基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻信息傳輸技術(shù)

樂(lè)元果

（重慶市信息通信咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司 重慶市 400000）

隨著當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、傳輸以及圖像處理等技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，數(shù)字監(jiān)控設(shè)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(shù)也呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。在此背景下，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控已成為整個(gè)監(jiān)控領(lǐng)域中的重要發(fā)展方向；而隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，也帶來(lái)了視頻監(jiān)控領(lǐng)域投入成本的增加。本文圍繞多媒體網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，與其中的實(shí)時(shí)視頻信息傳輸?shù)幕咎攸c(diǎn)相結(jié)合，從多方面對(duì)此系統(tǒng)中的視頻信息傳輸技術(shù)進(jìn)行深層研究，如速率控制技術(shù)、食品信息的組播傳輸技術(shù)及視頻信息壓縮編碼技術(shù)等。需要指出的是，此技術(shù)借助以PCI 總線為基礎(chǔ)的視頻采集壓縮卡，能夠圍繞實(shí)時(shí)視頻信息，利用H.264 視頻壓縮算法對(duì)其實(shí)施壓縮編碼。本文基于工控PC 機(jī)，對(duì)視頻信息傳輸技術(shù)架構(gòu)當(dāng)中的一些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)，也就是以工控PC 機(jī)為基礎(chǔ)的視頻服務(wù)器，以及以視頻信息組播傳輸為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)模型；另外，還采用以發(fā)送端為基礎(chǔ)的速率控制技術(shù)，為視頻信息能夠高質(zhì)量的在IP 網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸提供切實(shí)保障。本文就此探討如下。

1 數(shù)字視頻信息編解碼技術(shù)分析

針對(duì)視頻壓縮編碼來(lái)講，其最核心目的即為實(shí)現(xiàn)視頻序列相應(yīng)碼率的減少，以此為既定信道上視頻信息的實(shí)時(shí)、高質(zhì)量傳輸提供切實(shí)方便。對(duì)于視頻所采用的編解碼系統(tǒng)來(lái)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(gè)編碼器架構(gòu)當(dāng)中，首先，用信源模型所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)視頻序列（數(shù)字化）進(jìn)行全面、深層次的描述；然后，量化信源模型的各項(xiàng)參數(shù)，使之成為相對(duì)有限且標(biāo)準(zhǔn)化的符號(hào)集；最后，采用當(dāng)前比較實(shí)用且先進(jìn)的無(wú)損編碼技術(shù)，對(duì)各種量化參數(shù)進(jìn)行映射，使之成為更加滿足現(xiàn)實(shí)需要的二進(jìn)制碼字，而從中所產(chǎn)生的大量比特流，會(huì)在IP 網(wǎng)絡(luò)上有規(guī)律、有目的性的傳輸。對(duì)于解碼器而言，其能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況及具體需要，反向開(kāi)展編碼器的量化與二進(jìn)制編碼，對(duì)信源模型所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)量化參數(shù)進(jìn)行重新獲取；然后利用解碼器所對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的視頻幀給計(jì)算出來(lái)。

需要指出的是，在整個(gè)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，因有著比較多的多媒體種類(lèi)，且型號(hào)繁雜、信息量龐大，尤其是那些比較常見(jiàn)、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(dāng)前存儲(chǔ)、傳輸領(lǐng)域中需要迫切解決的難題所在。從根本上來(lái)分析，要想將此類(lèi)信息進(jìn)行有效化、合理化、規(guī)范化儲(chǔ)存與傳輸，首先要做的便是利用先進(jìn)且高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，對(duì)這些信息、數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)上，比較常用的有兩種，其一為H.264 標(biāo)準(zhǔn)，其二是MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格遵循，以此來(lái)得到比較高的壓縮比，并最終獲得質(zhì)量更高、更清晰的視頻圖像。

2 以工控PC機(jī)為基礎(chǔ)的視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)

在整個(gè)視頻信息傳輸領(lǐng)域中，視頻服務(wù)器乃是其中不可分割的重要構(gòu)成，是發(fā)揮著關(guān)鍵作用，扮演著重要角色；需要指出的是，視頻服務(wù)器作為數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(luò)進(jìn)行傳送，與此同時(shí)，還能夠?qū)⒁曨l信息儲(chǔ)存在相連接的硬盤(pán)中，以便日后查看。需強(qiáng)調(diào)的是，所采用的系統(tǒng)不同，視頻服務(wù)器所發(fā)揮的作用也會(huì)存在差異，比如其能夠根據(jù)系統(tǒng)需要，實(shí)時(shí)控制處于連接狀態(tài)的云臺(tái)、攝像儀等。從基礎(chǔ)層面來(lái)考量，視頻服務(wù)器在具體功能上，主要可劃分為三類(lèi)，第一類(lèi)為控制功能，第二類(lèi)是網(wǎng)絡(luò)通信功能，而第三類(lèi)則為視頻壓縮存儲(chǔ)功能。需說(shuō)明的是，如果將視頻服務(wù)器應(yīng)用于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，通常情況下，需要采用以工控PC 機(jī)為基礎(chǔ)的視頻服務(wù)器，或者是采用與之相匹配的嵌入式視頻服務(wù)器。本文根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，選用的是以工控PC 機(jī)為基礎(chǔ)而得以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的視頻服務(wù)器；此服務(wù)器借助以PCI 總線為基礎(chǔ)的視頻壓縮卡，圍繞經(jīng)采集而得到的實(shí)時(shí)視頻信息，進(jìn)行有目的性、針對(duì)性的壓縮編碼；另外，從中所得到的壓縮碼流，會(huì)以一種合理、妥當(dāng)?shù)姆绞絻?chǔ)存在硬盤(pán)陣列當(dāng)中；此外，還需要說(shuō)明的是，借助先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)適配器，能夠把各種視頻信息向IP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、快速化發(fā)送。而針對(duì)攝像儀以及云臺(tái)所控制的信息來(lái)講，則借助串行接口RS485、RS232（工控PC 機(jī)），來(lái)為傳輸提供配合。

另需重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，以工控PC 機(jī)為基礎(chǔ)的視頻服務(wù)器，依據(jù)功能的不同，可劃分成三個(gè)子系統(tǒng)：其一為視頻采集設(shè)備控制子系統(tǒng)，其二是網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)，其三為視頻信息壓縮存儲(chǔ)子系統(tǒng)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)

在整個(gè)視頻服務(wù)器架構(gòu)當(dāng)中，要想高質(zhì)量的進(jìn)行或完成信息傳輸，合理設(shè)置通信子系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。而在視頻服務(wù)器當(dāng)中需要傳輸?shù)男畔⒅饕腥N，分別為控制視頻采集設(shè)備的信息、RTCP 控制信息與視頻流信息。在傳輸視頻流時(shí)，通常情況下，需選用UDP協(xié)議來(lái)進(jìn)行傳輸；而對(duì)于RTP 控制信息而言，一般來(lái)講，需參照TCP 協(xié)議來(lái)進(jìn)行傳輸；而針對(duì)控制視頻采集設(shè)備的相關(guān)信息來(lái)分析，需基于TCP 協(xié)議來(lái)展開(kāi)傳輸，即服務(wù)器通過(guò)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(xiě)入COM 端口，通過(guò)這種方式來(lái)達(dá)到控制視頻采集設(shè)備的目的。需特別說(shuō)明的是，因需要基于Windows2000 操作系統(tǒng)下，來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信程序的開(kāi)發(fā)，因此，可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，選用套接字的方式來(lái)進(jìn)行以UDP 與TCP 協(xié)議為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信程序的編制。另外，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，還基于TCP/IP 協(xié)議，完成了實(shí)時(shí)視頻信息傳輸模型的構(gòu)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(chǔ)子系統(tǒng)

針對(duì)此子系統(tǒng)而言，其主要作用就是圍繞實(shí)時(shí)視頻信息，將其壓縮編碼工作高質(zhì)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(chǔ)存于硬盤(pán)陣列當(dāng)中。通常情況下，在對(duì)實(shí)時(shí)視頻信息實(shí)施壓縮編碼時(shí)，可采用H.264 視頻壓縮算法來(lái)行此操作，另外，可將IDE 硬盤(pán)陣列當(dāng)作存儲(chǔ)視頻信息的介質(zhì)，并且采用RAID 的方式將視頻信息儲(chǔ)存起來(lái)。

2.3 視頻采集設(shè)備控制子系統(tǒng)

在系統(tǒng)的視頻服務(wù)器端，為了能夠?qū)⒁曨l圖清晰、準(zhǔn)確且全面記錄下來(lái)，且選擇合適的錄像目標(biāo)，需要結(jié)合實(shí)際情況，合理化控制相關(guān)采集設(shè)備，比如調(diào)節(jié)攝像儀、控制云臺(tái)等。有時(shí)為了能夠在客戶端同樣可以看到清晰、詳細(xì)的視頻圖象，可采用C/S 的方式，將控制信息高質(zhì)量、實(shí)時(shí)性的向服務(wù)器端進(jìn)行傳送，然后，服務(wù)器端便會(huì)根據(jù)具體程序需要，控制實(shí)時(shí)視頻采集設(shè)備。此外，還需強(qiáng)調(diào)的是，將云臺(tái)解碼驅(qū)動(dòng)器妥當(dāng)?shù)倪B接于COM 端口（工控PC 機(jī)），并通過(guò)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到COM 端口，便能夠使全方位攝像儀被驅(qū)動(dòng)（由云臺(tái)解碼驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)），然后根據(jù)要求進(jìn)行各種操作，如此一來(lái)，便能夠達(dá)到高效化控制實(shí)時(shí)視頻采集設(shè)備的目的。

3 視頻信息組播傳輸技術(shù)分析

對(duì)于組播傳輸方式來(lái)分析，其允許路由器一次性把數(shù)據(jù)包復(fù)制到若干通道上，并且對(duì)于此時(shí)的視頻服務(wù)器而言，僅需發(fā)送一個(gè)信息包，全部發(fā)出請(qǐng)求的客戶端對(duì)同一信息包進(jìn)行共享，這樣一來(lái)，便可以達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息包總量的目的，為帶寬的高效化利用提供切實(shí)保障，并為高質(zhì)量傳輸實(shí)時(shí)視頻信息，提供優(yōu)質(zhì)、高效且順暢的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

在整個(gè)IP 網(wǎng)絡(luò)體系當(dāng)中，用組播方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳送，并借助間接地址的方式來(lái)進(jìn)行尋址，另外，在IPV4 所對(duì)應(yīng)的地址分類(lèi)當(dāng)中，采用D 類(lèi)地址對(duì)1 個(gè)組播組進(jìn)行標(biāo)識(shí)，此類(lèi)地址所對(duì)應(yīng)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(bào)副本，會(huì)被及時(shí)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(diǎn)傳送路由選擇協(xié)議，而另外一種則為IGMP 協(xié)議。針對(duì)IGMP 來(lái)講，通常情況下，會(huì)在主機(jī)與路由器（二者處于相連狀態(tài)）之間來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)操作，離開(kāi)或者申請(qǐng)加入1 個(gè)組播組，而針對(duì)此時(shí)的路由器而言，會(huì)將主機(jī)成員資格查詢消息對(duì)外發(fā)出，借此對(duì)有無(wú)主機(jī)屬某個(gè)組播組的成員進(jìn)行判斷，在此期間，只要有1 個(gè)主機(jī)對(duì)此次查詢響應(yīng)，此時(shí)的組播路由器便會(huì)將組播數(shù)據(jù)持續(xù)性的向此子網(wǎng)發(fā)送。

針對(duì)IP 網(wǎng)絡(luò)所對(duì)應(yīng)的多點(diǎn)傳送路由選擇來(lái)講，其也可劃分成兩種，其一為域間多點(diǎn)路由選擇，其二是域內(nèi)多點(diǎn)路由選擇。而針對(duì)與域內(nèi)多點(diǎn)路由選擇相關(guān)的協(xié)議當(dāng)中，多使用PIM-DM 協(xié)議、DVMRP 協(xié)議等；而對(duì)于域間組播路由協(xié)議來(lái)考量，其現(xiàn)階段仍處在一個(gè)不斷研究、探索的階段，在解決方案上，較為成形的是三個(gè)協(xié)議的組合（即PIM-SM、MSDP 與MBGP）。另需說(shuō)明的是，若視頻信息需通過(guò)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(shù)來(lái)對(duì)實(shí)時(shí)視頻信息進(jìn)行高效化且穩(wěn)定的組播傳輸。

（1）對(duì)組播數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)單播數(shù)據(jù)包的形式順利通過(guò)此網(wǎng)絡(luò)；

（2）當(dāng)路由器接受到此數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包進(jìn)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(jī)進(jìn)行傳送，以此達(dá)到組播傳輸實(shí)時(shí)視頻信息的目的，在此過(guò)程中，交換式以太網(wǎng)經(jīng)路由器與寬帶IP 骨干網(wǎng)絡(luò)相連接。

4 發(fā)送端速率控制技術(shù)分析

需說(shuō)明的是，一個(gè)合理且實(shí)用的實(shí)時(shí)視頻信息傳輸方案，需擁有專(zhuān)屬自身的速率調(diào)節(jié)機(jī)制，也就是當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞情況時(shí)，視頻服務(wù)器應(yīng)能夠?qū)⒆陨淼陌l(fā)送速率予以減低，以此對(duì)可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)崩潰進(jìn)行規(guī)避，并促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)資源相應(yīng)利用率的提升。所以，在對(duì)視頻服務(wù)器進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需選用與之配套的速率調(diào)節(jié)機(jī)制，參照客戶端所給出的反饋信息，對(duì)視頻服務(wù)器向IP 網(wǎng)絡(luò)所傳送的視頻速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)，借此來(lái)更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的各種變化。本文選用以發(fā)送端為基礎(chǔ)的速率調(diào)節(jié)機(jī)制，將速率控制器與速率過(guò)濾器結(jié)合在一起，采用此種方式進(jìn)行視頻信息的傳輸。對(duì)于速率過(guò)濾器而言，其通過(guò)執(zhí)行速率過(guò)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(luò)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(shí)情況及相關(guān)要求，選用分層丟棄濾波器或者是幀丟棄濾波器。對(duì)于幀丟棄濾波器來(lái)講，其可以對(duì)出幀的類(lèi)型進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并且還能依據(jù)幀的重要性對(duì)其實(shí)施合理化丟棄。此外，幀丟棄濾波器能通過(guò)將部分幀丟棄，便可以借助較低速率而對(duì)所保留的幀急性傳遞；而針對(duì)分層丟棄濾波器來(lái)考量，其可以對(duì)視頻數(shù)據(jù)層進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并依據(jù)從高到底的順序來(lái)丟棄視頻數(shù)據(jù)層。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，以IP 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠得到更加理想的視頻傳輸技術(shù)，通過(guò)對(duì)從客戶端所接收到的圖像質(zhì)量來(lái)分析，此信息傳輸技術(shù)實(shí)用且可行，可以顯著提高IP 網(wǎng)絡(luò)上處于傳輸狀態(tài)的實(shí)時(shí)視頻信息的質(zhì)量，因而能夠?yàn)閿?shù)據(jù)信息的高質(zhì)量傳輸提供支撐，并為相關(guān)工作的高效化開(kāi)展提供切實(shí)保障。