無線視頻監控可靠性保障技術設計與實現

余 翔，黃小敏

（重慶郵電大學，重慶 400065）

無線視頻監控可靠性保障技術設計與實現

余 翔，黃小敏

（重慶郵電大學，重慶 400065）

針對不同無線信道下的視頻實時監控業務，提出了一種參數可變的可靠性保障技術設計方案，提高了無線實時監控系統中的視頻質量。在介紹了無線實時監控系統的總體方案和工作原理之后，詳細闡述了可靠性保障技術的實現機制，該機制通過引入圖像緩沖區、設置H.264編碼參數、并通過幀處理機制以及RTP/RTCP傳輸協議，保障了無線實時視頻傳輸的高可靠性。最后通過在WiFi，WCDMA，TD-LTE等無線信道下的測試，分析了系統的性能指標，驗證了該設計方案的有效性。

無線信道；視頻監控；可靠性保障；H.264；WiFi；WCDMA；TD-LTE

目前，無線網絡技術的發展十分迅速，并以它特有的靈活性、便攜性等優勢在網絡應用中發揮著日益重要的作用。同時，無線網絡技術根據不同的應用環境和需求有著不同的標準協議和實現形式，而隨著技術的不斷更新，無線網絡技術所呈現的寬帶化、高速率發展特征正逐步影響著各個業務應用領域。WiFi作為一種能夠在短距離范圍內可以將個人PC、智能終端以及互聯網電視等設備以無線方式相互連接的無線網絡技術，支持IEEE的802.11b、802.11g和802.11n標準，能夠在幾米到100米范圍內提供300 Mbit/s的帶寬速率。而對于無線移動通信網絡，3G網絡將無線通信與互聯網技術相融合，支持高速數據傳輸，且利用HSPA以及HSPA+技術能夠提供21 Mbit/s的帶寬速率。而即將部署的4G網絡利用LTE技術，在20 MHz帶寬下能夠提供最大下行速率達100 Mbit/s，最大上行速率也達到了50 Mbit/s的帶寬速率[1]。

與此同時，在視頻圖像壓縮算法中，H.264/AVC標準繼承了H.263和MPEG-1/2/4視頻編碼的優勢，在吸取變換編碼和運動補償技術的基礎上，采用全新的幀內預測、多幀參考預測、高精度運動估計等技術[2-3]，使其具有更高的視頻壓縮比、更好的視頻質量以及更強的網絡適應性，因此在視頻業務領域中得到了廣泛的應用。

而在視頻業務領域的視頻監控方向，人們利用無線網絡和視頻編碼等技術進行無線實時監控也早已實現。但由于無線信道的時變性、視頻編碼算法的高復雜度以及網絡傳輸中數據包跨層處理所造成的丟包與時延等問題，無線實時監控系統的視頻質量難以得到保障。因此，基于以上所提及的這些問題，設計并實現了基于不同無線信道下實時監控系統的可靠性保障技術，分別在WiFi，WCDMA，TD-LTE信道下進行了測試驗證。

1 系統總體方案及原理

系統總體方案由3部分構成：便攜式終端設備、中心節點和監控中心，如圖1所示。便攜式終端設備由視頻采集模塊、視頻編碼模塊、視頻傳輸模塊等3個模塊構成。便攜式終端設備基于達芬奇技術平臺TMS320DM3730，利用ARM+DSP雙核結構，對視頻采集、編碼、傳輸進行調度[4]。視頻采集模塊采用支持多種分辨率的全高清USB攝像頭，最大分辨率為1 920×1 080，最高支持幀率為30 f/s（幀/秒）。視頻編碼模塊通過TMS320DM3730的DSP核實現，該DSP核最高主頻為800 MHz，更快的運算速度保障了更高的編碼效率。視頻傳輸模塊根據所采用的無線信道，采用不同的無線數據終端，在WiFi信道、WCDMA信道和TD-LTE信道中對系統可靠性保障技術分別進行測試，因而視頻傳輸模塊分別采用無線網卡、WCDMA無線上網卡和TD-LTE無線數據卡進行視頻流數據的發送。

圖1 總體方案

中心節點接收便攜式終端設備發送的實時數據流，并將實時數據流轉發給監控中心。對應于WiFi信道、WCDMA信道和TD-LTE信道中，中心節點分別為WLAN AP接入點、WCDMA基站和TD-LTE基站。

監控中心基于Windows系統進行開發，利用FFmpeg編解碼庫對接收到的視頻數據流進行解碼，然后使用OpenCV對解碼后的圖像數據進行顯示。同時，根據接收到的數據包信息，監控中心對無線視頻傳輸系統的性能進行評估。

2 系統可靠性保障技術

本節利用Video4Linux2（V4L2）視頻采集框架和達芬奇技術平臺的H.264編解碼器的特征，并結合數據包在傳輸層、網絡層和鏈路層的傳輸特點，詳細介紹并實現了無線實時監控系統的可靠性保障技術。該可靠性保障技術主要通過原始圖像緩沖區、H.264編解碼器參數設置、幀處理機制以及RTP/RTCP實時傳輸來實現。

2.1 原始圖像緩沖區

便攜式終端設備采用嵌入式Linux系統中的V4L2視頻采集框架，在便攜式終端設備上進行視頻采集，設置視頻采集格式為YUV格式、采集最大幀率為30 f/s，圖像分辨率設置為352×288，該分辨率為CIF格式，適用于網絡視頻傳輸。而實際上，采集幀率是動態變化的，變化范圍為20～30 f/s。同時，TMS320DM3730平臺上DSP核的H.264編碼速率也是動態變化的，當編碼速率低于視頻采集幀率的需求時，容易造成原始圖像數據的丟失，降低了視頻傳輸系統的可靠性。

因此，可以通過設置原始圖像緩沖區來匹配H.264編碼速率和視頻采集幀率，從而提高系統的可靠性。原始圖像緩沖區的大小按不同的無線信道質量設置為10～30幀圖像，則系統的緩沖時延為333～1 000 ms。

2.2 H.264編碼參數設置

在TMS320DM3730平臺的ARM+DSP雙核達芬奇架構中，ARM核運行Linux系統，應用程序通過Linux系統和相關外設驅動與外界進行通信和數據交互；DSP核運行實時操作系統DSP/BIOS來支持音視頻編解碼算法的運行。而ARM核和DSP核的交互與通信則是通過編解碼引擎（Codec Engine）和服務器（Codec Server）來實現的。通過這種機制，在ARM核中的應用程序可以調用Codec Engine提供的VISA（Video，Image，Speech，Audio）API接口，并配置音視頻編解碼的參數，在DSP核中進行音視頻的編解碼，之后通過VISA API接口將編解碼算法的執行結果返回給ARM核中的應用程序[5-6]。

通過VISA API接口調用H.264編碼算法步驟如下：

1）創建Engine_open（）函數打開編解碼引擎；

2）配置H.264編碼器的基本參數params和動態參數dynParams；

3）創 建 Venc1_create（hEngine，H.264ENC_NAME，¶ms，&dynParams）函數打開H.264編碼器；

4）調用函數Venc1_process（）執行H.264編碼算法。

在函數Venc1_create（）中，動態參數dynParams是編解碼器的附加高級參數，可以在視頻編解碼過程中更精確、更詳細地控制編解碼器以達到期望的應用效果。主要包括編碼類型encodingPreset、最大幀率maxFrameRate、最大比特率maxBitRate、編解碼器檔次標識profileldc、編解碼器級別標識levelldc、最大I幀間隔maxInterFrameInterva。

1）encodingPreset：此參數可以將視頻編解碼設置為高質量模式或標準質量模式。高質量模式時編解碼器能夠得到高性能。標準質量模式適用于低于720p分辨率的圖像質量。便攜式終端的視頻采集模塊設置的圖像分辨率為CIF級別（分辨率為352×288），因此該參數應設置為標準質量模式。

2）maxFrameRate：此參數為編解碼器支持的最大幀率。便攜式終端的視頻采集模塊設置的最大采集幀率為30 f/s，因此該參數也應該設置為30 f/s。

3）maxBitRate：此參數為編解碼器支持的最大比特流。對應于最大幀率30 f/s以及352×288分辨率，該視頻流的最大比特流為3 041 280 bit/s，因此該參數設置為3 041 280。

4）profileldc：此參數為編解碼器的檔次標識。H.264/ AVC定義了3種檔次[5]：基本檔次（Baseline profile）、主檔次（main profile）、擴展檔次（extend profile）。基本檔次主要面向于一般交互式視頻應用，且要求傳輸時延小的應用對象。因此該參數設置為Baseline profile。

5）levelldc：此參數為編解碼器的級別標識。H.264/AVC定義了15種不同的級別來限定圖片的尺寸和壓縮后最大碼率，同時對參考幀數量做了相應的規定[7]。對應于CIF級別的圖像，基本檔次的H.264編解碼器相關參數如表1所示。

表1 H.264/AVC圖像級別參數設置

6）maxInterFrameInterva：此參數為兩個相鄰I幀之間的距離。由于基本檔次的編解碼器沒有設置B幀，因此它反映的是兩個相鄰I幀之間P幀個數的大小。而P幀個數越多，編碼過后的畫面質量越差，因此可以將該參數設置為1，增強編碼過后的圖像質量。其中I幀為全幀壓縮編碼幀，P幀為前向預測編碼幀，B幀為雙向預測內插編碼幀。

2.3 幀處理機制

從原始圖像緩沖區中取出1幀圖像經過H.264編碼后，需要通過便攜式終端設備上的視頻傳輸模塊將編碼后的各幀圖像數據發送給中心節點。如果直接利用視頻傳輸模塊在網絡層對1幀H.264圖像數據進行傳輸，則網絡層的IP協議處理過程如下[8-9]：首先判斷1幀H.264圖像數據大小是否超過網絡接口的最大傳輸單元（MTU），若超過則網絡層會自動對圖像數據按MTU值的大小進行分包處理，并給每個分包編號，再通過網絡層發送給圖像數據的接收端；網絡層會對接收到的分包進行排序組合，如果該幀圖像數據的分包中有一個在網絡中丟失，則網絡層會自動丟棄該幀數據，從而造成該幀數據的丟失，降低了系統的可靠性，此為網絡層的自動分包與重組處理機制。

因此在將1幀H.264圖像數據通過網絡層發送之前，需要通過幀處理對每幀H.264圖像數據進行手動分包，并給每個分包添加幀號、幀長以及包號等包頭信息，使得1幀H.264圖像數據不會因為網絡層IP協議的自動分包與重組處理機制而造成整幀數據的丟失。幀處理的結構如表2所示。

表2 幀處理結構

便攜式終端設備視頻傳輸模塊所采用的網絡接口的MTU值都為1 500 byte，MTU值包含一些網絡協議開銷，因此幀處理過程中，分包的大小需要小于1 500 byte。幀處理機制將1幀H.264圖像數據按1 000 byte進行手動分包，并給每個分包添加幀號、幀長和包號等包頭信息，幀號、幀長、包號信息各占4 byte，則1個分包的總大小共為1 012 byte，分包后各個數據包結構如圖2所示。

圖2 數據包結構

通過網絡層將分包發送給監控中心，監控中心按照包頭信息對每幀H.264圖像數據進行手動重組，并根據包頭信息對系統的丟包率、丟幀率以及幀率進行統計。監控中心對實際接收到的幀數和數據包個數進行統計，假設監控中心實際接收到的總數據包個數為n，總幀數為m，且接收到的最后一幀的幀號為M，則系統丟幀率為

監控中心接收到的實際幀率可以通過計算每秒接收到的幀數來進行統計。

2.4 RTP/RTCP實時傳輸

無線實時監控系統作為一種多媒體實時應用，要求系統的時延低、實時性強。對于網絡傳輸協議，TCP協議由于采用3次握手機制可以解決分組丟失的問題，但其分組的重傳機制會產生較大的延時，而UDP協議無連接且不可靠，無法解決分組丟失和失序的問題，因而IETF制定了實時傳輸協議RTP和實時傳輸控制協議RTCP，來滿足Internet上對于實時數據流傳輸的業務需要。RTP/RTCP協議利用時間戳和序號等信息實現了一種端到端的多媒體流同步控制機制，既不需要事先建立連接，也不需要中間節點的參與，為其保留資源。而且在網絡資源帶寬充足的情況下，RTP/RTCP協議具有一定的帶寬調控能力，保證端到端的多媒體流同步[10]。

使用RTP/RTCP協議進行視頻數據流的傳輸時，使發送端和接收端保持時間同步，則可以利用時間戳信息得到系統的傳輸時延。從監控中心接收到的RTP數據包中可以得到數據包發送時間，假設發送時間為Tsend，而接收端接收到數據包的時間為Treceive，則系統的傳輸時延為

3 測試方案與結果

系統的無線傳輸信道采用WiFi信道、WCDMA信道以及TD-LTE信道進行測試，其中，WiFi信道支持IEEE802.11n協議，最大數據傳輸速率達300 Mbit/s，在短距離范圍內WiFi信道提供的帶寬穩定[11]；WCDMA信道目前采用HSU?PA技術，目前支持的最大上行速率為5.76 Mbit/s，最大下行速率達到21 Mbit/s[12]，但帶寬會因為無線信道的時變性而不穩定，信道質量變化較快；而TD-LTE實驗網目前支持最大上行速率為50 Mbit/s，最大下行速率達100 Mbit/s，且TD-LTE網絡可以通過采用不同的小區部署機制來保證單小區范圍內的帶寬資源，從而提高無線信道的穩定性。

測試方案采用A組和B組兩組方案對無線監控系統的可靠性保障技術進行性能評估。A組方案根據各個無線信道的特征，對可靠性保障技術中的參數進行配置，如表3所示。分別在WiFi,WCDMA,TD-LTE信道下對系統進行測試。B組方案不采用該可靠性保障技術，即不設置原始圖像緩沖區、H.264編碼參數采用默認參數、不進行幀處理并且使用UDP協議代替RTP/RTCP協議來對系統進行測試，B組方案通過統計便攜式終端設備上發送的數據包包數、幀數、發送時間，對比監控中心接收到的數據包包數、幀數、接收時間，得出系統的丟包率、丟幀率、幀率以及傳輸時延。

表3 可靠性保障技術參數配置

無線實時監控系統的工作狀態圖如圖3所示。通過多次測量并統計各個方案中監控中心的丟包率、丟幀率、傳輸時延以及接收幀率來對兩種方案進行比較，測試結果如表4所示。

圖3 系統工作狀態圖

由表4可知，在WiFi，WCDMA，TD-LTE信道下，A組方案中監控中心的丟包率、丟幀率、實際幀率以及傳輸時延均要小于B組方案中監控中心的測試結果。同時，通過該可靠性保障技術設計方案中設置的原始圖像緩沖區，引入一定的緩沖時延，A組方案監控中心的畫面流暢，基本沒有監控畫面抖動的現象，而B組方案中由于視頻采集幀率與H.264編碼幀率的不匹配，未引入緩沖時延，監控中心的畫面抖動現象比較嚴重。

4 結束語

表4 A組方案和B組方案測試結果

隨著移動通信網絡與互聯網技術的不斷融合、無線網絡技術的帶寬和速率的不斷增長，無線實時視頻監控業務日益受到人們的關注，因而對視頻數據流在無線信道下進行實時傳輸的可靠性要求也越來越高。本文提出的基于無線實時監控系統的可靠性保障技術能夠根據各個無線信道的特征，分別進行系統參數配置，提高視頻流實時傳輸的可靠性。該技術一方面通過引入緩沖時延降低了監控中心的畫面抖動，并利用RTP，RTCP協議傳輸減小了系統的傳輸時延；另一方面通過幀處理機制減小系統的丟包率和丟幀率，提高了監控中心的實際幀率。

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Design and Realization of Reliability Guarantee Technology Based on Wireless Video Monitoring

YU Xiang，HUANG Xiaomin
（Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

For video real-time monitoring system in different wireless channels，a reliability guarantee technology which parameters are variable is designed.And this technology improves the video quality of wireless real-time monitoring system greatly.After a detailed introduction of the overall scheme and work theory，the design of the implementation mechanism in the reliability guarantee technology is focused on.The size setting of image buffer，the parameters of H.264 encode，the frame processing mechanism and the transfer protocol of RTP/RTCP are contained in this design，which guarantee the high reliability of wireless real-time monitoring system.Finally by using these tests in WiFi/WCDMA/TD-LTE channels，the performance indicators are analyzed，and the validity of the design scheme is verified.

wireless channel；video monitoring；reliability guarantee；H.264；WiFi；WCDMA；TD-LTE

TP311.1

A

10.16280/j.videoe.2015.04.006

黃小敏（1988—），碩士生，主要研究方向為通信與信息系統；

2014-05-14

【本文獻信息】余翔，黃小敏.無線視頻監控可靠性保障技術設計與實現[J].電視技術，2015，39（4）.

國家科技重大專項（2014ZX03001027）

余 翔（1964—），教授，主要研究方向為通信與信息系統。

責任編輯：時 雯