實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)中IP技術(shù)的應(yīng)用

摘 要:當(dāng)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(jī)制構(gòu)建的。基于實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)中對(duì)IP技術(shù)的需求不斷增加，本文從聯(lián)合設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)時(shí)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(cuò)誤機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(shí)時(shí)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(dāng)前廣泛使用的IP網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)“盡最大努力交付”機(jī)制構(gòu)建的。由于網(wǎng)絡(luò)的流量并非在所在時(shí)刻都均勻分布，因此在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，設(shè)備會(huì)延遲數(shù)據(jù)包的發(fā)送或者直接將數(shù)據(jù)包丟棄來(lái)緩解擁塞。因而存在傳輸信道不可靠、帶寬波動(dòng)大、傳輸數(shù)據(jù)易丟失、以及會(huì)引入無(wú)法預(yù)測(cè)的延時(shí)和抖動(dòng)等問(wèn)題，故很難滿(mǎn)足實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(dǎo)致服務(wù)靈活性和帶寬利用率之間的兩難。

為了保證實(shí)況圖像能更好，更安全，更流暢地實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心，本文從聯(lián)合設(shè)計(jì)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(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2 帶寬估計(jì)

IP正在成為下一代網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基石，基于TDM技術(shù)的話音網(wǎng)絡(luò)開(kāi)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(jìn)的進(jìn)程。各種業(yè)務(wù)融合到一個(gè)全I(xiàn)P平臺(tái)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(dòng)社會(huì)的信息化進(jìn)程，提供人們所能想象到的靈活性，提供面向現(xiàn)在和未來(lái)的開(kāi)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(shí)時(shí)圖像傳輸中，為了充分利用可用的帶寬資源，必須隨時(shí)跟蹤當(dāng)前可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬，做出正確的估計(jì)，然后再通過(guò)碼率控制，使輸出碼流在滿(mǎn)足帶寬限制的條件下達(dá)到某種評(píng)估指標(biāo)的最優(yōu)。

由于IP網(wǎng)絡(luò)的TCP協(xié)議不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)圖像傳輸對(duì)延遲的要求，所以在實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通常采用UDP協(xié)議。在UDP協(xié)議之上可以通過(guò)RTP和RTCP實(shí)現(xiàn)反饋擁塞控制。通過(guò)RTP可以給圖像數(shù)據(jù)包加上序號(hào)，從而便于接收端統(tǒng)計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包的丟失情況，并每隔一定的時(shí)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(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的估計(jì)，算法如下:

其中△R和(可取0.5)的數(shù)值可預(yù)先設(shè)定，這樣在網(wǎng)絡(luò)傳輸情況良好時(shí)，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(yán)重時(shí)，急劇下調(diào)R容許，以及時(shí)避免網(wǎng)絡(luò)過(guò)度擁塞。顯然，在R容許初始值較小和實(shí)際可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬較大時(shí)，上面的算法需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能準(zhǔn)確調(diào)整R容許，為此，可對(duì)上面的算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置多個(gè)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(dāng)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(shí)時(shí)圖像的傳輸順暢。

3 擁塞控制和錯(cuò)誤控制

對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)而言擁塞控制和錯(cuò)誤控制是保證網(wǎng)絡(luò)高效工作的最重要的兩個(gè)部件。擁塞控制用于減少分組丟失和分組延遲;錯(cuò)誤控制用于在發(fā)生分組丟失時(shí)盡可能的提高圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量。在實(shí)時(shí)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(cuò)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(shù)的小波可分級(jí)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(guò)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(guò)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)有效帶寬來(lái)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(fù)雜，難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)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(guò)對(duì)R－D特性的研究，找出在給定輸出比特率下，通過(guò)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(zhǎng)，因此，最優(yōu)編碼器的輸出碼率與量化步長(zhǎng)間存在著某種函數(shù)關(guān)系。

3.2 錯(cuò)誤控制

一種在發(fā)生分組丟失時(shí)增加實(shí)時(shí)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(duì)于一個(gè)傳輸?shù)膱D像來(lái)說(shuō)，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(dǎo)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(diǎn)，我們可以發(fā)現(xiàn)在已定的總速率下，存在一個(gè)最佳源編碼速率Ro，使得失真度Do最小。我們的目標(biāo)就是找到最佳點(diǎn)(Ro，Do)，并設(shè)計(jì)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(gè)最佳的速率分配。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字電路處理速度的進(jìn)步和集成度的提高已經(jīng)導(dǎo)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(chǔ)上進(jìn)步以及超大規(guī)模集成電路技術(shù)導(dǎo)致生產(chǎn)成本降低等的推動(dòng)，圖像和視頻的數(shù)字傳輸已經(jīng)變得越來(lái)越流行。同時(shí)基于IP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和同步性等特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于軍事、網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播、網(wǎng)上醫(yī)療和遠(yuǎn)程教學(xué)等多個(gè)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(shí)時(shí)傳輸領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)。本文就是結(jié)合實(shí)際情況對(duì)基于IP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)進(jìn)行初步的探討。

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