基于SPICE協(xié)議的視頻處理改進方案

侯文慧

（四川大學(xué)計算機學(xué)院，成都 610065）

0 引言

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機系統(tǒng)和應(yīng)用越來越復(fù)雜，有效地管理各種資源變得越來越困難，虛擬化技術(shù)為此提供了有效的解決方案。虛擬化技術(shù)將各種計算機資源進行抽象和轉(zhuǎn)換，以更加高效的方式應(yīng)用這些資源，同時脫離現(xiàn)有資源的架設(shè)限制，以實現(xiàn)資源的靈活高效的使用。其中桌面虛擬化技術(shù)是虛擬化的一項關(guān)鍵技術(shù)。用戶可使用任何設(shè)備、在任何地點、任何時間通過云桌面協(xié)議，訪問服務(wù)器端存放的完整的個人桌面環(huán)境，從而獲得與操作本地操作系統(tǒng)類似的PC使用體驗[1]。其中，云桌面協(xié)議將極大的影響虛擬桌面用戶體驗。

目前主流的有云桌面協(xié)議有RDP、ICA、PCoIP以及SPICE這四種。其中，RDP是有微軟開發(fā)的多通道協(xié)議，支持不同類型的網(wǎng)絡(luò)拓撲，與其兼容的客戶端可在多種操作系統(tǒng)上運行；ICA是由Citrix自己獨立研發(fā)的，致力于云計算虛擬化、虛擬桌面和遠程接入技術(shù)，具有很好的穩(wěn)定性；PCoIP是由VMware與Teradici共同開發(fā)，將用戶的回話以圖像的方式壓縮傳輸，只傳輸有變化部分，保障了低帶寬條件下的高效使用。SPICE是Redhat公司開發(fā)的完全開源的云桌面協(xié)議，它吸收很多傳統(tǒng)解決方案的優(yōu)點，采用多層架構(gòu)方式，提供圖像、視頻、音頻等多種的多媒體體驗，在廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)內(nèi)均可很好的使用，具有很大的市場潛力[2]。

1 相關(guān)工作

1.1 SPICE協(xié)議框架

獨立計算環(huán)境的簡單協(xié)議（Simple Protocol for In?dependent Computing Environment，SPICE）是由紅帽公司開發(fā)的專門為桌面虛擬化解決方案而設(shè)計的遠程顯示傳輸協(xié)議。用戶可不受時間、地點的限制，通過客戶端來訪問遠程桌面系統(tǒng)，從而獲得與本地機器交互類似的用戶體驗，而把一些CPU、GPU密集的工作移交給遠程高性能的處理機器。SPICE主要包括三個構(gòu)件，SPICE服務(wù)端、SPICE協(xié)議、SPICE客戶端，除此之外，還有些相關(guān)組件，如QXL設(shè)備與驅(qū)動、Agent代理等[3]。虛擬機運行在虛擬平臺QEMU-KVM上，QEMU獲取虛擬機的信息，并把信息傳遞給SPICE服務(wù)端，服務(wù)端把信息處理后，使用SPICE協(xié)議將信息封裝后傳遞給SPICE客戶端，客戶端收到信息后，發(fā)送反饋報文給SPICE服務(wù)端。SPICE基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SPICE框架結(jié)構(gòu)圖

1.2 SPICE 的視頻處理算法

QUME獲取虛擬機的顯示畫面后，將其中圖像幀信息傳遞給SPICE服務(wù)端，SPICE虛擬機的圖像信息構(gòu)建渲染樹，渲染樹記錄著圖像幀的區(qū)域、大小、幀率等信息，同時SPICE維持著流鏈表記錄著SPICE中的視頻流信息，視頻流指一個穩(wěn)定的、連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧?。若是圖像塊的幀率達到了20幀每秒，則識別該區(qū)域的為視頻區(qū)域并將其加入流鏈表，該幀為視頻幀。若幀所在的區(qū)域已經(jīng)存在于流鏈表之中，則判斷當(dāng)前幀與前一幀是否小于閾值。若是，則該幀為視頻幀；若否，則將所在區(qū)域從流鏈表中移除。若識別幀為視頻幀，則使用MJPEG壓縮算法壓縮視頻幀；否則該幀為圖像幀，使用圖像算法壓縮圖像幀，SPICE主要提供了三種圖像壓縮算法——Quic、LZ、GLZ（Global LZ）。SPICE協(xié)議將壓縮后的幀傳輸?shù)娇蛻舳?，使用相?yīng)的算法對其解壓，并顯示到客戶端屏幕上。

MJPEG（運動靜止圖像壓縮技術(shù)）最初是為多媒體PC應(yīng)用而開發(fā)的，現(xiàn)在被諸如數(shù)碼相機、IP攝像機、網(wǎng)絡(luò)攝像機等視頻捕捉設(shè)備以及非線性視頻編輯系統(tǒng)所使用。MJPEG將連續(xù)的視頻幀序列作為一幀一幀的連續(xù)的靜止圖像幀來進行處理，每一幀使用JPEG壓縮算法進行壓縮處理。其優(yōu)點在于可得到比較好的壓縮質(zhì)量，能夠容忍視頻流中快速變化的運動，對硬件要求較低，同時有廣泛的客戶端支持[4]。但MJPEG的缺點也很明顯，它未考慮視頻流中幀與幀之間的關(guān)聯(lián)性，缺乏幀間預(yù)測，幀彼此獨立壓縮，壓縮后的相鄰幀之間的有大量重復(fù)的冗余信息，壓縮效率非常低，極大消耗了SPICE的存儲和傳輸資源，不大適合視頻資源的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2 改進方案

SPICE原開發(fā)團隊選擇MJPEG作為視頻壓縮算法的原因在于MJPEG比較簡單，對CPU消耗少，對瘦客戶端的處理能力要求較低。但由于沒有幀間編碼，MJPEG壓縮效率十分有限，對帶寬要求非常高，即使在局域網(wǎng)范圍內(nèi)，要播放高清視頻也需要提供優(yōu)良網(wǎng)絡(luò)條件。于此，本文使用MPEG4視頻壓縮算法替換原有的MJPEG算法壓縮視頻幀，SPICE協(xié)議將壓縮后的視頻幀信息傳遞到客戶端，并在客戶端使用MPEG4解壓算法解壓視頻幀。

2.1 MPEG4視頻壓縮算法

MPEG4是一種定義音頻和視頻數(shù)字數(shù)據(jù)壓縮方法，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）成立的專責(zé)制定有關(guān)運動圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的工作組所制定的國際通用標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4仍然是一個不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，分為若干部分，主要包括：系統(tǒng)層、視頻、音頻、DMIF、一致性測試和參考軟件等。MPEG-4主要針對低比特率的視頻通信，能夠編碼混合媒體數(shù)據(jù)（視頻、音頻、語音），支持健壯傳輸?shù)腻e誤恢復(fù)，可利用很窄的帶寬獲得優(yōu)質(zhì)的畫面質(zhì)量[5]。

MPEG4視頻壓縮算法的主要特征是提供基于內(nèi)容的編碼，實現(xiàn)高效的壓縮。以前的壓縮算法只是去掉幀內(nèi)和幀間的冗余,MPEG-4則要求對圖像和視頻作更多的分析。MPEG4視頻壓縮算法不再將視頻數(shù)據(jù)只是單純地看出一幀幀的圖像，基于像素進行編碼，而是將一幅景物分成若干在時間和空間上相互聯(lián)系的視頻音頻對象，例如一幀圖像中的一個人、一個物體或是背景、音樂等看成一個對象，對每個對象靈活分配碼率，并為每個對象的編碼形成一個對象碼流層，包含對象的形狀、位置、紋理等屬性[6]。

MPEG4的主要步驟為：（1）在視頻對象進行分割，從原始視頻流中，采用全自動、半自動等方式分割得到視頻對象；（2）對不同的視頻對象進行獨立編碼，對于各個對象的運動、形狀和紋理進行編碼，分配不同的碼字；（3）復(fù)合各個對象的碼流為MPEG4位流。

2.2 MPEG4相比與MJPEG優(yōu)勢

（1）MPEG4提供幀內(nèi)和幀間壓縮，去除了幀間冗余，具有更高的壓縮效率；

（2）MPEG4采用基于內(nèi)容的編碼，從紋理和輪廓出發(fā),大大增加了交互性；

（3）MJPEG壓縮比為20:1-50:1，MPEG-4最高達200：1，比MJPEG算法提供更好壓縮比；

（4）MPEG4在提供高壓縮比的同時保證較小的數(shù)據(jù)損失；

（5）具有很好的兼容性，提供了易出錯環(huán)境的魯棒性。

2.3 MPEG4視頻壓縮算法替換MJPEG算法

SPICE通過幀率判定為圖像塊為視頻幀后，需在發(fā)送給客戶端前需進行壓縮以減小傳輸量，本文使用MPEG4壓縮視頻幀。MPEG4編碼主要通過調(diào)用XviD的庫函數(shù)實現(xiàn)。XviD是一個開放源代碼的MPEG-4視頻編解碼器，它是基于OpenDivX而編寫的。XviD視頻編解碼器作為第二代MPEG4編碼具有多方面的優(yōu)點：（1）支持多種編碼模式；（2）除了提供了標(biāo)準(zhǔn)MPEG量化方式,提供了更適合低碼流壓縮的h。263量化方式；（3）提供了多極運動偵測精度；（4）提供如心理視覺亮度修正等不少附加功能；（5）畫面優(yōu)化譯碼。鑒于XviD以上種種優(yōu)點，我們采用XVID實現(xiàn)視頻的編解碼。其中在SPICE服務(wù)端、協(xié)議、客戶端的編解碼視頻幀步驟為：

SPICE服務(wù)端：（1）若圖像塊區(qū)域被識別為新的視頻區(qū)域加入了流鏈表，則為該流初始化一個XviD編碼器。編碼器獲取視頻幀的高寬以設(shè)定編碼器大小，以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況以設(shè)定初始碼率，同時設(shè)定其他參數(shù)；（2）對于編碼器第一幀，直接使用當(dāng)前編碼器對幀進行壓縮。其后到達的幀若與當(dāng)前編碼器的高寬，則使用當(dāng)前編碼器進行編碼。若否，則銷毀當(dāng)前編碼器并為創(chuàng)建一個新的編碼器，再進行編碼壓縮。

SPICE協(xié)議：SPICE協(xié)議將壓縮后的視頻信息發(fā)送至SPICE客戶端。

SPICE客戶端：（1）SPICE客戶端接收到流的第一幀信息后，為流初始化XviD解碼器，并設(shè)定編碼器大小；（2）對于解碼器的第一幀使用當(dāng)前解碼器，對于對幀進行解壓。其后到達的幀若與當(dāng)前解碼器的高寬，則使用當(dāng)前解碼器進行解壓。若否，則銷毀當(dāng)前解碼器并為創(chuàng)建一個新的解碼器，再進行視頻幀解壓；（3）將視頻幀顯示到屏幕。

3 實驗評估

實驗環(huán)境為：SPICE服務(wù)端配置：Intel Pentium Du?al-Core CPU E6700@3.20GHz；內(nèi)存 6G；操作系統(tǒng)Centos 7；SPICE客戶端配置：Intel（R）Pentium（R）CPU B950@2.10GHz；內(nèi)存 6G；操作系統(tǒng)：Ubuntu-4.4.0。本文實驗在服務(wù)器端和客戶端電腦上之間組建獨立的局域網(wǎng)，并使用流量控制工具tc調(diào)節(jié)局域網(wǎng)帶寬。

實驗?zāi)康模簩Ρ雀倪M后的協(xié)議和未改進的協(xié)議在不同帶寬條件下的流量，以驗證改進后協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)帶寬占用方面的優(yōu)良性能。

圖 2 是在 50ms時延、10-6丟包率和 2Mb/s、5Mb/s、10Mb/s、20Mb/s、50Mb/s及無帶寬限制條件下的帶寬占用的測試結(jié)果。從圖2中可以看出，在各個帶寬條件下，改進后的SPICE比改進前協(xié)議的性能有著明顯的提升。在低帶寬條件下，改進后的SPICE占用帶寬與原SPICE相比減小30-40%，其帶寬變化更穩(wěn)定。隨著可用帶寬的不斷增加，改進后的協(xié)議比原SPICE的帶寬占用差距愈加增大，在不限帶寬的網(wǎng)絡(luò)條件下，改進后協(xié)議的帶寬占用比改進前協(xié)議減少了50%以上。

4 結(jié)語

本文針對云桌面協(xié)議SPICE存在的問題——視頻播放時帶寬占用率高，提出了使用MPEG4視頻壓縮算法替換SPICE原有的壓縮效率不高的MJPEG算法的改進方案，并在不同帶寬條件下對改進后的算法的性能進行了測試，實驗表明改進后的SPICE協(xié)議在進行視頻傳輸極大降低了傳輸帶寬，從而提高了SPICE的性能。

圖2 改進前與改進后協(xié)議在不同帶寬下流量結(jié)果對比

參考文獻：

[1]張建勛,古志民,鄭超.云計算研究進展綜述[J].

[2]徐浩，蘭雨晴.基于SPICE協(xié)議的桌面虛擬化技術(shù)研究與改進方案[J].計算機工程與科學(xué)，2013,35(12):20-25.

[3]Red Hat,Inc.(2009).Spice for Newbies.[Accessed 2017-06-21].Available from http://spice-space.org/docs/spice_for_newbies.pdf.

[4]李鵬.MJPEG視頻編解碼的SOC設(shè)計[D].山東大學(xué)，2007.LI P.SOC Design of MJPEG Video Codec[D].Shandong University,2007.

[5]T SIKORA,L CHIARIGLIONE.L.MPEG-4 video and Its Potential for Future Multimedia Services[D].IEEE International Symposium on Circuits&Systems,1997,2:1468-1471.

[6]鄭曉燕，董猛，郭健.MPEG-4視頻編碼及其關(guān)鍵算法[EB/OL].中國科技論文在線,[2006-06-06].