基于IP網(wǎng)絡的數(shù)字視頻信息傳輸技術

樂元果

（重慶市信息通信咨詢設計院有限公司 重慶市 400000）

隨著當今網(wǎng)絡、計算機、傳輸以及圖像處理等技術的不斷發(fā)展與優(yōu)化，數(shù)字監(jiān)控設備總體成本的不斷降低，以及寬帶的廣泛普及，使得視頻監(jiān)控制技術也呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢頭。在此背景下，網(wǎng)絡視頻監(jiān)控已成為整個監(jiān)控領域中的重要發(fā)展方向；而隨著技術的持續(xù)發(fā)展，也帶來了視頻監(jiān)控領域投入成本的增加。本文圍繞多媒體網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，與其中的實時視頻信息傳輸?shù)幕咎攸c相結合，從多方面對此系統(tǒng)中的視頻信息傳輸技術進行深層研究，如速率控制技術、食品信息的組播傳輸技術及視頻信息壓縮編碼技術等。需要指出的是，此技術借助以PCI 總線為基礎的視頻采集壓縮卡，能夠圍繞實時視頻信息，利用H.264 視頻壓縮算法對其實施壓縮編碼。本文基于工控PC 機，對視頻信息傳輸技術架構當中的一些關鍵設備進行了設計，也就是以工控PC 機為基礎的視頻服務器，以及以視頻信息組播傳輸為基礎的網(wǎng)絡模型；另外，還采用以發(fā)送端為基礎的速率控制技術，為視頻信息能夠高質量的在IP 網(wǎng)絡上進行傳輸提供切實保障。本文就此探討如下。

1 數(shù)字視頻信息編解碼技術分析

針對視頻壓縮編碼來講，其最核心目的即為實現(xiàn)視頻序列相應碼率的減少，以此為既定信道上視頻信息的實時、高質量傳輸提供切實方便。對于視頻所采用的編解碼系統(tǒng)來分析，其主要由兩部分組成，其一為解碼器，其二是編碼器；而在整個編碼器架構當中，首先，用信源模型所對應的各項參數(shù)，對視頻序列（數(shù)字化）進行全面、深層次的描述；然后，量化信源模型的各項參數(shù)，使之成為相對有限且標準化的符號集；最后，采用當前比較實用且先進的無損編碼技術，對各種量化參數(shù)進行映射，使之成為更加滿足現(xiàn)實需要的二進制碼字，而從中所產(chǎn)生的大量比特流，會在IP 網(wǎng)絡上有規(guī)律、有目的性的傳輸。對于解碼器而言，其能夠根據(jù)現(xiàn)實情況及具體需要，反向開展編碼器的量化與二進制編碼，對信源模型所對應的各項量化參數(shù)進行重新獲??；然后利用解碼器所對應的圖象合成算法，并借助信源模型所給出的各種量化參數(shù)，將解碼相對應的視頻幀給計算出來。

需要指出的是，在整個數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)當中，因有著比較多的多媒體種類，且型號繁雜、信息量龐大，尤其是那些比較常見、常用的視頻圖像、聲音信息、數(shù)據(jù)及圖形等，在其中有著更大的占比；在此背景下，怎樣處理如此規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)量，已經(jīng)成為當前存儲、傳輸領域中需要迫切解決的難題所在。從根本上來分析，要想將此類信息進行有效化、合理化、規(guī)范化儲存與傳輸，首先要做的便是利用先進且高效的數(shù)據(jù)壓縮技術，對這些信息、數(shù)據(jù)進行有目的性、順序性且流程化的壓縮編碼處理；而在視頻編碼壓縮標準上，比較常用的有兩種，其一為H.264 標準，其二是MPEG-4 標準，通過對這些標準的嚴格遵循，以此來得到比較高的壓縮比，并最終獲得質量更高、更清晰的視頻圖像。

2 以工控PC機為基礎的視頻服務器設計

在整個視頻信息傳輸領域中，視頻服務器乃是其中不可分割的重要構成，是發(fā)揮著關鍵作用，扮演著重要角色；需要指出的是，視頻服務器作為數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎部件，其核心功能就是將壓縮編碼的各種視頻信息，以一種安全、穩(wěn)定且高效的方式，向網(wǎng)絡進行傳送，與此同時，還能夠將視頻信息儲存在相連接的硬盤中，以便日后查看。需強調(diào)的是，所采用的系統(tǒng)不同，視頻服務器所發(fā)揮的作用也會存在差異，比如其能夠根據(jù)系統(tǒng)需要，實時控制處于連接狀態(tài)的云臺、攝像儀等。從基礎層面來考量，視頻服務器在具體功能上，主要可劃分為三類，第一類為控制功能，第二類是網(wǎng)絡通信功能，而第三類則為視頻壓縮存儲功能。需說明的是，如果將視頻服務器應用于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)當中，通常情況下，需要采用以工控PC 機為基礎的視頻服務器，或者是采用與之相匹配的嵌入式視頻服務器。本文根據(jù)系統(tǒng)設計需要，選用的是以工控PC 機為基礎而得以設計開發(fā)的視頻服務器；此服務器借助以PCI 總線為基礎的視頻壓縮卡，圍繞經(jīng)采集而得到的實時視頻信息，進行有目的性、針對性的壓縮編碼；另外，從中所得到的壓縮碼流，會以一種合理、妥當?shù)姆绞絻Υ嬖谟脖P陣列當中；此外，還需要說明的是，借助先進的網(wǎng)絡適配器，能夠把各種視頻信息向IP 網(wǎng)絡實時性、快速化發(fā)送。而針對攝像儀以及云臺所控制的信息來講，則借助串行接口RS485、RS232（工控PC 機），來為傳輸提供配合。

另需重點強調(diào)的是，以工控PC 機為基礎的視頻服務器，依據(jù)功能的不同，可劃分成三個子系統(tǒng)：其一為視頻采集設備控制子系統(tǒng)，其二是網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)，其三為視頻信息壓縮存儲子系統(tǒng)。

2.1 網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)

在整個視頻服務器架構當中，要想高質量的進行或完成信息傳輸，合理設置通信子系統(tǒng)尤為關鍵。而在視頻服務器當中需要傳輸?shù)男畔⒅饕腥N，分別為控制視頻采集設備的信息、RTCP 控制信息與視頻流信息。在傳輸視頻流時，通常情況下，需選用UDP協(xié)議來進行傳輸；而對于RTP 控制信息而言，一般來講，需參照TCP 協(xié)議來進行傳輸；而針對控制視頻采集設備的相關信息來分析，需基于TCP 協(xié)議來展開傳輸，即服務器通過各種合適途徑，將控制信息以一種合理、規(guī)范的方式，不斷寫入COM 端口，通過這種方式來達到控制視頻采集設備的目的。需特別說明的是，因需要基于Windows2000 操作系統(tǒng)下，來進行網(wǎng)絡通信程序的開發(fā)，因此，可以根據(jù)現(xiàn)實需要，選用套接字的方式來進行以UDP 與TCP 協(xié)議為基礎的網(wǎng)絡通信程序的編制。另外，在本次設計當中，還基于TCP/IP 協(xié)議，完成了實時視頻信息傳輸模型的構建，此系統(tǒng)主要由四部分組成：

（1）解碼模塊；

（2）反饋模塊；

（3）視頻傳輸模快；

（4）編碼模塊。

2.2 視頻信息壓縮存儲子系統(tǒng)

針對此子系統(tǒng)而言，其主要作用就是圍繞實時視頻信息，將其壓縮編碼工作高質量完成，然后將所得到的壓縮編碼視頻，以一種規(guī)范、高效的方式，不斷儲存于硬盤陣列當中。通常情況下，在對實時視頻信息實施壓縮編碼時，可采用H.264 視頻壓縮算法來行此操作，另外，可將IDE 硬盤陣列當作存儲視頻信息的介質，并且采用RAID 的方式將視頻信息儲存起來。

2.3 視頻采集設備控制子系統(tǒng)

在系統(tǒng)的視頻服務器端，為了能夠將視頻圖清晰、準確且全面記錄下來，且選擇合適的錄像目標，需要結合實際情況，合理化控制相關采集設備，比如調(diào)節(jié)攝像儀、控制云臺等。有時為了能夠在客戶端同樣可以看到清晰、詳細的視頻圖象，可采用C/S 的方式，將控制信息高質量、實時性的向服務器端進行傳送，然后，服務器端便會根據(jù)具體程序需要，控制實時視頻采集設備。此外，還需強調(diào)的是，將云臺解碼驅動器妥當?shù)倪B接于COM 端口（工控PC 機），并通過將數(shù)據(jù)寫入到COM 端口，便能夠使全方位攝像儀被驅動（由云臺解碼驅動器所驅動），然后根據(jù)要求進行各種操作，如此一來，便能夠達到高效化控制實時視頻采集設備的目的。

3 視頻信息組播傳輸技術分析

對于組播傳輸方式來分析，其允許路由器一次性把數(shù)據(jù)包復制到若干通道上，并且對于此時的視頻服務器而言，僅需發(fā)送一個信息包，全部發(fā)出請求的客戶端對同一信息包進行共享，這樣一來，便可以達到減少網(wǎng)絡上傳輸信息包總量的目的，為帶寬的高效化利用提供切實保障，并為高質量傳輸實時視頻信息，提供優(yōu)質、高效且順暢的網(wǎng)絡傳輸方式。

在整個IP 網(wǎng)絡體系當中，用組播方式來進行數(shù)據(jù)包的傳送，并借助間接地址的方式來進行尋址，另外，在IPV4 所對應的地址分類當中，采用D 類地址對1 個組播組進行標識，此類地址所對應的具體范圍，通常在224.0.0.0～239.255.255.255 之間，向此小組發(fā)送的數(shù)據(jù)報副本，會被及時傳送給此小組成員。需要指出的是，上述所描述的各種操作，均用到了2 種協(xié)議，一種是多點傳送路由選擇協(xié)議，而另外一種則為IGMP 協(xié)議。針對IGMP 來講，通常情況下，會在主機與路由器（二者處于相連狀態(tài)）之間來進行各項操作，離開或者申請加入1 個組播組，而針對此時的路由器而言，會將主機成員資格查詢消息對外發(fā)出，借此對有無主機屬某個組播組的成員進行判斷，在此期間，只要有1 個主機對此次查詢響應，此時的組播路由器便會將組播數(shù)據(jù)持續(xù)性的向此子網(wǎng)發(fā)送。

針對IP 網(wǎng)絡所對應的多點傳送路由選擇來講，其也可劃分成兩種，其一為域間多點路由選擇，其二是域內(nèi)多點路由選擇。而針對與域內(nèi)多點路由選擇相關的協(xié)議當中，多使用PIM-DM 協(xié)議、DVMRP 協(xié)議等；而對于域間組播路由協(xié)議來考量，其現(xiàn)階段仍處在一個不斷研究、探索的階段，在解決方案上，較為成形的是三個協(xié)議的組合（即PIM-SM、MSDP 與MBGP）。另需說明的是，若視頻信息需通過其它網(wǎng)段，因難以確保其它網(wǎng)段也支持組播，可利用組播隧道技術來對實時視頻信息進行高效化且穩(wěn)定的組播傳輸。

（1）對組播數(shù)據(jù)進行打包，使之成為單播數(shù)據(jù)包，以此使組播數(shù)據(jù)包可通過單播數(shù)據(jù)包的形式順利通過此網(wǎng)絡；

（2）當路由器接受到此數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包進行解壓，得到原先的組播數(shù)據(jù)包，然后向以太網(wǎng)交換機進行傳送，以此達到組播傳輸實時視頻信息的目的，在此過程中，交換式以太網(wǎng)經(jīng)路由器與寬帶IP 骨干網(wǎng)絡相連接。

4 發(fā)送端速率控制技術分析

需說明的是，一個合理且實用的實時視頻信息傳輸方案，需擁有專屬自身的速率調(diào)節(jié)機制，也就是當發(fā)生網(wǎng)絡擁塞情況時，視頻服務器應能夠將自身的發(fā)送速率予以減低，以此對可能發(fā)生的網(wǎng)絡崩潰進行規(guī)避，并促進網(wǎng)絡資源相應利用率的提升。所以，在對視頻服務器進行實際設計時，需選用與之配套的速率調(diào)節(jié)機制，參照客戶端所給出的反饋信息，對視頻服務器向IP 網(wǎng)絡所傳送的視頻速率進行動態(tài)化調(diào)節(jié)，借此來更好的適應網(wǎng)絡帶寬的各種變化。本文選用以發(fā)送端為基礎的速率調(diào)節(jié)機制，將速率控制器與速率過濾器結合在一起，采用此種方式進行視頻信息的傳輸。對于速率過濾器而言，其通過執(zhí)行速率過濾，使已被完成壓縮的視頻的發(fā)送速率，能夠更好的匹配于網(wǎng)絡所要求的速率。

另需指出的是，速率濾波器還可根據(jù)現(xiàn)實情況及相關要求，選用分層丟棄濾波器或者是幀丟棄濾波器。對于幀丟棄濾波器來講，其可以對出幀的類型進行準確識別，并且還能依據(jù)幀的重要性對其實施合理化丟棄。此外，幀丟棄濾波器能通過將部分幀丟棄，便可以借助較低速率而對所保留的幀急性傳遞；而針對分層丟棄濾波器來考量，其可以對視頻數(shù)據(jù)層進行準確識別，并依據(jù)從高到底的順序來丟棄視頻數(shù)據(jù)層。

5 結語

綜上，以IP 網(wǎng)絡為基礎來進行數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計，能夠得到更加理想的視頻傳輸技術，通過對從客戶端所接收到的圖像質量來分析，此信息傳輸技術實用且可行，可以顯著提高IP 網(wǎng)絡上處于傳輸狀態(tài)的實時視頻信息的質量，因而能夠為數(shù)據(jù)信息的高質量傳輸提供支撐，并為相關工作的高效化開展提供切實保障。