IP网络中实时视频流的可靠传输控制

1、I P 网络中实时视频流的可靠传输控制钱建生,程德强,田 隽,庞 平(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州 221008摘 要:通过分析流式视频传输系统,详细讨论当前主要的视频流可靠传输控制技术及应用方案,通过分析其优缺点,结合当前企业网络现状,介绍一种集中式流媒体服务器,并分析其结构和工作原理。关键词:视频流;传输;控制技术;I P 网络中图分类号:TP393 文献标识码:B 文章编号:0253-2336(200605-0053-03R eliab le tran siti on con trol of rea l ti m e video i n IP net workQ I A N

2、Jian 2sheng ,C HEN De 2qiang ,T I A N Juan ,PA NG Pi n g(School o f Infor m ation and E le ct ric Eng i neering,China Univers ity of M i n i ng and Tec hn ology,Xuz h ou 221008,Ch i na 基金项目:中国矿业大学青年科研基金资助项目(NO 10C44641 概 述在矿井网络安全视频监控中,数字视频服务器将现场摄像仪的模拟信号进行采集和数字化处理,转化为数字视频流在网络中传输。网络中任何一台计算机通过授权,即可解码实时

3、观看远端图像。 对于多媒体数据的实时传送,流式视频处理是一种非常有效的方法1,2。视频图像经压缩编码转换成视频流,并通过网络接口发送给网络,经过网络寻址和传输到达客户端。由于网络是动态变化的,各个数据包选择的路由不相同,到达客户端的时间延迟也就不同,甚至发生丢数据包现象,而视频数据彼此之间具有较强的时空相关性,关键帧数据包的长时间延迟或丢失,会引起解码错误和视频网络接收中断;尤其在煤矿监控网络中,网络结构复杂,并且存在异构网,视频传输的网络质量不能保证;因此,在涉及设备和人身安全的监控场所,必须采用可靠的数字视频数据传输控制技术,保证视频监控系统的安全可靠运行。2 流式视频传输系统流式视频传输

4、系统如图1所示。模拟视频图像经编码转换成视频流,利用发送模块在网络上传输,通过控制信息,接收模块实时接收、解码视频流,并在本地显示。图1 流式视频传输系统211 视频流编码算法用于网络视频流传输的主要有MPEG1,MPEG2,MPEG4,H 1263和H 1264编码算法。MPEG1和MPEG2主要用于较高速率的视频编码和传输,对传输的网络性能要求较高。H 1263和MPEG4压缩算法主要针对低速率的视频编码和传输。H 1264是一个新的数字视频编码标准,和其他压缩算法一样,采用DPC M 和变换编码的混合编码模式。但它采用/回归基本0的简洁设计,不需众多的选项就获得比H 1263好得多的压缩

5、性能;其加强了对各种信道的适应能力,采用/网络友好0的结构和语法,有利于对误码和丢数据包的处理;应用目标范围较宽,以满足不同速率、不同解析度及不同传输(存储场合的需求。 相对于MPEG4和H 1263,H 1264各方面性能具有明显的优越性。但是,H 1264性能的改进是以增加计算复杂性为代价而获得的,据估计,编码的53计算复杂度大约为H1263的3倍,解码复杂度大约为H1263的2倍3。212视频流传输方式21211单播在此种传输模式下,客户端与媒体服务器之间建立单独的数据通道,每个用户须分别对媒体服务器发送单独的查询,而视频服务器向每个用户发送所申请的数据包备份。以此种方式进行的数据流传输

6、优点为:各个用户接收的视频彼此独立,服务器可与每个用户进行交互操作,适合在广域网中使用;缺点为:当用户增多时,服务器的负担增加,可能导致服务器的过载。21212组播IP组播技术允许路由器一次将数据包复制到多个通道上。采用组播方式,单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据流而无延时。媒体服务器只需发送一个信息包,所有发出请求的客户端共享同一个信息包。其优点为:减少了网络上传输的信息包总量,网络利用效率提高,成本下降;其缺点为:加重了交换机的负担,在广域网中使用,可能引起数据包的大量转发,引起网络阻塞。3可靠传输控制技术311自适应码率控制(Se lf-ad j u sti n g Code

7、视频流传输过程中,主要利用TCP协议和RTP协议。TCP协议提供有序、可靠的传输服务,主要用来实现对发送端和接收节点间控制信号的传输。由于视频数据的传输对实时性的要求远高于可靠性,因此视频传输用RTP协议实现。RTP协议由RTP数据协议和实时传输控制协议RTCP组成。RTP协议本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制,也不提供流量控制或拥塞控制等QOS保证,而是依靠RTCP提供这些服务。在视频数据打包传输时,客户端和视频发送端周期性地传送RTCP控制包。RTCP控制包中含有已发送数据包的数量、丢失数据包的数量等统计资料。因此,视频发送端可利用这些信息,评估当前的网络状况,通过视频抽帧算法

8、动态地改变视频数据帧结构,按照QOS策略表重组视频帧,达到改变视频传输码率的目的。重组的视频帧经过RTP 打包传输,改变传输数据包分组的有效载荷和传输码率,适应网络状况的变化,使整个传输系统以有效的反馈和最小的开销达到最佳的QOS保证,使传输效率最佳化。视频传输控制结构如图2所示4 。图2基于自适应编码的视频传输控制系统结构自适应编码可动态地适应网络带宽的变化,但它对服务器的要求很高。当用户增加时,服务器的负担增大,因此,在大型系统中应用较少。312联播(Si m ulcastSi m ulcast技术是将码流切换和Mu lticast相结合而产生的一种视频传输控制方法。它把同一段视频内容压缩

9、编码成几种不同码率的视频流,同时用独立的组播通道把它们发送到I P网络上,用户根据网络带宽的变化,在这几种视频流间切换,其中视频流的码率可以独立地动态调整,以适应网络QOS的动态变化,这样组播组中的用户可接收到最接近它们带宽条件的视频流。Si m ulcast视频传输控制的原理如图3所示5 。图3S i m u lcast视频传输控制原理联播方式中服务器的计算复杂度很低,但需要用到多个速率的码流,占用比较大的缓存空间,这种方式是将自适应编码中对计算复杂度的要求转变为对缓存的要求。并且,客户端解码时同步困难,码率调整的范围有限。313分层组播(LayeredMu lticast分层组播技术是将分

10、层可扩展性编码与Multi2 cast相结合而产生的一种视频传输方法。分层编码将多媒体视频数据压缩编码成多个码流。其中一个54可以独立解码,称为基本层码流,其他码流必须与基本层码流一起被解码以获得好的视频质量和高的分辨率,这些码流称为增强层码流。视频服务器将每一层的压缩视频流发送到一个组播组中,用户根据其网络带宽状况接收基本层和多个增强层数据,然后解码获得不同质量的视频。分层组播的原理如图4所示5 。图4 分层组播原理示意虽然分层组播具有一定的带宽适应能力,但是同样不适用与广域网中的视频传输。314 资源预留协议(RS VPRS VP 协议是一种可以提供音频、视频和数据等混合服务的资源预留协议

11、。通过RS VP ,主机端可以向网络申请特定的QOS ,为视频流提供有保障的数据流服务。同时RS VP 在数据流经过的各个路由器节点上对资源进行预留,并维持该状态直到视频传输结束,并释放这些资源。用RS VP 保证视频的可靠传输存在2个问题:一是盲目性。对于保证服务,视频数据流在从发送端向接收端传送的过程中,收集了沿途的网络节点的一些信息,但这些信息只是一个综合信息,而不是单个网络节点的信息。因而在考虑预留的带宽时,无法照顾各个网络节点的具体情况。只能采用/准等额划分法0,即基本上对沿途的每个节点分配等量的资源。这将使原本资源较少的网络节点无法接受后来的预留申请,而产生较强的拥塞。二是可扩展性

12、。由于RS VP 需要在沿途的每一个网络节点上保留每个流的信息,也就要求网络中的所有路由器必须支持RS VP ,因此只适用于小型的网络,而不适用于广域网的视频传输保证7。4 基于流媒体服务器的集中网络监控系统随着视频压缩技术和网络技术的发展,使得在现有网络中传输实时视频流成为可能。视频监控以其形象直观、可操作性强的特点在煤矿安全监控系统中得到大量应用,但在涉及安全生产的重要场所,必须保证实时视频流的可靠传输。在煤矿企业的I P 网络中,基本都是一般的传输模式,而且网络存在异构网,结构复杂,稳定性差。相对于一般的I P 数据包,网络视频流占用带宽大且持续时间长,并且由于视频数据的空间和时间相关性

13、强,因此对视频流的可靠传输有特殊的要求。为解决广域网的视频传输,同时也为解决局域网中大量并发用户访问一个视频服务器时而引起服务器过载的问题,提出一种基于视频流转发的流媒体服务器。411 系统结构设置流媒体服务器目的在于缓解前端视频服务器的负载和避免网络带宽紧张而引起的网络阻塞,从而保证视频流的可靠传输。其结构如图5 所示。图5 基于流媒体服务器的集中网络监控系统412 工作原理流媒体视频服务器在视频监控系统中,主要完成2个工作:一是通过网络接口与远端编码器相连,实时接收视频流数据,并临时存储在缓冲区;二是实时侦听客户端的请求,把缓冲区的视频数据转发给客户端,从而完成视频传输。该系统的优点是:区

14、域内对视频数据的访问全部通过流媒体服务器来进行转发,使得远端编码器和流媒体视频服务器间的视频服务只占一个通道带宽,因此,不仅降低了多个并发用户访问编码器造成的编码器/死机0现象,而且可保证前端视频流的网络负荷最小,实现视频流的畅通;流媒体服务器选用高速处理计算机,并配备千兆网卡,保证网络视频流的转发能力,同时,流媒体服务器可连接在主干网络中,保证网络转发带宽的需求。通过此种方式,可较简单地实现网络视频可靠传输,通过对流媒体服务器的配置,可承担大量并发用户对同一路视频的访问。此外,因为所有的视频流要经(下转第60页553结论(1在不同气氛下热解制得的焦样在宏观上都呈现出随着热解温度升高而团聚的趋

15、势。在天然气气氛下得到的焦样,表面覆盖了由甲烷裂解碳沉积形成的丝棒状碳,并随着热解温度的升高而呈珊瑚状延伸生长。正是由于这些丝状碳的生长和延伸,使得煤焦在宏观上表现出板结成块的趋势。(2通过对气体组分的分析和比较,发现在400700e段内,煤中逸出的甲烷和氢的浓度都大于对应氮气气氛下的浓度。这说明在这个温度段内天然气促进了煤的热解,使其挥发分的析出更为彻底,即天然气与煤在共热解过程中产生了协同效应。(3煤与天然气之间的相互作用存在一个最佳的温度区域(400700e,低于400e由于温度较低而不够明显,高于700e时则受到甲烷裂解的影响,只有在这个区域内,两者的协同效应表现最明显。参考文献:1李

16、俊岭,赵月红,温浩,等1天然气和煤联合制备廉价合成气新工艺及其热力学分析J.燃料化学学报,2002(4.2唐黎华,吴勇强,朱学栋,等1高温下制焦温度对煤焦气化活性的影响J.燃料化学学报,2002(1.3Antes J,H u Z,ZhangW,et al1Che m istry and k i n eti cs of che m2ical vapour d epos iti on of pyrocarbon V II.Con fir m ati on of t he i n2fl u ence of t h e s ubs trat e s urface area/react or vol u

17、m e rati oJ.Carbon,1999(12.4H erod A A,La c zaro M2J,Shear m an J,et al1Observati on ofh i gh-mass liqu i d s i n the condensate fro m t he pyro l ysis of coalsi n a m et h ane fl a m eJ.Fue,l1999(5.5Xiuqi n Chen,SeijiM otoji m ab,H iros h i I wanaga1Carbon coati ngson carbon m icro-co il s by pyrol

18、 ysis ofm et h ane and their proper2tiesJ.Carbon,1999(11.6虞继舜1煤化学M.北京:冶金工业出版社,2003.7H unter N R,Praba wono D,GesserH D1The carbon d i ox i de re2for m i ng of m et h ane i n a t h er m al d i ff us i on co l umn reactor(TD2C Rand a pyrol ys i s react or(PRJ.Catal ys i s Today,1998(3.8Yuan2Y ao L i a

19、,T s uyoshi Nomu rab,Ak iyos h i Sakoda b,et a.lMotoyuk i Su z uk i1Fabricati on of carbon coated cera m ic m e m2b ranes by pyro l ysis ofm et h ane u si ng a m od ified ch e m ical vapord epos iti on apparatusJ.Journ al of Me mb rane Science,2002(1-2.作者简介:罗鸣(1981-,男,江西永新人,硕士研究生,研究方向为化工过程。E-m ai:l zhangj m l ei sohu1com收稿日期:2005-12-06;责任编辑:刘军娥(上接第55页过流媒体服务器转发,可在流