實時圖像傳輸系統(tǒng)中IP技術(shù)的應(yīng)用

摘 要:當前廣泛使用的IP網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)“盡最大努力交付”(best-effort)機制構(gòu)建的?；趯崟r圖像傳輸系統(tǒng)中對IP技術(shù)的需求不斷增加，本文從聯(lián)合設(shè)計編解碼器和傳輸協(xié)議的角度出發(fā)，根據(jù)IP網(wǎng)絡(luò)的實際情況，提出一種由自適應(yīng)編解碼器、傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)編碼器接口構(gòu)建基于IP網(wǎng)絡(luò)的實時圖像傳輸系統(tǒng)的方案。

關(guān)鍵詞:QoS 聯(lián)合信源/信道傳輸 帶寬 擁塞控制 錯誤機制

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0029-01

IP網(wǎng)絡(luò)上各種業(yè)務(wù)量隨著IP網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)而迅速增加，如數(shù)據(jù)、圖像、指顯、氣象資料等等，尤其是實時圖像傳輸?shù)榷嗝襟w業(yè)務(wù)的增加，使得IP網(wǎng)也由以前單一的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)變成了多業(yè)務(wù)的綜合性網(wǎng)絡(luò)，而當前廣泛使用的IP網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)“盡最大努力交付”機制構(gòu)建的。由于網(wǎng)絡(luò)的流量并非在所在時刻都均勻分布，因此在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，設(shè)備會延遲數(shù)據(jù)包的發(fā)送或者直接將數(shù)據(jù)包丟棄來緩解擁塞。因而存在傳輸信道不可靠、帶寬波動大、傳輸數(shù)據(jù)易丟失、以及會引入無法預測的延時和抖動等問題，故很難滿足實時圖像傳輸所需的各種Qos要求。盡管如此，基于IP網(wǎng)絡(luò)的實時圖像傳輸需求仍在不斷增加，而網(wǎng)絡(luò)的帶寬又是有限的資源，這就必然導致服務(wù)靈活性和帶寬利用率之間的兩難。

為了保證實況圖像能更好，更安全，更流暢地實時傳送到監(jiān)控中心，本文從聯(lián)合設(shè)計編碼器和傳輸協(xié)議的角度出發(fā)，提出一種由自適應(yīng)編解碼器、傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)編碼器接口構(gòu)建的系統(tǒng)，采用基于源的速率控制技術(shù)解決IP網(wǎng)絡(luò)存在的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

為了采用聯(lián)合設(shè)計信源/信道編碼思想構(gòu)建系統(tǒng)。我們需要考慮兩個問題1)理解信道的屬性，為通過它的編碼和傳輸信息設(shè)計出高效的算法;2)設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)與編碼器接口，以估計和跟蹤信道狀態(tài)的波動，并通過有效的方法把這些信息發(fā)給編碼器。

2 帶寬估計

IP正在成為下一代網(wǎng)絡(luò)平臺的基石，基于TDM技術(shù)的話音網(wǎng)絡(luò)開始了向集話音、數(shù)據(jù)、圖像和多媒體業(yè)務(wù)于一體的基于IP分組交換網(wǎng)絡(luò)演進的進程。各種業(yè)務(wù)融合到一個全IP平臺的好處決不僅僅是大幅度降低網(wǎng)絡(luò)成本，它還可最快捷和便利地生成新業(yè)務(wù)并推動社會的信息化進程，提供人們所能想象到的靈活性，提供面向現(xiàn)在和未來的開放式接口。以IP技術(shù)為核心的寬帶系統(tǒng)解決方案將是城域網(wǎng)建設(shè)的最佳選擇。在IP網(wǎng)絡(luò)的實時圖像傳輸中，為了充分利用可用的帶寬資源，必須隨時跟蹤當前可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬，做出正確的估計，然后再通過碼率控制，使輸出碼流在滿足帶寬限制的條件下達到某種評估指標的最優(yōu)。

由于IP網(wǎng)絡(luò)的TCP協(xié)議不能滿足實時圖像傳輸對延遲的要求，所以在實時圖像數(shù)據(jù)傳輸時通常采用UDP協(xié)議。在UDP協(xié)議之上可以通過RTP和RTCP實現(xiàn)反饋擁塞控制。通過RTP可以給圖像數(shù)據(jù)包加上序號，從而便于接收端統(tǒng)計當前網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包的丟失情況，并每隔一定的時間間隔將數(shù)據(jù)包的丟失率L反饋給發(fā)送端，發(fā)送端可以根據(jù)L調(diào)整對當前網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的估計，算法如下:

其中△R和(可取0.5)的數(shù)值可預先設(shè)定，這樣在網(wǎng)絡(luò)傳輸情況良好時，R容許逐漸增大，以充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，而在網(wǎng)絡(luò)擁塞嚴重時，急劇下調(diào)R容許，以及時避免網(wǎng)絡(luò)過度擁塞。顯然，在R容許初始值較小和實際可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬較大時，上面的算法需要較長的時間才能準確調(diào)整R容許，為此，可對上面的算法進行改進，設(shè)置多個閥值L閥值1

，這樣可將算法調(diào)整為:

調(diào)整后的算法可以更快地跟蹤當前網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的變化，從而提高帶寬利用率，以確保實時圖像的傳輸順暢。

3 擁塞控制和錯誤控制

對于IP網(wǎng)絡(luò)而言擁塞控制和錯誤控制是保證網(wǎng)絡(luò)高效工作的最重要的兩個部件。擁塞控制用于減少分組丟失和分組延遲;錯誤控制用于在發(fā)生分組丟失時盡可能的提高圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量。在實時圖像傳輸系統(tǒng)中一般用速率控制作為擁塞控制策略。而在錯誤控制方面，我們使用聯(lián)合源/信道編碼。

3.1 擁塞控制(congestion control)

基于源端的擁塞控制必須包括速率自適應(yīng)編碼、基于源的速率控制和速率整形。

(1)速率自適應(yīng)編碼

我們使用基于X樹的小波可分級圖像編碼。根據(jù)編碼器/網(wǎng)絡(luò)接口反饋的信道信息通過改變量化參數(shù)、圖像發(fā)送視頻幀速或者把高頻率系數(shù)設(shè)為零等方法調(diào)整源端的輸出碼率。

(2)基于源的速率控制

這是一種通過估計網(wǎng)絡(luò)有效帶寬來決定圖像發(fā)送速率以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的技術(shù)，在此采用“幀速率和編碼速率聯(lián)合控制”方法。由于解碼圖像的質(zhì)量、編碼速率和編碼參數(shù)之間的關(guān)系非常復雜，難以對其進行準確的描述，只能在速率－失真(R－D)特性分析的基礎(chǔ)上，盡可能提高傳輸圖像的質(zhì)量，也就是通過對R－D特性的研究，找出在給定輸出比特率下，通過調(diào)整編碼參數(shù)優(yōu)化解碼圖像質(zhì)量的途徑。由于速率一失真關(guān)系描述了在一階嫡編碼意義上失真和最小編碼比特率之間的關(guān)系，而失真又取決于量化步長，因此，最優(yōu)編碼器的輸出碼率與量化步長間存在著某種函數(shù)關(guān)系。

3.2 錯誤控制

一種在發(fā)生分組丟失時增加實時圖像質(zhì)量的技術(shù)。本文采用聯(lián)合源/信道編碼方案以增加系統(tǒng)的魯棒性。理由如下:

(1)對于一個傳輸?shù)膱D像來說，源編碼率R越低，圖像的失真度D就越高。

(2)假設(shè)總速率是固定的，且丟失率不變的情況下，源編碼速率R越高，信道編碼冗余率R’就越低，那么網(wǎng)絡(luò)所導致的圖像幀丟失的概率Pc就越高，失真度D也就越高;

綜合上述兩點，我們可以發(fā)現(xiàn)在已定的總速率下，存在一個最佳源編碼速率Ro，使得失真度Do最小。我們的目標就是找到最佳點(Ro，Do)，并設(shè)計出信源/信道編碼方案，即在源編碼和信道編碼之間獲得一個最佳的速率分配。

4 結(jié)語

隨著數(shù)字電路處理速度的進步和集成度的提高已經(jīng)導致數(shù)字通信的快速普及。特別是，由于數(shù)字技術(shù)在可靠傳輸和高效存儲上進步以及超大規(guī)模集成電路技術(shù)導致生產(chǎn)成本降低等的推動，圖像和視頻的數(shù)字傳輸已經(jīng)變得越來越流行。同時基于IP網(wǎng)絡(luò)的實時圖像傳輸系統(tǒng)具有實時性、連續(xù)性和同步性等特點，能廣泛應(yīng)用于軍事、網(wǎng)絡(luò)點播、網(wǎng)上醫(yī)療和遠程教學等多個方面，所以IP網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為多媒體通信實時傳輸領(lǐng)域研究的新熱點。本文就是結(jié)合實際情況對基于IP網(wǎng)絡(luò)的實時圖像傳輸系統(tǒng)進行初步的探討。

參考文獻

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