施，對丟失的數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，將由傳輸錯誤造成的視覺影響將到低。

2 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時傳輸需要考慮的因素

第一，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊族e性（error-prone）和高丟包率，要求在傳輸中必須盡量的降低丟包率。

第二，設(shè)備的終端一般都是計算能力比較弱，存儲能力有限的手持移動設(shè)備，因此，使用的各種方法，在考慮效率的同時，復(fù)雜性也是很重要的一條。

第三，在視頻監(jiān)控中，對實時性的要求比較高，在傳輸?shù)臅r候低時延也是很重要的考慮因素。

3 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)化容錯策略

3.1 參數(shù)集的傳輸

序列參數(shù)集和圖像參數(shù)集都是整個視頻碼流中最重要的部分。因此，要保證參數(shù)集的可靠傳輸，這通常是采用帶外傳輸或者多次重傳來提供的。在大多數(shù)視頻應(yīng)用中，整個視頻流自始至終都不會改變視頻屬性，就是說序列參數(shù)和圖像參數(shù)在連接的過程中從不改變。因此，所有必須的參數(shù)集（通常只有一個）可以作為能力協(xié)商/通告過程的附屬部分來發(fā)送。當(dāng)所有需要的參數(shù)集信息建立以后，才開始RTP會話。

在監(jiān)控系統(tǒng)中可以采用在帶外傳輸方法，在開始前使用TCP協(xié)議，將參數(shù)集傳輸給客戶端。

3.2 無線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中的優(yōu)化容錯方案

在時延比較小的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，對視頻流的實時傳輸是一個很重要，也是很有難度的工作。由于移動終端的計算能力和存儲能力的限制，我們只能使用低計算復(fù)雜度和對存儲要求不高的容錯算法。

因為對低時延的要求，反饋機制和RTP包的重傳機制不能使用。由于在監(jiān)控系統(tǒng)中使用的都是基本檔次(Baseline profile)的H.264，而基本檔次的不支持?jǐn)?shù)據(jù)分割，所以數(shù)據(jù)分割和在此基礎(chǔ)上的不平等保護策略都不能使用。為了減少無線環(huán)境中的數(shù)據(jù)流量，不使用冗余片方法。

綜合考慮以上因素，在無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸中，可以使用有片結(jié)構(gòu)編碼，并且使用FMO結(jié)構(gòu)，和幀內(nèi)編碼塊刷新的容錯策略。片結(jié)構(gòu)編碼可以降低每個包的長度，使得丟包的概率降低，并且在丟包的情況下，更便于容錯；使用隔行FMO模式(interleaving mode)，可以降低碼率，并可以充分利用空間信息糾錯；而使用幀內(nèi)編碼塊刷新，則用于消除幀間預(yù)測宏塊丟失造成的錯誤傳播。

下面對本容錯策略進行測試。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)中的測試環(huán)境

表1為參考文獻[2]中提出的無線網(wǎng)絡(luò)中的幾種測試條件，本文測試的時候使用的是第一種條件。即碼流為64kbps，誤碼率為0.051%，編碼和解碼采用JVT的H.264/AVC參考軟件JM9.2，修補了部分bug。測試視頻序列采用IPPP…IPPP(每隔150幀出現(xiàn)一個I幀)，編碼器輸出的是RTP包文件，并由離線環(huán)境的一般測試軟件來模擬包損失，損失后的文件直接交由解碼器來解碼。在解碼器中，如果某幀不能恢復(fù)，則采用直接拷貝前一幀的方法，以保證視頻序列的完整。測試結(jié)果用亮度信息的峰值信噪比來評價。

其他的編解碼器參數(shù)有：

ProfileDC=66,LevelDC=10,constrained_setl_flag=1,NumberReferenceFrames=3,碼率控制在64kbps內(nèi)，不采用Loop Filter, Symbol mode=UVLC,OutFileMode=RTP,解碼器：考慮到I幀中會有比較多的slice，程序中的MAX_NUM_SLICES須給定一個比較大的值（200左右）。

測試結(jié)果如表2所示。

表2 使用容錯策略前后的結(jié)果對比

由實驗結(jié)果可以看出，采用這樣的容錯策略能夠提高視頻的質(zhì)量。平均的亮度PSNR能夠提高2dB左右。

[1]Hong-bin Yu,Songyu Yu,Ci Wang,A highly efficient,low delay architecture for transporting H.264 video over wireless channel[J],Signal Processing:Image Communication,2010(19):369-385.

[2]Sheng-Tun Li,Huang-Chih Hsieh,Ly-Yen Shue,Wen-Shen Chen.PDA Watch for Mobile Surveillance Services[J].Proceedings of IEEE Workshop on Knowledge Media Networking,2009,7.

[3]Telecommunication Standardization Sector. ITU-T recommmendation H.264 Advanced video coding for generic audio visual services [S].Geneva,Switzerland:Telecommunication Standardization Sector,2010.

[4]Thomas Wiegand,Gary J.Sullivan,et al.,Overview of the H.264/AVC video coding standard,IEEE Transactions.On circuits and systems for video technology,2010,7.

[5]Draft ITU-T Recommendation and Final Draft International Standard of Joint Video Specification (ITU-T Rec.H.264/ISO/IEC 14496-10 AVC),2009.

[6]Stockhammer,T,Hannuksela,M.M.Wenger,S.H.26L/JVT coding network abstraction layer and IP-based transport[C].ICIP,2009:485-488.

[7]Stephan Wenger.H.264/AVC Over IP[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2010,13(7):645-656.

[8]Gary J.Sullivan.Thomas Wiegand,Thomas Stockhammer.using the draft H.26L video coding standard for mobile applications.[J].System[C].ICIP,2010,10:573-576.

[9]Thomas Stockhammer,Miska M.Hannuksela, Thomas Wiegand H.264/AVC in Wireless Environments[J].IEEE Transactions on circuits and systems for video technology,2010,7(13):657-673.

Fault tolerance strategy of the network transmission in wireless video surveillance system

LIU Shuang-hong1, ZHANG Lao-mo2

本文首先介紹了無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)傳輸存在的問題，并分析無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時傳輸

需要考慮的因素，最后提出適合在無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用的低復(fù)雜性，低時延的容錯策略。

視頻監(jiān)控；無線傳輸；容錯；策略

劉雙紅（1978 -），女，遼寧鐵嶺人，講師，碩士研究生，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘。

TN914

A

1009-0134(2011)4(上)-0155-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).48

2010-11-16