視頻監(jiān)視系統(tǒng)中視頻質(zhì)量優(yōu)化策略研究

摘要：為了對視頻監(jiān)視系統(tǒng)中監(jiān)視質(zhì)量的進行優(yōu)化，提出了3種優(yōu)化控制策略：零拷貝緩沖區(qū)策略、網(wǎng)絡擁塞抑制策略、編解碼速率協(xié)調(diào)策略。零拷貝緩沖區(qū)策略降低了終端負載，提高了系統(tǒng)處理能力，網(wǎng)絡擁塞抑制策略有效地減少了丟包率，編解碼速率協(xié)調(diào)策略平衡了系統(tǒng)延時與流暢性。實驗測試結(jié)果顯示，隨著監(jiān)視時間的增加，優(yōu)化后系統(tǒng)時延基本穩(wěn)定、丟包率顯著減少、視頻播放流暢，系統(tǒng)性能滿足一般應用需要。
關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)視；優(yōu)化；實時數(shù)據(jù)處理；視頻播放的流暢性

    隨著自動化技術(shù)和軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)對于自動化技術(shù)的要求顯著提高，極大地促進了視頻監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展；同時由于“911”事件的影響，世界對于安全的注重超過以往任何時候，安全防護成了各項活動的重中之重。在工業(yè)中，儀器設備的正常運行對工廠
的安全正常運行有著決定性的意義，所以很有必要對這些儀器、設備進行監(jiān)視。在安防中，由于涉及到巨大的人身及財產(chǎn)傷害，對于監(jiān)視的實時性以及準確性的要求不言而喻。基于此，視頻監(jiān)視技術(shù)取得了長足的發(fā)展。而在視頻監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展過程中，監(jiān)視視頻的質(zhì)量成為視頻監(jiān)視系統(tǒng)中最重要的部分。因此對監(jiān)視視頻質(zhì)量的優(yōu)化策略研究直接影響整個視頻監(jiān)視系統(tǒng)的性能。

1 存在的問題
    監(jiān)視視頻的質(zhì)量主要體現(xiàn)在實時性、流暢性和清晰度等性能指標上。在一般視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，實時性主要由監(jiān)視終端視頻處理性能決定。實時性要求客戶端軟件以最快的速率進行網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)解碼。由于遠程監(jiān)視系統(tǒng)中，監(jiān)視終端存在接收緩沖區(qū)，緩存網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流，因此實時性要求數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中幾乎不進行緩存。而對于視頻流暢性，主要由監(jiān)視終端解碼、顯示速率與網(wǎng)絡視頻流接收速率的相對關(guān)系決定，當解碼、顯示速率比視頻流接收速率高時，解碼、顯示會阻塞等待視頻接收，由于此等待過程并非平均分布在每一幀，因此會造成播放視頻流暢性問題。清晰度主要和視頻數(shù)據(jù)的丟包率有關(guān)，在網(wǎng)絡狀況理想的情況下，丟包率主要與監(jiān)視終端數(shù)據(jù)處理效率有關(guān)，當終端數(shù)據(jù)處理速率較低時，由于視頻數(shù)據(jù)累積，會造成接收緩沖區(qū)溢出，從而導致丟包率升高，引起清晰度問題。在實際應用中，網(wǎng)絡擁塞對丟包率影響很大，決定了視頻的清晰度。
    由上述分析可知，要想保證視頻實時性能，必須提高視頻終端的處理性能。而同時由于實時性和流暢性存在矛盾：實時性要求監(jiān)視終端以最快速率進行數(shù)據(jù)處理；流暢性要求視頻流進行緩沖，同時控制監(jiān)視終端解碼、顯示速率。為了達到好的監(jiān)視效果，必須找到均衡控制策略，一方面讓視頻進行緩沖，保證視頻解碼、顯示不阻塞，另一方面保證數(shù)據(jù)快速解碼，不產(chǎn)生累積時延。同時必須對網(wǎng)絡擁塞進行抑制，以保證視頻清晰度。

2 優(yōu)化控制策略
2．1 零拷貝緩沖區(qū)策略
    流媒體編程中處理的數(shù)據(jù)量非常大，減少數(shù)據(jù)拷貝可以提高客戶端對流媒體數(shù)據(jù)的處理速度、降低時延以及減輕處理器的負載；也可以減少客戶端因為數(shù)據(jù)拷貝，來不及處理后續(xù)數(shù)據(jù)包而帶來的丟包現(xiàn)象。從而節(jié)約系統(tǒng)資源，提高流媒體的播放質(zhì)量。零拷貝緩沖區(qū)策略通過合理的緩沖區(qū)設計，能減少90％的數(shù)據(jù)拷貝工作，大大提高系統(tǒng)性能。
    零拷貝緩沖區(qū)策略合并接收緩沖區(qū)和解碼器輸入緩沖區(qū)，使得緩沖區(qū)間的數(shù)據(jù)拷貝操作變成指針操作。
    零拷貝緩沖區(qū)原理圖如圖1所示，Read-ptr：視頻解碼指針，指向待解碼的數(shù)據(jù)；Write_ptr：接收數(shù)據(jù)指針，指向網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的存放地址；valid_data_ptr：有效緩沖區(qū)首地址，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存放的首地址。備用緩沖區(qū)不存放從網(wǎng)絡接收的視頻流，當如圖2所示，有效數(shù)據(jù)分為2塊時，并且解碼數(shù)據(jù)分別存在于緩沖區(qū)中的2個部分，則傳遞給解碼器Read-ptr并不能滿足要求，因此需要使用到備用緩沖區(qū)，具體策略是將Read-ptr后的數(shù)據(jù)拷貝到Buffer_ptr里，使得解碼數(shù)據(jù)變成一塊連續(xù)緩沖區(qū)。由于在視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，一幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量比接收緩沖區(qū)小得多，因此發(fā)生這種拷貝的幾率很少，而且每次拷貝的數(shù)據(jù)量也很少，能大大優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高監(jiān)視終端解碼、顯示的效率。

2．2 網(wǎng)絡擁塞抑制策略
    當通信網(wǎng)絡中有太多的分組需要傳輸時，會使整個網(wǎng)絡的性能降低，傳輸質(zhì)量下降，產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象。當發(fā)生網(wǎng)絡擁塞時，如果不能及時地對網(wǎng)絡擁塞進行抑制，視頻延時會上升、網(wǎng)絡丟包率急劇增長，同時也會帶來一定的流暢性問題，給視頻質(zhì)量造成很大的影響。對于擁塞的解決辦法無非只有2種：增加網(wǎng)絡資源和降低負荷。前者由整個互連網(wǎng)絡決定，沒有辦法進行控制，后者由每個用戶決定。當出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞時，適當?shù)販p少服務器端視頻采集的速率，這樣既減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，降低了網(wǎng)絡負載，同時又降低了客戶端數(shù)據(jù)的需求，減少了視頻質(zhì)量下降的幾率。
    在RTP協(xié)議中，使用RTCP(實時傳送控制協(xié)議)來進行流量控制和擁塞控制。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中有5種不同類型的RTCP控制分組，其中有2種：SR(Sender Report)發(fā)送者報告，用于當前發(fā)送者的發(fā)送情況和接收情況的統(tǒng)計；RR(Receiver Report)接受者報告，用于當前接受者的接受情況的統(tǒng)計。
    RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。
    在客戶端可以周期性統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)包的總個數(shù)以及丟失數(shù)據(jù)包的個數(shù)，然后按照RTCP的數(shù)據(jù)包格式填充數(shù)據(jù)包，發(fā)送至服務器端，然后服務器端通過相應的流量控制算法，利用客戶端傳輸過來的具體參數(shù)，則可以動態(tài)的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)包的采集以及發(fā)送速率。
2．3 編解碼速率協(xié)調(diào)策略
    在一般視頻監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)視終端進行視頻解碼時，為了確保每幀數(shù)據(jù)的完整性，需要判斷接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)是否達到一定要求Limit_ A，但是由于監(jiān)視圖像在背景固定和背景劇烈運動時，每幀數(shù)據(jù)量相差非常大，劇烈運動時的數(shù)量量往往是靜止時的幾倍，因此對于Limit_A的選擇比較困難。當Limit_A選擇較小時，在劇烈運動的情況下，解碼數(shù)據(jù)可能不是完整一幀，造成視頻質(zhì)量問題；當Limit_A選擇較大時，在幾乎靜止的情況下，可能會造成視頻的停頓以及長時間的視頻延時。因此Limit_A必須是動態(tài)變化的，同時緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)由于靜止和運動時的數(shù)據(jù)量不同，數(shù)據(jù)量也必須進行嚴格的控制，防止在靜止情況下出現(xiàn)大規(guī)模延時。
    在監(jiān)視系統(tǒng)中，接收緩沖區(qū)就像一個漏斗，從網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)就像往漏斗里注水，從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)進行解碼播放，就像從漏斗出水一樣。在一個漏斗中，當入水和出水相同時，不僅能使水流順暢，同時漏斗里的儲水量也幾乎恒定，如圖3所示。當然在監(jiān)視的系統(tǒng)中，由于存在時間差(往緩沖區(qū)里存儲的幀與從緩沖區(qū)中取出的幀在時間上存在著差異)，“出水速率”和“入水速率”(幀的大小)往往不相同；當視頻從運動變?yōu)殪o止時，“出水速率”會比“入水速率”大，當視頻從靜止變?yōu)檫\動時，“出水速率”會比“入水速率”小。因此不能簡單地套用此模型。

    由于視頻顯示速度不是以比特(bit)為單位而是以“f／s”為單位，所以當“水”的單位變?yōu)?ldquo;f”，相應的“出水速率”和“入水速率”也變成“f／s”，則整個系統(tǒng)模型變?yōu)椋寒斴斎霂屎洼敵鰩氏嗤瑫r，就可以保證緩沖區(qū)中具有恒定的幀數(shù)stay_M，如圖4所示。同時只要確保Limit_A的值正確，那么每幀數(shù)據(jù)都可以是完整的，視頻也會是流暢、完整的。
    輸入速率就是從網(wǎng)絡接收視頻幀的速率，理想地來講，也即是監(jiān)視服務器采集、發(fā)送視頻的速率；而輸出速率應是從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)進行解碼的速率，由于視頻質(zhì)量最后呈現(xiàn)給用戶的部分是顯示部分，因此將輸出速率改為顯示速率更為妥當，同時為了保證視頻幀的完整性，解碼速率也要進行適當?shù)目刂啤?br />     此策略的實施辦法就是控制服務器端視頻采集、編碼的速率和客戶端視頻顯示的速率，使它們速度相同，同時在Limit_A的選取上，根據(jù)視頻連續(xù)性的關(guān)系，由實際消耗數(shù)據(jù)決定下一幀Limit_A的值，同時平滑解碼速率，使得每幀的解碼過程能夠平均分布。

3 實驗結(jié)果分析
    本文的測試環(huán)境為：監(jiān)視服務器運行Davinci開發(fā)平臺，具有ARM+DSP雙核結(jié)構(gòu)，ARM子系統(tǒng)進行常規(guī)處理，DSP子系統(tǒng)進行快速數(shù)字信號處理。ARM子系統(tǒng)最高主頻為297 MHz，DSP子系統(tǒng)最高主頻為594 MHz，最高速度為每秒4 752百萬條指令；監(jiān)視終端運行于PC機，處理器為奔騰42．8 GHz，內(nèi)存1 GB，顯存256 MB，內(nèi)置100 Mb／s網(wǎng)卡，160 GB硬盤，操作系統(tǒng)為Windows XP。監(jiān)視服務器與監(jiān)視終端通過校園網(wǎng)絡相連。測試內(nèi)容主要是針對客戶端發(fā)出連接請求后5 s，10 s，30 s，60 s，90 s，120 s，150 s，200 s，250 s，300 s時的系統(tǒng)狀態(tài)：主要包括時延、丟包率以及產(chǎn)生停頓現(xiàn)象幀的百分比率。測試過程為單用戶情況下，對優(yōu)化前后視頻質(zhì)量進行比較。如圖5所示為優(yōu)化前、后的時延變化圖。從圖中可以觀察出，優(yōu)化前時延隨著監(jiān)視時間的增加而增長，這是由于監(jiān)視終端緩沖區(qū)之間拷貝操作過多，造成客戶端解碼顯示、速度相對較低，因而引起監(jiān)視終端累積延時。而優(yōu)化后的時延基本穩(wěn)定，大概在1．5 s左右，沒有累積時延。這是由于緩沖區(qū)策略的控制，監(jiān)視終端視頻解碼、顯示速度有了大幅提高，同時在編解碼速率協(xié)調(diào)策略的控制下，視頻編解碼速度相對比較平均，有效的抑制了累積時延，保證了系統(tǒng)實時性。因此優(yōu)化控制策略對于時延的控制十分有效。

    如圖6所示為優(yōu)化前、后的丟包率變化圖。從圖中可以觀察出，優(yōu)化前，系統(tǒng)丟包率在開始監(jiān)視的時比較穩(wěn)定，但隨著監(jiān)視時間的增長，丟包率迅速增加。由于累積時延存在，緩沖區(qū)必定會溢出，因此導致丟包率迅速增加。而在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，由于不存在累積時延，因此系統(tǒng)緩沖區(qū)利用率比較小，不會造成由于緩沖區(qū)溢出而產(chǎn)生的丟包現(xiàn)象，因此確保了系統(tǒng)的監(jiān)視視頻質(zhì)量。在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，丟包率依然存在較大波動，這是因為在網(wǎng)絡擁塞的情況下，不可避免會產(chǎn)生較大丟包率，但是由于擁塞控制的作用，丟包率會受到抑制，緩慢恢復到正常水平。

    圖7為停頓幀百分比的變化圖。從圖中可以看出，優(yōu)化后的停頓幀百分比比優(yōu)化前有了較大的提升，優(yōu)化后的停頓幀百分比大概穩(wěn)定在1．5％左右。隨著視頻實時性的提高，視頻緩沖的時間也大大減小，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量也大大減小，因此造成監(jiān)視終端解碼、線程間歇性等待網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流，從而造成停頓百分比增高，視頻出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。由于優(yōu)化后視頻停頓百分比基本穩(wěn)定且居于可以接受的范圍，這也進一步表明編解碼速率協(xié)調(diào)策略進行了有效的控制。

4 結(jié)語
    視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，對系統(tǒng)軟件硬件設計實現(xiàn)完成后，很重要的工作就是對監(jiān)視視頻質(zhì)量的優(yōu)化，只有監(jiān)視視頻的質(zhì)量達到要求，系統(tǒng)才能滿足實際應用的需求。因此本文基于這個問題，首先分析了監(jiān)視視頻性能指標的影響因素，然后提出2種優(yōu)化策略，實驗結(jié)果表明，這兩種策略有效地提高了監(jiān)視視頻的質(zhì)量，保證了監(jiān)視視頻的實時性，流暢性和高清晰度。