（交通运输工程专业论文）高速公路视频传输系统研究与设计.pdf

葡要 随着高速公路网的形成和数字视频技术的发展，作者根据高速公路监控系统视频传 输的需要，研究了数字化、网络化视频传输系统在高速公路中的应用。 本文结合现阶段我国高速公路视频传输系统的发展现状和特点，深入研究了高速公 路数字视频传输技术，分析了现有节点光端机级联传输方式的不足，提出了基于整体视 频传输存储和基于全光数字矩阵的两种高速公路视频传输新方案，并结合郑石高速公路 机电工程实例对以上两种视频传输方案的原理和实现方法进行了细致的分析研究。最 后，在确定了郑石高速公路段视频传输方案的基础上，详细论述了该路段视频传输系统 的软硬件构成和组成设备的主要技术指标，并对视频传输系统的性能进行了测试，结果 表明该系统测试指标达到了设计要求，表明了所选传输方案的可行性。 该视频传输系统目前的实际运行情况良好，对提升本区域道路通行能力、增强社会 经济效益起到了一定的促进作用。 关键词：高速公路，监控系统，视频传输，传输协议 a b s t r a c t w i t ht h ef o m a t i o na n dr 印i de x p a n s i o no ft h eh i 曲w a yn e 锕o r k ，t h ec 印a c i t yo f t r a d i t i o n a la n a l o gv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mn o to n l yi s 帅a b l et om e e tt h ec o n s t a m l y i n c r e a s i n gd e m a l l d so fv i d e o 仃觚s m i s s i o n ，b u ta l s o c a i ln o tm e e tt l l en e e d so f 仃a m c m a i l a g 锄e n tf o rm a i l a g e r s o 、m i n gt 0m a t v i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e d0 nd i 百t a la 1 1 d n e t w o r k ，h a sb e e nd e v e l o p e di n t om em a i n s t r e 锄f 如h i o n c o m b i n i n gw i mt l l ep r e s e n ts t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv i d e ot r ：m s m i s s i o ns y s t 锄i n o u rc o m l t r y ，t h i sp a p e rd i ds o m er e s e a r c hf o rd i 百t a ll l i 9 1 1 w a yv i d e ot r a n s m i s s i o nt e c l l i l o l o g y ， a n a l y z e dt h ed e f e c t so fc a s c a d et r a n s m i s s i o no ft h ee x i s t i n go p t i c a lt e m i l l a ln o d e s ，a i l d p r o p o s e dt w os c h e m e sf o rh i 曲w a yv i d e o 觚l s m i s s i o nw l l i c hs 印a r a t e l yb 船e do nt l l eo v e r a l l v i d e ot r a n s m i s s i o ns t o r a g ea n da l l - o p t i c a ld i 百t a lm 撕x h lc o m b i n a t i o nw i t h l eh i 曲w a y e l e c t r i c a la i l dm e c h a i l i c a le i l 酉n e e r i n gc 弱eo fz h e n g - s l l i ，t l l i sp 印e rc o n d u c t e dad e t a i l e d a i l a l y s i s o ft h em e o 巧a i l dr e a l i z a t i o no fm ea b o v e - m e n t i o n e d l 】汜et y p e so fv i d e o 胁s m i s s i o ns 仃a t e 百e s f i n a l l y ，b a s e do nm ed e t e n n i n a t i o no fz h e n g - s l l ih i g h w a yv i d e o t r 趾s m i s s i o nsc _ h e m e ，i td e s c r i b e di 1 1d e t a i lt h eh a r d w a r e ，s o 胁a r ea i l dm 萄o rt e c h i l i c a l i n d i c a t o r s ，a 1 1 dc a 玎i e do u ta na n a l y s i so fr e s u l t so fp e r f o n 】响n c et e s to fm i sv i d e o 仃 m s m i s s i o n s y s t e m c l u t e n t l y ，“sv i d e o 协a n 锄：l i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h eo v e r a l lv i d e ot r a n s m i s s i o ns t o r a g e p r a c t i c a l l yo p e r a t e sw e u ，a n dt h et e s ti n d i c a t o r sr e a c hh i g h w a ye n g i n e 甜n ge v a l u a t es t a n d a r d b yq u a l i t yi n s p e c t i o n t h i ss y s t e mp l a y ss o m ep o s i t i v er o l eo fi m p r 0 v i n gt h er o a dc 印a c i 够i n m er e 西o na i l de n h a l l c i n gt h es o c i a la 1 1 de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：v i d e ot r a l l s m i s s i o n ；m 0 n i t o r i n gs y s t 锄；h i 曲w a y s ；t r a i l s p o np r o t o c o l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 糍：秆芗中 嘲年易r r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者硌新圹中w 年月n 导师签名： 涕科 渺罗年易月r 日 长安大学工程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 近二十年来，随着现代高速公路的发展，各省高速公路已形成网络，有的甚至跨区 域联网，流量大、安全、方便、快捷的特点得到充分体现，与之相伴的是高速公路三大 机电系统( 通信系统、收费系统与监控系统) 整体技术水平的不断提升。监控系统作为 道路运营者重要的管理工具，由于其功能与地位的重要性，所以其建设与发展备受关注。 在高速公路交通工程机电系统设计时，图像信号作为最直观的监视手段，受到了高速公 路运营单位的青睐，视频监控系统作为图像监视的惟一手段具有直接、实时、可视化的 特点，所以作为一种高效的管理工具更为系统管理者所重视。 高速公路视频监控系统一般分为收费监控和道路监控两部分。收费监控系统主要是 对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、收费员 的操作过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督。 道路监控系统主要是对高速公路干线、互通立交、隧道等高速公路重点路段进行监视， 掌握高速公路交通状况，及时发现交通阻塞路段、违章车辆，及时给予引导，保证高速 公路的安全通畅。 目前高速公路项目中对视频信号的监控和管理自下而上可分为以下几层： ( 1 ) 收费站 各收费站需要对本地的视频信号进行监控。各收费站所辖的摄像机信号全部引人本 地视频监控系统，收费站对本地所有图像进行监控管理。 ( 2 ) 监控分中心 一条高速公路通常设置1 个路段监控分中心，对某一路段进行监控和管理。各收费 站图像根据路段监控分中心要求选择几路上传，路段监控分中心对路段中各收费站上传 的图像进行统一监控和管理。 ( 3 ) 监控中心( 有些省不设此级，三级结构直接传输到省监控中心) 多条高速公路的统一管理通常根据地域划分为若干个片区来进行。一个片区对某一 区域内相临或相连的几条高速公路进行统一的监控和管理。这几条高速公路的监控分中 心根据片区监控中心的要求上传图像，片区监控中心对各路段监控分中心上传的图像进 行统一监控和管理。 ( 4 ) 省中心 第一章绪论 各省高速公路管理局需要对省内所有的高速公路进行统一监控、管理和调度。各片 区监控中心将自己所辖区域内的视频信号选择上传到省中心，由省中心统一监控和管 理。 在某些高速公路项目中取消了站级监控，各收费站将前端的视频信号采集后不在本 地进行监控，而是全部上传至路段监控分中心，或输入矩阵后由矩阵输出部分信号上传 至路段中心。道路监控信号一般都直接接入监控分中心。 当前这种自下而上对视频信号进行全省联网监管的模式，由于包含的信息量巨大而 丰富，为系统管理者获取情报信息、优化决策管理创造了有利的条件，但却对视频传输 系统提出了更高的要求。 传统的方法是长距离的模拟视频直传，图像质量由于过长的传输距离而导致失真， 集中处理比较困难、稳定性较差，占用较多的光纤以及带来信号质量的降低，不能满足 高速公路通信对监控图像的要求，为了解决模拟视频传输的固有问题，建立数字化的视 频传输系统便成了必由之路与当务之急。 另一方面，随着大规模高速公路路网的形成，点对点的单播传输形式已远不能满足 当前的需要。计算机网络设备及编解码技术的进步，促使d 技术获得了高速发展，基 于p 网络的实时通信系统正逐步发展起来，基于p 网络的视频传输系统就是其中的一 个发展方向。 相对于传统的模拟视频传输系统，基于p 的视频传输系统具有很多优点，包括传 输质量不受距离限制，信号不易受干扰，具有较高的图像声音品质和稳定性，网络带宽 可复用，无须重复布线，节省通信网络的建设成本；另外，数字化存储成为可能，经过 压缩的数据可存储在磁盘阵列中或光盘中，查询十分简便快捷【1 1 。 因此，实现高速公路视频传输系统的数字化与网络化，对于提高高速公路系统的通 行能力与管理性能具有很大的意义和前景。 1 2 高速公路视频传输系统的发展状况 高速公路视频传输系统伴随我国高速公路的发展走过了2 0 年历程，为高速公路交 通安全、防灾排险和运营管理发挥了重要作用。我国高速公路视频传输系统的发展，经 历了模拟传输、数字化编码传输和数字非压缩传输等阶段。上世纪9 0 年代诞生和发展 的网络数字化视频传输系统己开始在我国高速公路中应用，迎来了视频传输发展的新阶 段。各种视频传输系统在不同的历史阶段发挥了各自的特点和优势。 ( 1 ) 模拟传输阶段 2上 长安人学工程硕上学位论文 上世纪9 0 年代初期至末期，主要采用模拟闭路电视系统( c c t v ) 的模拟传输方式。 其主要的缺点如下： 网络结构简单，在早期高速公路建设中广泛应用； 组网不灵活，不适应多级联网，无法实现远距离传输； 通过多级联网后，图像损失严重，图像效果无法满足应用的要求； 系统结构复杂，需要矩阵、视频分配器和d v r 等组件组网； 设备基本无网管功能，系统可维护性差。 ( 2 ) 数字编码阶段 9 0 年代中期和末期，主要采用m p e g 2 的数字化编码阶段，该技术满足了当时远 距离视频传输和视频图像的要求。但仍存在以下几个主要缺点： 网络结构过于复杂，需要光端机、编码器、视频矩阵、视频分配器和交换机等 多类设备组网； 由于组网结构复杂，制约了高速公路多管理层次、多功能视频服务的需求： 由于系统复杂造成的前期设计繁琐，后期维护困难，网络升级困难； 组网应用灵活性受制于光端机的应用，频信号接入、格式变换较复杂； 图像数字码流太大，无法直接存储，需要通过d 之二次编码后才能存储。 ( 3 ) 数字非压缩阶段 2 0 0 0 年后，数字非压缩视频传输技术在高速公路获得广泛应用，该阶段采用数字非 压缩视频传输和m p e g - 2 数字化编码的混合传输方式。 数字非压缩视频传输技术广义上是指采用8 b 彬1 0 b i t 数字时分复用( t d m ) 和光纤粗 波分复用技术( c w d m ) 相结合的数字视频传输技术。数字视频光端机对模拟图像信号进 行模数转换。然后，将数字信号( 不压缩) 直接调制到光器件上输出。在光纤中传输至对 端，采用数字视频光端机再将数字信号还原成模拟图像信号。其主要优点是： 由于采用数字视频信号未经压缩的数字化传输方式，避免了模拟方式受到非线性 失真等因素的影响，图像质量较好； 1 芯光纤可进行多路复用，光纤利用率高； 利用节点式光端机可进行级联式组网，可实现多节点无损中继传输。 数字非压缩视频传输技术在高速公路中的应用，实现了模拟视频传输到数字视频传 输的转型。是一次质的飞跃。近年来，数字视频光端机基本上取代了模拟视频光端机。 但是，从当今网络化、数字化视频传输的发展观考虑，数字非压缩视频传输技术的应用 3 第一章绪论 也存在局限性，主要缺点是： 仍然需要编码器、视频矩阵、视频分配器、d v r 等各类设备； 网络结构复杂，不利于维护和网络升级； 数字非压缩方式为非标准协议，各个厂家设备不能兼容和互通，无法广域联网； 系统网管功能有一定局制性，综合利用高速公路专用通信的骨干网和接入网时， 视频信号接入，格式变换较复杂。 ( 4 ) 网络化数字视频传输阶段 模拟光端机、m p e g 2 编解码器和数字非压缩光端机基本满足了高速公路建设中各 个时期的应用需求，二十年来，高速公路的飞速发展，路网规模不断扩大，视频传输系 统规模也越来越大，迫切视频传输数字化、网络化和标准化。近年来，基于h 2 6 4 协议 的全光数字视频传输系统己开始在高速公路中应用，标志着我国高速公路视频传输技术 进入了网络化数字化视频传输的发展阶段。 总体来讲，我国高速公路视频传输系统的网络结构经历了点对点传输模式的简单网 络、多制式多协议混合传输的复杂网络，发展到网络化数字化简洁的网络拓扑结构。 1 3 高速公路视频传输系统的特点和总体技术要求 1 3 1 高速公路视频传输系统的特点 高速公路项目中对视频信号传输的要求有以下特点： 容量大。 在一个监控分中心通常有几十路甚至上百路视频信号； 图像质量要求高。 图像要求达到4 8 0 线，加权信噪比s n 要求不小于5 7 d b ，p a l 制图像要求达到2 5 帧( 5 0 场s ) 、n t s c 制图像要求达到3 0 帧( 6 0 场s ) ； 需要多级控制。 目前高速公路项目中对视频信号的监控和管理自下而上可分为以下站级、路段中 心、片区中心、省中心四级监控系统。 1 3 2 高速公路视频传输系统的总体技术要求 根据高速公路网交通管理和交通事件处理对监控系统的要求，视频传输系统应满足 以下技术指标： 数据传输误码率：在交通监控系统中，要求在数据链路层数据为无差错传输，所 4 长安大学工程硕士学位论文 以在数据链路层有良好的差错控制功能。为确保数据链路层数据无差错传输，要求数据 传输误码率 1 0 ，0 0 0 h ； 系统具有自检功能及设备故障和市电中断告警及数据自动保存功能。 1 4 本论文主要的研究内容 本文通过对高速公路视频传输系统的关键技术与功能进行探讨，结合郑石高速公路 段项目的实际情况，研究了郑石高速公路视频传输系统的设计方案与系统的实现。 目前，节点式光端机级联( 视频光端机+ 编解码器+ 视频切换矩阵) 的视频传输方案 在高速公路视频传输系统设计中被广泛采用，虽然能满足目前高速公路运营管理的需 要，但其固有的一些缺点却阻碍了交通信息化的发展。本文结合现阶段我国高速公路视 频传输技术的发展现状和特点，提出了基于整体视频传输存储和全光数字矩阵的两种高 速公路长距离视频传输新方案，并对上述三种视频传输方案原理和实现方法进行了细致 的分析。最后，通过对郑石高速公路视频传输方案进行示范应用、优化和改进，验证了 本项目所用方案的可行性。 研究的主要内容如下： ( 1 ) 高速公路视频传输系统的功能与技术分析； ( 2 ) 郑石高速公路段三种不同视频传输方案的比选研究； ( 3 ) 确定了郑石高速公路段视频传输系统的整体构成，描述了该路段视频传输系统 的软硬件配置和组成设备的主要技术指标，对系统性能指标的测试结果进行了分析评 价。 5 第二章视频传输系统堆本理论 第二章视频传输系统基本理论 2 1 基本概念 视频图像传输方案即根据需上传的视频信号路数、传输距离等工程状况选择一个能 够保证图像质量的传输方案。根据闭路电视监视系统业内目前技术手段，视频图像传输 方案可分为模拟方式和数字方式两大类。 ( 1 ) 模拟视频传输 模拟视频传输是传统的传输方式。对于视频传输距离在三四百米以内的情况，一般 都采用同轴电缆作为传输介质直接传输；大于这个距离时，模拟视频传输将以光纤作为 传输介质，因为光纤带宽大，光信号抗干扰能力也较强。在光纤方案中又可分为点对点 方式和多节点方式。 点对点的模拟视频传输方案通过模拟视频光端机将模拟视频信号转换成光信号，通 过光纤进行传输，然后再通过模拟视频光端机将光信号还原为模拟视频信号。由于这种 传输方式可以在图像传输距离满足光端机的使用前提下可靠地保证图像质量，工程造价 较低，因此使它不仅在交通行业，而且在其他行业的闭路电视监视系统中也都得到广泛 的应用。但是，在要求传输较多路数的视频信号时，需要足够芯数的光纤支持，而且必 须集中在某点上、下视频信号。 多节点的模拟视频传输是近年出现的新技术它同样利用光纤的连接带宽资源，采 用w d m 或f d m 技术可在单芯光纤上传输3 2 路6 4 路甚至更多路的视频信号。该方案不仅 大大地提高了光纤的利用率，而且在保证图像质量的前提下延长了视频图像的传输距 离。另外，部分此类产品还可以特别提供网络管理功能，提高系统的可靠性。 ( 2 ) 数字视频传输 在电子技术不断向数字化发展的同时，视频传输技术也走上了数字化道路。根据对 视频信号的采样方式不同可分为非压缩方式和压缩方式。 非压缩数字视频传输方式也是以光纤的带宽资源为保证，将模拟信号通过模数转换 设备变成数字视频信号，由光纤进行传输，在目的地再经数模转换还原成模拟视频信号。 在此过程小，丰富的带宽资源允许一路或多路的视频图像不经压缩就进行远距离传输， 同时图像质量可得到保障。 压缩数字视频传输方案则是将模拟视频信号按视频压缩标准( m j p e g 、h 2 6 l 、 h 2 6 3 、m p e g l 、m p e g 2 、m p e g 4 等) 进行压缩编码后在以太网、光纤以及e 1 信道上实现图 6 长安大学工程硕士学位论文 像传输。这种传输方案中图像的质量必须有足够的传输带宽来做保障，带宽过窄时，图 像将模糊不清，甚至还会出现“马赛克 现象。 目前，我国高速公路视频监控系统的构成还是一个混合式( 模拟视频+ 数字视频) 闭 路电视监视系统。 除了以上这些视频传输方式外，还有无线传输方案，但是，因为高速公路机电系统 中有专门的通信系统为监控、收费系统的数据、图像及话音传输提供线缆或通道，因此 在高速公路的视频监控系统中基本上不采用无线传输方案。 2 2 数字传输协议 2 2 1 t c p u d p 协议 传输控制协议t c p ( t r 锄s m i s s i o nc 0 n 仃o lp r o t o c 0 1 ) 和用户数据报协议i j l ) p ( u s e r d a t a 莎a mp r o t o c 0 1 ) 直接位于网际协议口( h l t 锄e tp r o t o c 0 1 ) 的顶层。根据o s i 参考模型， 切) p 和t c p 都属于传输层协议。 ( 1 ) t c p 协议 t c p 提供了一个完全可靠、面向连接、全双工的流传输服务【3 1 。允许两个应用程序 建立一个连接，并在全双工方向上发送数据，然后终止连接，每一个t c p 连接可靠地 建立并完善地终止，在终止发生前，所有的数据都会被可靠地传送。 t c p 不适合传输音视频的原因： t c p 的重传机制对于实时性要求高的音视频数据传输来说几乎是灾难性的，极容 易造成时延和断点； t c p 的拥塞控制机制，在探测到有数据包丢失时，t c p 会减小它的滑动窗口尺寸； 而另一方面，音视频码率是不可能突变的； t c p 的报头比u d p 大，而且t c p 的报头不能提供时间戳和编解码等信息； t c p 的启动需要建立连接，初始化过程需要较长的时间，从而会造成较大的启动 延时，对某些音视频应用而言，这恰恰是不期望的。 ( 2 ) u d p 协议 u d p 协议是英文( u s e rd a t a g r 锄p r o t o c 0 1 ) 的缩写，即用户数据报协议，主要用 来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多 的客户服务器模式的网络应用都需要使用u d p 协议。u d p 协议从问世至今己经被使用了 很多年，虽然其最初的光彩己经被一些类似协议所掩盖，但是即使是在今天，u d p 仍然 不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。 7 第二章视频传输系统綦奉理论 ( 3 ) t c p 和u d p 比较 t c p 和u d p 是传输层的两种协议，但它们有着许多不同的地方，t c p 和u d p 的比较 如表2 1 所示： 表2 1t c p 和u d p 比较表 是否面向连接面向连接面向无连接 网络层单播单撩f 讯撩扩播 一般不会立即将数据段向s o c k e t 发送立即将数据段向s o c k e t 发送 发送方有网络拥塞信息没有网络拥塞信息 可以假定发送数据段能被正确接收没有数据报被丢失的信息 接收方应用能够接收所有被发送的数据段没有数据报被丢失的信息 可靠性好不好 性能传输时延大小 拥塞控制有无 2 2 2r t p r t c p 协议 传统的t c p i p 网络在传输层上有两种协议：t c p 协议和u d p 协议。t c p 协议是面向 连接的协议，提供端到端、有序、可靠和全双工的传输机制。在丢包率较高或时延很大 的场合下，t c p 的重传机制会导致传输效率及其低下，根本无法满足流媒体传输的实时 要求。利用t c p 协议进行通信的双方要经历建立连接，释放连接的过程，开销也很大。 u d p 协议提供无连接、不可靠的数据报服务。在传输海量数据时，效率要高于t c p ，但 u d p 协议本身不提供任何失序处理、超时重传、流量控制机制，因此也无法满足视频图 像的质量要求，在网络上传输时会抢占带宽，网络拥塞时有可能造成系统崩溃。 正是基于上述原因，t c p 和u d p 都不适合传输流媒体。一种建立在u d p 协议之上的 实时传输协议r t p ( r e a l t i m et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 和实时传输控制协议r t c p ( r e a 卜t i m e t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 应运而生，它的出现很好地解决了利用t c p 或u d p 传输流 媒体存在的种种问题。 ( 1 ) r t p 协议 r t p 是由i e t f ( i n t e r n e t 工程任务组) 的音频视频传输工作组于1 9 9 6 年公布为 r f c ( r e q u e s tf o rc o 唧e n t ) 正式文档，是一种传输音频、视频、模拟数据等实时数据的 轻量级传输协议【4 】。r t p 既可用来单播也可用来多播，建立在u d p 协议之上。r t p 数据报 文和控制报文使用相邻的不同端口，提高了数据传输的效率也简化了程序设计。r t p 数 据包没有长度域和报文边界、不支持资源预留、不提供q o s 保证，但r t p 可利用r t c p 报文的信息反馈网络的当前状况，因此可动态调整r t p 数据包的收发，从而最大限度地 8 长安大学t 程硕士学位论文 利用网络资源。r t p 协议和u d p 协议二者共同完成传输层协议功能。u d p 协议只是传输 数据包，不管数据包传输的时间顺序。r t p 协议的数据单元是用u d p 分组来承载的。 和传统的传输协议相比，r t p 协议有如下优点： 协议简单：r t p 协议建立在u d p 协议上，不支持资源预留，不保证q o s 数据包长度 由下层协议规定； 扩展性好：r t p 协议和下层协议透明，下层协议主要是u d p 协议，也可是a t m 、i p v 6 ； 数据流和控制流分离：r t p 数据报文和控制报文使用相邻的不同端口，提高了数据 传输的效率也简化了程序的设计。 ( 2 ) r t c p 协议 r t c p ( r e a 卜t i m ec o n t r 0 1p r o t o c 0 1 ) 是实时传输控制协议，其设计的目的是与r t p 协议共同合作，为顺序传送数据包提供可靠的传输机制，并对网络流量和阻塞进行控制。 在r t p 的会话期间周期的发送一些r t c p 包用来监听服务质量和交换会话用户信息等功 能。r t c p 包中含有已发送的数据包的数量和丢失的数据包的数量等统计资料。因此，服 务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合 使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而是一种特别适合于传 送网上的视频流实时传输的反馈控制协议。根据用户间的数据传输反馈信息，可以制定 流量控制的策略，而会话用户信息的交互，可以制定会话控制的策略。 当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：一个给r t p 进行数据流的传递， 另一个给r t c p 进行控制流的传递。一个只管传递有效数据，另一个帮助监视网络流量 和阻塞情况从而为有效数据传递提供可靠保障。 r t c p 协议的基本思想是采用和数据分组同样的配送机制向r t p 会话中的所有与会 者周期性地传送控制分组，从而提供数据传送q o s 的检测手段，并获知与会者的身份信 息。r t c p 主要实现如下功能： 通过给所有参与方发送s r 、r r 报告包来提供数据分配质量的反馈。这是r t c p 最 基本的功能，它是r t p 作为传输层协议一项不可缺少的功能，这些功能与其它传输层协 议的流量控制、拥塞控制密切相关，也可以用于控制自适应编码和故障诊断； 由于r t c p 分组需要定期发送，在大型会议的情况下，网络上就会产生大量的控 制话务量，因此必须根据可用带宽和会议规模确定r t c p 分组的发送速率。可以用来观 察参与者的数目，据此可以计算数据的发送速率，并可对其进行动态调整以合理地利用 网络资源； 9 第二章视频传输系统基本理论 传送少量的控制信息以保证系统可以容易的扩展成为大规模的松散藕合系统。 r t p 允许一个应用能从几个参与方扩大到成百上千。一般来讲，业务数据业务受到自身 限制，能够一直保持相对不变的数据量，例如视频会议。如果每个参与方的控制包以一 恒定的速率发送，r t c p 控制包将线型增长，当参与方达到一定的数目时，由于网络带宽 资源有限，必将使传输信息的r t p 数据包的质量受到影响。因此应控制r t c p 包的传输 间隔，将r t c p 包限制在话务带宽的一定范围内，r t p 协议规定r t c p 控制带宽不超过整 个会话的可用带宽的5 。 2 2 3r s v p 协议 r s v p 协议是一种网络控制协议，它允许数据接收者要求一个特殊的终端到终端的服 务质量【6 】。实时应用程序使用r s v p 在传输路径的路由器上保留必须的资源，因此当传输 开始后保证有足够的带宽。r s v p 是将来综合服务网的主要组成部分，它提供最佳效果服 务和实时服务。 r s v p 协议是用来设置预留网络资源的。当一个主机( 数据流接收者) 上的应用程序要 求一个特殊质量的服务，它使用r s v p 发送要求到数据流路径上的路由器。r s v p 负责和 路由器进行连接参数的协商，同时也负责维护路由器和主机的状态来提供所要求的服 务。每一个有资源预留能力的节点都由一些本地程序来设置顶留和执行策略控制，决定 用户是否有权产生要求的资源预留。 预留通过两类r s v p 消息执行：p a t h 和r e s v 。p a t h 消息周期性的从发送者发送到组 播地址。p a t h 消息含有流说明来描述发送者模板( 数据格式，源地址，源端口) 和传输特 性。接收者使用这些信息来找到发送者的路径和决定什么资源被预留。为了接收p a t h 消息，接受者应加入组播群。 r s v p 在路由器上建立的预留状态是软状态。r s v p 后台程序需要周期性发送更新消 息来维持预留状态。在一个特定时间内缺乏更新消息会破坏预留状态。通过使用软状态， r s v p 能轻松处理成员数和路由的改变。预留请求是由接收者发出的，它们不必通过所有 路径传输到发送源，只需逆流而上，直到遇到另一个同一个源流的预留请求，然后合并 预留。 预留合并导致了r s v p 的基本优点：伸缩性。很多用户能被加到组播群中而不必明显 地增加数据传输。因此r s v p 能容纳大的组播群和随着参与者的增加使协议的平均开销 减少。 预留过程实际上不传输数据和提供所要求的服务质量。但通过预留，r s v p 保证当传 1 0 长安大学工程硕上学位论文 输开始，网络资源是可用的。 虽然在协议中r s v p 位于i p 之上，但它不是一个路由协议，而是网络控制协议。事 实上，r s v p 依赖于底层路由协议来决定往哪发送保留要求。r s v p 也和单播、组播路由 协议合作。当r s v p 控制流改变路径，路由模块会通知r s v p 模块路由改变。因此r s v p 能为新路由迅速调整资源预留。 2 3 视频传输若干技术 2 3 1 数字视频压缩技术 视频数据是多媒体数据的一种，它占用相当大的存储空间，这对于计算机的存储、 访问、处理以及在通信线路上的传输都带来巨大的负担。但视频信息冗余度大，具有压 缩潜能，可以采用各种方法进行压缩。压缩方法也分为两种：有损压缩和无损压缩。数 字视频压缩技术是在数据压缩、数据编码的基础上发展起来的，已经取得了许多成果， 并逐步走向成熟，开始了实用化进程。视频压缩的一个重要标准是m p e g ( m o ti o np i c t u r e e x p e r t sg r o u p ) ，已推出了m p e g 一1 、m p e g 一2 、m p e g 一4 等系列标准，新的标准m p e g 一7 、 m p e g 一2 1 等也在酝酿之中。另一个重要的压缩标准是h 系列，包括h 2 6 1 、h 2 6 3 等标准。 此外还有运动静止图像专家组的m - j p e g 【7 】。 2 3 2 流媒体技术 流媒体【8 1 是通过网络传输的、能够在本地终端实时回放的、具有实时特征的媒体内 容编码数据流，它最大的特点在于互动性。流媒体在播放前并不下载整个文件，只将开 始部分内容存入内存，流媒体的数据流随时传送随时播放，只是开始时有一些延时。 ( 1 ) 流式传输 流媒体实现的关键技术就是流式传输，即通过网络获得平滑的数据流。流式传输有 两种方法：实时流式传输和顺序流式传输。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同 时用户可观看在线媒体，且用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的前头 部分。而实时流式传输保证媒体信号带宽与网络连接配匹，使媒体可被实时观看到。 ( 2 ) 流媒体播放方式 单播是指2 个p 地址间进行的数据通信，即在客户端与媒体服务器之间需要建立 一个单独的数据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机。 点播是一种特殊的单播方式，此方式下客户端主动连接到服务器端，即客户通过主 动选取播放内容来初始化的连接方式。 第二章视频传输系统基本理论 广播是指在口子网内向所有网内p 地址以广播的方式发送数据包，所有子网内的 口站点都能收到数据包。数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，非常浪费 带宽，而且用户被动接收流，不能控制流。 组播指的是在h l t e m e t 网上对一组特定p 地址进行数据发送，每一个p 站点都可 以动态地加入或者退出这个组。显然，与单播和广播相比，由于组播使用较少的网络带 宽，对于连续媒体流的多点通信，它是一种非常高效的方式。p 组播协议与传统的点到 点协议不同的是，在传输层，它只使用面向无连接的不可靠的u d p 数据报传输。 2 3 3 网络编程技术 w i n d o w ss o c k e t s ( 简称、矾n s o c k ) 【9 】【1 0 】【1 1 1 是在w i n d o w s 环境下使用最广泛的网络编 程接口。s o c k e t s 是b s di 肘提供的网络应用编程接口，它采用客户服务器的通讯机 制，使网络客户方和服务器方通过s o c k e t s 实现网络之间的连接和数据交换。 w i n d o w ss o c k e t s 就是在它的基础上定义的，不仅包含b e r l e l e ys o c k e t s 风格的库函 数，也包含了一组针对、斫n d o w s 的扩展库函数。利用w i n s o c k 提供的一系列的系统调 用可以实现t c p 、u d p 、i c m p 和碑等多种网络协议之间的通讯。 s o c k e t s 有五种类型，其中s 仃e a ms o c k e t s 和d a t a f a ms o c k e t s 是最主要的两个。s t r e 锄 s o c k e t s 是t c p 传输协议的接口，它定义了一种可靠的面向连接的服务，它实现了无差 错无重复的顺序数据传输。它通过内置的流量控制解决了数据的拥塞，应用程序可以发 送任意长度的数据，将数据当作字节流。d a t a 黟锄s o c k e t s 是u d p 数据报服务的接口， 它定义了一种无连接的服务，有较高的通信速率，但是数据通过相互独立的包进行传输， 不能保证包的先后顺序，也不能保证包传输的可靠性。包长度是有限的( 隐含长度为 8 ，1 9 2 字节，最大长度可设为3 2 ，7 6 8 字节) 。 s o c k e t s 有两种工作方式：同步阻塞方式和异步非阻塞方式。在阻塞方式下工作， w i n s o c k 函数直到其要执行的功能全部完成时才返回。在非阻塞方式下工作，、矾n s o c k 函数仅仅做一些简单的工作，然后马上返回，而它所要实现的功能留给别的线程或者函 数去完成。但是它们是否完成得靠查询才能知道。由于会不断地返回 w s a e w o u l d b l o c k 错误所以这种模式使用起来比较复杂，但功能强大。 套接字由s o c k e t ( ) 创建后默认为阻塞方式，但是用户有时希望自己的应用程序在等 待数据的时候能够继续别的事情，有两种方法，一种是在阻塞方式下采用多线程技术进 行处理，多线程技术在下节会有阐述；另一种是设黄成非阻塞方式下工作，这种情况下 有两种方法接收数据：一种是使用b s d 类型的函数s e l e c t ( ) ，一种是使用、斫n s o c k 的专用 1 2 长安大学工程硕士学位论文 函数w s a a 5 y n cs e l e c t ( ) 。 2 3 4 多线程技术 所谓线程( m r e a d ) 是指系统可以调度的最小程序单位【13 1 ，它也是代码执行的最 小单位。一个线程是程序的一条执行路径，应用程序能够创建若干个线程，同一时间只 有一个线程在运行，c p u 通过分时在各个线程间频繁地切换，使系统看起来好像是有多 道程序同时运行，以提供在多任务处理中进行多任务处理的能力。采用多线程处理数据 可以有效地加快程序的反应速度、增加执行的效率。 进程和线程既有区别又有联系。进程是拥有自己的内存、文件句柄和其他系统资源 的运行程序。为了让进程完成一些工作，进程必须至少占有一个线程。进程是没有活力 的，它只是一个静态的概念，线程负责执行包含在进程的地址空问中的代码，它包含独 立的堆栈和c p u 寄存器。实际上一个进程包含几个线程，每个线程共享所有的进程资 源，包括打开的文件、信号标识及动态分配的内存等等。 在多线程的运行环境中，由于线程是相对独立的实体，因而各个线程协调有序地工 作是十分重要的，否则可能会引发竞争、死锁。w i n d o w s 操作系统提供了多种方法实现 线程间的协调运行，其中比较典型是使用事件对象、临界区、互斥量【1 4 】【1 5 】。 ( 1 ) 事件对象 事件对象( e v e n t ) 是最简单的同步对象，它有两种状态：信号状态和非信号状态。当 事件处于信号状态时，所有等待这一事件的线程都可以通过，当事件处于非信号状态时， 所有等待这一事件的线程都会阻塞。 ( 2 ) 临界区 临界区是一个特殊的w i n 3 2 变量结构，在使用之前必须先初始化，占有临界区对象 的线程可以访问受保护的数据，其他线程需要等待，直到第一个线程释放临界区为止。 使用临界区有一个缺点，就是只能在同一个进程中使用，不同进程中的临界区不能互相 访问。 ( 3 ) 互斥量 互斥量的作用和临界区相似，一个互斥量一次只能被一个线程拥有。它们的区别在 于：互斥量是可以用一个字符串命名的，可以跨越进程使用。由于创建互斥量需要更多 的资源，所以对于进程内部的同步使用临界区会带来速度上的优势，并能够减少资源占 用量f 1 6 1 。 1 3 第二章视频传输系统基本理论 2 4 视频传输技术的应用环境 在人类的生产和生活中，绝大部分的信息是通过听觉和视觉获取的。在信息通信中 引入对声音和图像进行传输，特别是把图像、声音等综合起来，才更有利于人们获取外 界信息。视频传输可以进行图像和数据的传送，它是两个或两个以上不同地方的个人或 群体通过传输线路及多媒体设备，将声音、影像及文件资料互传，达到即时且互动的沟 通。它是集计算机技术、多媒体技术、通信技术于一体的远程异地信息传输方式。 随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频传输技术也有长足的 发展与进步，视频传输技术应用环境越来越广泛，如：远程教育、视频会议、电力抢险 等，本文主要考虑视频传输技术在高速公路机电系统中的监控、收费系统中的研究。 高速公路监控、收费系统作为视频传输技术的一个应用环境【1 7 】，它主要的作用一方 面是为了使用收费操作科学、合理，便于大量收费数据的采集和统一处理；另一方面是 为了最大限度地防止来自于收费系统的漏洞，防止费额流失。通过视频监视可以帮助管 理人员实时、直观地了解到收费亭、收费车道、收费广场乃至高速公路重要路段发生的 事件，从而减少联合作弊的可能，同时当出现意外事件时( 如抢劫、道路安全事故等) ， 也便于管理人员或其他有关人员全面掌握现场动态。 高速公路监控系统中的视频监控主要是完成对路段的主要构造物( 如互通立交、服 务区、特大桥、隧道等) 的设备状况、交通状态等进行监视。收费系统中的视频监控主 要是完成对收费广场、收费亭、收费车道，收费站的主要设施及业务流程等的监视。通 过闭路电视监控系统，管理人员能实时监控重要路段的交通流量、路面情况或隧道情况 以及其它设施的详细情况，对交通事件迅速做出反映，从而提高本路段的服务水平【2 3 1 。 目前高速公路的视频管理模式主要是外场监控图像以路段管理中心监控为主，视频 经过视频传输系统直接传输至路段管理中心，由路段中心直接进行控制与管理。收费图 像以收费站监控为主，收费广场、收费车道、收费亭视频信号均经过视频传输系统上传 至收费站后集中接入视频分配器一分三，其中一路接入数字硬盘录像机进行录像；一路 传输至矩阵，经矩阵切换一定数量的图像经过视频传输系统传至路段中心进行切换显 示；一路在收费站的监视器墙上显示。路段中心收费与监控闭路电视监视系统合并设置、 集中监控。收费、监控图像在路段管理中心利用视频分配器一分二，一路进入数字硬盘 录像机进行实时录像；一路进入视频切换控制矩阵，经矩阵切换输出一定数量图像至监视 器墙上进行显示，同时切换输出几路图像信号传输至省管理中心及相邻路段管理中心进 行监控【1 8 j 。 1 4 长安人学t 程硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先介绍了视频传输系统的一些基本概念，接着分析了和视频传输技术有关的 三种协议，其中，t c p ，im p 是传输层协议，但无法满足音视频传输的需要。r t p r t c p 是建立在u d p 基础上的传输层协议，r t p 能根据r t c p 的反馈信息动态地调整码流速 率以适应网络带宽的变换，能很好地为音视频传输服务，r