基于無線視頻服務(wù)器的自適應(yīng)帶寬算法

鄭 靖，王 鋒

(1.武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074;2.武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

無線視頻質(zhì)量衡量的重要指標(biāo)是流暢性和實(shí)時(shí)性。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纳闲袔捰邢?，傳輸?shù)囊曨l圖像往往容易出現(xiàn)馬賽克和延遲等現(xiàn)象［1］。由于視頻監(jiān)控應(yīng)用場合的特殊性，某些視頻監(jiān)控點(diǎn)未必都能采用有線來傳輸，譬如車載移動視頻監(jiān)控、山區(qū)林地火情災(zāi)害監(jiān)測、高速公路沿線監(jiān)視、油田無人區(qū)巡視、邊防岸線監(jiān)控等常規(guī)布線方式難以實(shí)現(xiàn)，或布線成本過高的地區(qū)，就能最大限度地發(fā)揮無線視頻監(jiān)控的優(yōu)勢。由于無線帶寬的限制和不穩(wěn)定性，難以保證設(shè)備在無線鏈路上傳輸視頻的實(shí)時(shí)性和流暢性。若沒有合適的處理方法，視頻在無線傳輸過程中很容易丟包，造成馬賽克或視頻畫面較大延時(shí)。

本文針對無線網(wǎng)絡(luò)帶寬不穩(wěn)定性的問題，通過高性能的ARM9芯片控制無線模塊，提出了無線視頻傳輸帶寬的自適應(yīng)算法，在很大程度上避免了無線視頻傳輸過程中出現(xiàn)的馬賽克和視頻畫面延時(shí)，基本能保證視頻的流暢性和實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以劃分為前端設(shè)備、無線通信網(wǎng)絡(luò)、平臺服務(wù)器和客戶端4部分。前端設(shè)備主要完成視頻信號的采集、編碼和相應(yīng)的云臺控制等。無線通信網(wǎng)絡(luò)包括TD－SCDMA、WCDMA和CDMA2000無線網(wǎng)絡(luò)等。平臺服務(wù)器負(fù)責(zé)無線視頻設(shè)備的信令的轉(zhuǎn)發(fā)、視頻流的轉(zhuǎn)發(fā)、硬盤存儲等功能?？蛻舳酥饕瓿梢曨l流的解碼顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本方案采用TI的DaVinciTM系列TMS320DM368處理器。該處理器集成了一個(gè)ARM926EJ－S內(nèi)核，一個(gè)H.264高清解碼協(xié)處理器HDVICP和一個(gè)MPEG－4/JPEG高清編解碼協(xié)處理器MJCP，能支持H.264/MPEG－4的高清編解碼。本方案通過ARM9的USB連接無線模塊［2］，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本方案基于Linux嵌入式操作系統(tǒng)，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)。其中無線模塊初始化程序和無線模塊狀態(tài)維護(hù)程序與無線模塊相關(guān)。無線模塊的初始化工作主要完成無線模塊的搜索和狀態(tài)設(shè)置的工作［3］。設(shè)備上電時(shí)，對多個(gè)無線模塊進(jìn)行初始化，根據(jù)AT命令的應(yīng)答模式判定模塊是否工作正常，從而設(shè)定無線模塊狀態(tài)(可操作或不可操作)。如圖2所示，無線模塊狀態(tài)為不可操作時(shí)，控制無線模塊的電源開關(guān)，使該模塊斷電，這樣有利于降低整個(gè)設(shè)備的功耗;無線模塊狀態(tài)為可操作時(shí)，設(shè)定相應(yīng)運(yùn)營商的撥號，接入Internet網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)參數(shù)，然后啟動無線模塊狀態(tài)維護(hù)服務(wù)。

圖2 無線模塊初始化流程

在無線模塊狀態(tài)維護(hù)服務(wù)中，系統(tǒng)自動檢測無線模塊網(wǎng)絡(luò)注冊是否成功，若成功，則根據(jù)初始化過程中設(shè)定好的參數(shù)，對無線模塊進(jìn)行PPP撥號，并由此獲取與無線模塊一一對應(yīng)的IP地址，而后建立指向接收視頻數(shù)據(jù)服務(wù)器的目的IP地址的網(wǎng)絡(luò)鏈接，并添加該鏈接到路由表，設(shè)定無線模塊狀態(tài)為在線，如圖3所示。

相關(guān)函數(shù)說明為:

4 自適應(yīng)算法分析

自適應(yīng)算法就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況，針對當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)狀況，動態(tài)調(diào)整發(fā)送碼流(包括幀率，關(guān)鍵幀間隔等)以提高無線視頻傳輸QoS的方法。

圖3 模塊注冊流程圖

本方案中，自適應(yīng)算法采用的是碼率自適應(yīng)切換。實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)傳輸信道在單位時(shí)間內(nèi)(一般為3 min)的平均數(shù)據(jù)傳輸速率和RTCP反饋回來的丟包率信息，作為編碼器產(chǎn)生實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的編碼參數(shù)，統(tǒng)計(jì)得到自適應(yīng)控制的閾值。

丟包率計(jì)算方法:由于RTP包在分包時(shí)，對于同一幀數(shù)據(jù)時(shí)間戳是一樣的，對于每一RTP小包，幀序號是連續(xù)的。因此在接收方，根據(jù)這些序列號來判斷丟包的情況。

可以用如下式子計(jì)算丟包率

式(1)表示在一段時(shí)間里對網(wǎng)絡(luò)狀況的統(tǒng)計(jì)，L表示在當(dāng)前時(shí)間里的丟包率，NLoss表示傳輸過程中丟失的分組數(shù)，NSend表示發(fā)送的總包數(shù)。

統(tǒng)計(jì)算法采用的是概率統(tǒng)計(jì)的方式，通過在一段時(shí)間內(nèi)，根據(jù)不用的丟包等級，來獲得丟包率的情況。比如，在Ti時(shí)間內(nèi)，丟包Li級共占多少時(shí)間，由此得到Ti時(shí)間內(nèi)，丟包率為Li級的概率，即P(Li/Ti)。

用丟包率的概率

式(2)表示Ti時(shí)間內(nèi)丟包的概率。其中c表示閾值，將很長時(shí)間分為若干小段，也可以統(tǒng)計(jì)在很長一段時(shí)間(Time)內(nèi)丟包發(fā)生的數(shù)學(xué)期望。

用Time內(nèi)丟包發(fā)生概率的數(shù)學(xué)期望E(Loss_Data )=，表示無線網(wǎng)絡(luò)的流暢度。E(Loss_Data)越小，說明此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀況越好。反之亦然。

通過分析不同時(shí)間段的丟包率期望和方差的值，能夠得到幾個(gè)理想的丟包等級的閾值L。本文L的值最佳閾值設(shè)置為 0.3［4］。

如果丟包率低于閾值時(shí)，表明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況好，采用增碼控制處理，即一開始發(fā)送碼流成指數(shù)速率快速爬升，當(dāng)?shù)竭_(dá)閾值后，線性增加發(fā)送碼率。如果當(dāng)前丟包率高于閾值時(shí)，表明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞，采用阻塞控制處理，即進(jìn)行清空緩沖區(qū)操作，丟去I幀和其中所有P幀，直到下一個(gè)I幀的到來。

通過上述算法，使得碼率的調(diào)整能真正適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，從而客戶端能夠得到清晰的圖像。自適應(yīng)算法流程圖如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)算法流程

5 測試與分析

測試環(huán)境無線設(shè)備放在戶外，通過公共移動通信網(wǎng)絡(luò)接入到視頻服務(wù)器平臺。在接收端顯示視頻圖像。主要測量參數(shù)有:視頻圖像馬賽克現(xiàn)象、視頻從前端設(shè)備到客戶端延時(shí)的時(shí)間和視頻質(zhì)量好壞。測試結(jié)果如表1。

表1 測試數(shù)據(jù)

對比自適應(yīng)算法和傳統(tǒng)方法，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6、圖7 和圖8。

從表1可以看到，當(dāng)傳輸視頻格式為CIF時(shí)，此時(shí)帶寬在300～700 bit/s范圍內(nèi)，系統(tǒng)延遲穩(wěn)定在200 ms左右。視頻流暢清晰，沒有馬賽克現(xiàn)象。從圖5可以看到，視頻清晰度明顯高于圖6。圖7輸出的波形是標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號的波形，而圖8輸出的波形，視頻信號的正程和消隱信號明顯變形。

分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用自適應(yīng)算法時(shí)，在接收端得到的視頻輸出波形正程和消隱信號未出現(xiàn)變形，充分證明了此時(shí)視頻數(shù)據(jù)丟包率比較低，視頻數(shù)據(jù)幀得到正常顯示。

因此自適應(yīng)算法很好地解決了無線視頻丟包率較高的問題，系統(tǒng)也基本實(shí)現(xiàn)了無線視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性(延時(shí)只有200 ms)，加上系統(tǒng)丟包率低，從而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控與傳輸控制的可靠性，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

6 小結(jié)

本文采用TI公司的DM368芯片［5］，針對網(wǎng)絡(luò)丟包率比較大，運(yùn)用傳輸帶寬的自適應(yīng)算法，能很大程度地避免無線視頻傳輸過程中出現(xiàn)的丟包和視頻畫面延時(shí)等問題，基本能保證視頻的流暢性和實(shí)時(shí)性。該模型可以用于任何面向IP網(wǎng)絡(luò)的無線視頻傳輸系統(tǒng)，并獲得良好的效果。

［1］胡棟，劉峰，朱秀昌.實(shí)時(shí)多模式無線視頻傳輸原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.通信學(xué)報(bào)，2006，27(10):106－112.

［2］孫天澤，袁文菊，張海峰.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動開發(fā)指南——基于ARM9處理器［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［3］尤盈盈.基于嵌入式系統(tǒng)的無線多媒體傳輸系統(tǒng)終端的研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2005.

［4］翁睿.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)碼率視頻傳輸［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2008.

［5］吳長樹.一種基于公共移動通信的視頻包多鏈路接收和播放方法:中國，200910241583.6［P］.2010－05－12.