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(duì)視頻監(jiān)視系統(tǒng)中監(jiān)視質(zhì)量的進(jìn)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(luò)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(fù)載，提高了系統(tǒng)處理能力，網(wǎng)絡(luò)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(shí)與流暢性。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示，隨著監(jiān)視時(shí)間的增加，優(yōu)化后系統(tǒng)時(shí)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(yīng)用需要。
關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)視；優(yōu)化；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理；視頻播放的流暢性

    隨著自動(dòng)化技術(shù)和軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)的要求顯著提高，極大地促進(jìn)了視頻監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展；同時(shí)由于“911”事件的影響，世界對(duì)于安全的注重超過以往任何時(shí)候，安全防護(hù)成了各項(xiàng)活動(dòng)的重中之重。在工業(yè)中，儀器設(shè)備的正常運(yùn)行對(duì)工廠
的安全正常運(yùn)行有著決定性的意義，所以很有必要對(duì)這些儀器、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視。在安防中，由于涉及到巨大的人身及財(cái)產(chǎn)傷害，對(duì)于監(jiān)視的實(shí)時(shí)性以及準(zhǔn)確性的要求不言而喻?；诖?，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(duì)監(jiān)視視頻質(zhì)量的優(yōu)化策略研究直接影響整個(gè)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(shí)時(shí)性、流暢性和清晰度等性能指標(biāo)上。在一般視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性主要由監(jiān)視終端視頻處理性能決定。實(shí)時(shí)性要求客戶端軟件以最快的速率進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)解碼。由于遠(yuǎn)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(luò)數(shù)據(jù)流，因此實(shí)時(shí)性要求數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中幾乎不進(jìn)行緩存。而對(duì)于視頻流暢性，主要由監(jiān)視終端解碼、顯示速率與網(wǎng)絡(luò)視頻流接收速率的相對(duì)關(guān)系決定，當(dāng)解碼、顯示速率比視頻流接收速率高時(shí)，解碼、顯示會(huì)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(huì)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(luò)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(dāng)終端數(shù)據(jù)處理速率較低時(shí)，由于視頻數(shù)據(jù)累積，會(huì)造成接收緩沖區(qū)溢出，從而導(dǎo)致丟包率升高，引起清晰度問題。在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)擁塞對(duì)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(shí)時(shí)性能，必須提高視頻終端的處理性能。而同時(shí)由于實(shí)時(shí)性和流暢性存在矛盾：實(shí)時(shí)性要求監(jiān)視終端以最快速率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；流暢性要求視頻流進(jìn)行緩沖，同時(shí)控制監(jiān)視終端解碼、顯示速率。為了達(dá)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(jìn)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(shí)延。同時(shí)必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)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(duì)流媒體數(shù)據(jù)的處理速度、降低時(shí)延以及減輕處理器的負(fù)載；也可以減少客戶端因?yàn)閿?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(shè)計(jì)，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(luò)數(shù)據(jù)的存放地址；valid_data_ptr：有效緩沖區(qū)首地址，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存放的首地址。備用緩沖區(qū)不存放從網(wǎng)絡(luò)接收的視頻流，當(dāng)如圖2所示，有效數(shù)據(jù)分為2塊時(shí)，并且解碼數(shù)據(jù)分別存在于緩沖區(qū)中的2個(gè)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。

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2．2 網(wǎng)絡(luò)擁塞抑制策略
    當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中有太多的分組需要傳輸時(shí)，會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能降低，傳輸質(zhì)量下降，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，如果不能及時(shí)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行抑制，視頻延時(shí)會(huì)上升、網(wǎng)絡(luò)丟包率急劇增長，同時(shí)也會(huì)帶來一定的流暢性問題，給視頻質(zhì)量造成很大的影響。對(duì)于擁塞的解決辦法無非只有2種：增加網(wǎng)絡(luò)資源和降低負(fù)荷。前者由整個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)決定，沒有辦法進(jìn)行控制，后者由每個(gè)用戶決定。當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，適當(dāng)?shù)販p少服務(wù)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(luò)負(fù)載，同時(shí)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(shí)時(shí)傳送控制協(xié)議)來進(jìn)行流量控制和擁塞控制。在RTP會(huì)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(bào)告，用于當(dāng)前發(fā)送者的發(fā)送情況和接收情況的統(tǒng)計(jì)；RR(Receiver Report)接受者報(bào)告，用于當(dāng)前接受者的接受情況的統(tǒng)計(jì)。
    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(jì)資料，可以利用這些信息動(dòng)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(jì)接收數(shù)據(jù)包的總個(gè)數(shù)以及丟失數(shù)據(jù)包的個(gè)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(wù)器端，然后服務(wù)器端通過相應(yīng)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(dòng)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(jìn)行視頻解碼時(shí)，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(dá)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(yùn)動(dòng)時(shí)，每幀數(shù)據(jù)量相差非常大，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)量量往往是靜止時(shí)的幾倍，因此對(duì)于Limit_A的選擇比較困難。當(dāng)Limit_A選擇較小時(shí)，在劇烈運(yùn)動(dòng)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(dāng)Limit_A選擇較大時(shí)，在幾乎靜止的情況下，可能會(huì)造成視頻的停頓以及長時(shí)間的視頻延時(shí)。因此Limit_A必須是動(dòng)態(tài)變化的，同時(shí)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)由于靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)量不同，數(shù)據(jù)量也必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制，防止在靜止情況下出現(xiàn)大規(guī)模延時(shí)。
    在監(jiān)視系統(tǒng)中，接收緩沖區(qū)就像一個(gè)漏斗，從網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行解碼播放，就像從漏斗出水一樣。在一個(gè)漏斗中，當(dāng)入水和出水相同時(shí)，不僅能使水流順暢，同時(shí)漏斗里的儲(chǔ)水量也幾乎恒定，如圖3所示。當(dāng)然在監(jiān)視的系統(tǒng)中，由于存在時(shí)間差(往緩沖區(qū)里存儲(chǔ)的幀與從緩沖區(qū)中取出的幀在時(shí)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(dāng)視頻從運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止時(shí)，“出水速率”會(huì)比“入水速率”大，當(dāng)視頻從靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)時(shí)，“出水速率”會(huì)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(dāng)“水”的單位變?yōu)?ldquo;f”，相應(yīng)的“出水速率”和“入水速率”也變成“f／s”，則整個(gè)系統(tǒng)模型變?yōu)椋寒?dāng)輸入幀率和輸出幀率相同時(shí)，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(shí)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(huì)是流暢、完整的。
    輸入速率就是從網(wǎng)絡(luò)接收視頻幀的速率，理想地來講，也即是監(jiān)視服務(wù)器采集、發(fā)送視頻的速率；而輸出速率應(yīng)是從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)，同時(shí)為了保證視頻幀的完整性，解碼速率也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?br />     此策略的實(shí)施辦法就是控制服務(wù)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(shí)在Limit_A的選取上，根據(jù)視頻連續(xù)性的關(guān)系，由實(shí)際消耗數(shù)據(jù)決定下一幀Limit_A的值，同時(shí)平滑解碼速率，使得每幀的解碼過程能夠平均分布。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    本文的測試環(huán)境為：監(jiān)視服務(wù)器運(yùn)行Davinci開發(fā)平臺(tái)，具有ARM+DSP雙核結(jié)構(gòu)，ARM子系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)處理，DSP子系統(tǒng)進(jìn)行快速數(shù)字信號(hào)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(yùn)行于PC機(jī)，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(wù)器與監(jiān)視終端通過校園網(wǎng)絡(luò)相連。測試內(nèi)容主要是針對(duì)客戶端發(fā)出連接請(qǐng)求后5 s，10 s，30 s，60 s，90 s，120 s，150 s，200 s，250 s，300 s時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)：主要包括時(shí)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(duì)優(yōu)化前后視頻質(zhì)量進(jìn)行比較。如圖5所示為優(yōu)化前、后的時(shí)延變化圖。從圖中可以觀察出，優(yōu)化前時(shí)延隨著監(jiān)視時(shí)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(duì)較低，因而引起監(jiān)視終端累積延時(shí)。而優(yōu)化后的時(shí)延基本穩(wěn)定，大概在1．5 s左右，沒有累積時(shí)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(shí)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(duì)比較平均，有效的抑制了累積時(shí)延，保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。因此優(yōu)化控制策略對(duì)于時(shí)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(shí)比較穩(wěn)定，但隨著監(jiān)視時(shí)間的增長，丟包率迅速增加。由于累積時(shí)延存在，緩沖區(qū)必定會(huì)溢出，因此導(dǎo)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(shí)延，因此系統(tǒng)緩沖區(qū)利用率比較小，不會(huì)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(dòng)，這是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，不可避免會(huì)產(chǎn)生較大丟包率，但是由于擁塞控制的作用，丟包率會(huì)受到抑制，緩慢恢復(fù)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(shí)時(shí)性的提高，視頻緩沖的時(shí)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(luò)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(jìn)一步表明編解碼速率協(xié)調(diào)策略進(jìn)行了有效的控制。

4 結(jié)語
    視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)軟件硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完成后，很重要的工作就是對(duì)監(jiān)視視頻質(zhì)量的優(yōu)化，只有監(jiān)視視頻的質(zhì)量達(dá)到要求，系統(tǒng)才能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此本文基于這個(gè)問題，首先分析了監(jiān)視視頻性能指標(biāo)的影響因素，然后提出2種優(yōu)化策略，實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)性，流暢性和高清晰度。