基于SCTP的嵌入式遠(yuǎn)程視頻自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)

1、    基于SCTP的嵌入式遠(yuǎn)程視頻自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)        高群凱，黃 仁 時(shí)間:2008年07月18日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        ? 摘 要：關(guān)鍵詞： SCTP? 嵌入式Linux? 視頻采集? 自適應(yīng)? NS2? 同TCP一樣，

2、流控制傳輸協(xié)議SCTP（Stream Control Transmission Protocol）1是一種可靠的、提供面向連接的、點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它繼承了TCP強(qiáng)大的擁塞控制、數(shù)據(jù)包丟失發(fā)現(xiàn)等功能。但是，SCTP具有的一些獨(dú)特的性質(zhì)2，如多宿（Multi-homing）、多流（Multi-streaming）、部分有序（Partial Ordering）和塊（chunk）綁定等，因此比TCP更適合在WWW、MPEG4等業(yè)務(wù)中使用。在一般的視頻采集系統(tǒng)中，由于不能根據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況實(shí)時(shí)地調(diào)整編碼壓縮參數(shù)和發(fā)送速率，導(dǎo)致接收端的視頻回放、緩沖數(shù)據(jù)停滯播放等，給用戶帶來不好的視覺感受。針對(duì)這

3、個(gè)問題，本嵌入式遠(yuǎn)程視頻采集傳輸系統(tǒng)采用SCTP傳輸協(xié)議3，并且采取一些改進(jìn)的設(shè)計(jì)策略，使得該系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)編碼壓縮和傳輸，減少丟失包，從而達(dá)到客戶端視頻播放流暢的滿意效果。1 硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境? 本嵌入式遠(yuǎn)程視頻采集傳輸系統(tǒng)硬件平臺(tái)選用北京恒豐銳科科技有限公司的HFRK2410開發(fā)板。該開發(fā)板是基于SAMSUNG S3C2410X高性能ARM處理器的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，穩(wěn)定工作頻率為202MHz, 帶有64MB SDRAM 64和64 NAND FLASH存儲(chǔ)器，一個(gè)USB主機(jī)接口，一個(gè)USB設(shè)備接口，CS8900以太網(wǎng)控制器以及其他設(shè)備和模塊。? SCTP是Linux

4、2.6 Kernel中新增加的一個(gè)傳輸層協(xié)議，因而必須使用2.6以后版本的Linux Kernel，同時(shí)在編譯Linux Kernel時(shí)，要加入對(duì)SCTP模塊的支持。? Networking -> Networking options -> SCTP Configuration (EXPERIMENTAL) ->? The SCTP Protocol (EXPERIMENTAL)? * SCTP：Debug messages? * SCTP：Debug object counts? 該系統(tǒng)采用USB攝像頭獲取實(shí)時(shí)視頻，所以把USB 模塊和Video4Linux模塊的支持全部加

5、入進(jìn)來。?Device Drivers -> Multimedia devices -> Video For Linux? Video For Linux -> * V4L information in proc filesystem? Device Drivers -> USB support -> USB support -> USB OV511 Camera support? 有了以上基本設(shè)置，就可以在此編譯的內(nèi)核中進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)和運(yùn)行了。2 系統(tǒng)自適應(yīng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)2.1 自適應(yīng)視頻發(fā)送實(shí)現(xiàn)k時(shí)刻和tk+1時(shí)刻的變化狀況。? ? 緩沖狀況的變化公式如

6、下：? ? 當(dāng)時(shí)刻tk和時(shí)刻tk+1間隔足夠小時(shí)，式(1)可以寫成：? ? 變化式(2)：? ? ?(其中為正常參數(shù)，且01)? ?則式(5)可簡(jiǎn)化并插入調(diào)整幅度參數(shù)A（A為正整數(shù)）：? ?分析式(7)知，當(dāng)為正，即緩沖占用比率增大時(shí)，表示由于網(wǎng)絡(luò)阻塞加重，則減小，輸入量將減少；當(dāng)為負(fù)，即緩沖占用比率減小時(shí)，表示由于網(wǎng)絡(luò)阻塞減輕，則增大，輸入量將增大。視頻傳輸初始開始時(shí), 視頻發(fā)送子模塊以設(shè)定的初始速率發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。其后視頻發(fā)送子模塊在固定的時(shí)間間隔內(nèi)根據(jù)上面的算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載判斷，并計(jì)算相應(yīng)的發(fā)送速率調(diào)整系數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，發(fā)送速率減小;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，發(fā)送速率增加。2.2 自適應(yīng)視頻編碼壓縮

7、實(shí)現(xiàn)?其中：為正常參數(shù)且01，B為調(diào)整幅度參數(shù)且為正整數(shù)，由式(6)定義。? 在視頻編碼壓縮模塊開始編碼時(shí)，以初始編碼率E1進(jìn)行編碼，在以后的運(yùn)行過程中，跟隨網(wǎng)絡(luò)阻塞狀況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞加重時(shí)，降低編碼率Ek+1，以便在相同的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量包含更多的視頻圖像內(nèi)容；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)為空閑時(shí)，又將增加編碼率Ek+1，以提高圖像畫面質(zhì)量。另外考慮到在不同的應(yīng)用中，對(duì)視頻圖像編碼率有各自特別的要求，因而可以設(shè)定一個(gè)最高編碼率和最低編碼率，則Ek+1依次由如下兩式計(jì)算后得到：? 2.3 自適應(yīng)調(diào)整算法? 根據(jù)前述分析，在視頻傳輸初始階段，視頻編碼壓縮模塊以初始編碼率E1進(jìn)行編碼，視頻發(fā)送子模塊以設(shè)定的初始速

8、率發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。其后，視頻發(fā)送子模塊在固定的時(shí)間間隔內(nèi)（如5s），根據(jù)上面的算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載判斷，并計(jì)算相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)，再根據(jù)情況對(duì)視頻發(fā)送速率和視頻編碼率作相應(yīng)調(diào)整。具體算法描述如下：? (1)傳輸開始時(shí)，視頻編碼壓縮模塊以初始編碼率E1進(jìn)行編碼，視頻發(fā)送子模塊以設(shè)定的初始速率發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，即E=E1，Sin=。? (2)計(jì)算調(diào)整系數(shù)：? ? (3)根據(jù)調(diào)整系數(shù)對(duì)視頻發(fā)送速率和視頻編碼率作相應(yīng)調(diào)整。為了防止視頻發(fā)送速率和視頻編碼率的反復(fù)細(xì)微變化，只對(duì)大于等于一定程度的做調(diào)整計(jì)算，否則不更新：? (4)編碼率界限限制計(jì)算：? 2.4 自適應(yīng)算法仿真及結(jié)果分析? 本系統(tǒng)在實(shí)際實(shí)施前需要對(duì)其中所涉

9、及算法的正確性、參數(shù)的有效性進(jìn)行分析和合理選擇。選用開源免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件NS2455，隨后在3s時(shí)由節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2產(chǎn)生發(fā)往節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)7的0.8Mb/s的FTP-TCP數(shù)據(jù)6和CBR-UDP數(shù)據(jù)。而分別在28s、20s和20s時(shí)，節(jié)點(diǎn)0、1和2停止發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)束模擬。? ? 在第一次實(shí)驗(yàn)中，選擇采用恒定傳輸速率=1.0Mb/s和編碼率E1=420kb/s，每隔0.1s記錄一次節(jié)點(diǎn)5的接收數(shù)據(jù)緩沖占有百分比。圖2為接收節(jié)點(diǎn)緩沖數(shù)據(jù)占有率隨時(shí)間變化分布圖。? ? 在第二次實(shí)驗(yàn)中，采用自適應(yīng)傳輸速率和編碼率，相關(guān)初始參數(shù)取值如下：? ? 每隔0.1s就對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載判斷并根據(jù)情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。在

10、實(shí)驗(yàn)中每隔0.1s就記錄一次節(jié)點(diǎn)0端編碼率(由于視頻發(fā)送速率和編碼率按同一形式公式變化，所以記錄一個(gè)就可以了)和節(jié)點(diǎn)5的接收數(shù)據(jù)緩沖占有百分比，如圖3所示。? ? 從圖3中可以看到，在3s之前，由于網(wǎng)絡(luò)存在足夠可用帶寬，負(fù)載小，編碼率持續(xù)增大，直到設(shè)定的最高編碼率450kb/s并保持了一段時(shí)間。在3s20s的時(shí)間段，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加大，MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流與另外兩條數(shù)據(jù)流進(jìn)行帶寬爭(zhēng)用，MPEG的編碼率上下波動(dòng)并且整體趨勢(shì)為逐步下降，直到達(dá)到設(shè)定的最低編碼率350kb/s。在20s后，另外兩條數(shù)據(jù)流關(guān)閉，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載減小，MPEG的編碼率又持續(xù)上升，直到

11、450kb/s，并保持。? ?另外，對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)中的接收節(jié)點(diǎn)5的緩沖數(shù)據(jù)占有率隨時(shí)間變化分布圖(圖4)可以看到，恒定傳輸速率和編碼率的實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)5的緩沖數(shù)據(jù)占有率變化完全按照MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流與另外兩條數(shù)據(jù)流進(jìn)行帶寬爭(zhēng)用的結(jié)果變化，這種情況很容易導(dǎo)致視頻播放的不流暢。而在自適應(yīng)傳輸速率和編碼率的實(shí)驗(yàn)中，接收節(jié)點(diǎn)緩沖數(shù)據(jù)占有率除了與MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流與另外兩條數(shù)據(jù)流進(jìn)行帶寬爭(zhēng)用的結(jié)果有關(guān)，還與節(jié)點(diǎn)0的編碼率有關(guān)，其結(jié)果是雖然網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加大，分給MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流的可用帶寬減少，但是接收節(jié)點(diǎn)5的緩沖數(shù)據(jù)占有率反而有上升的趨勢(shì)。這種情況會(huì)導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降，但是不會(huì)出現(xiàn)播放的緩沖、停

12、滯，相對(duì)而言，更能保證實(shí)時(shí)播放的可視效果。?3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)? 把按照本文第1節(jié)所述設(shè)置編譯的新 Linux 2.6內(nèi)核燒錄到HFRK2410開發(fā)板中，安裝好網(wǎng)眼3000數(shù)碼攝像頭，并確定其正常驅(qū)動(dòng)后，就可以開始利用Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)Video4Linux為視頻程序應(yīng)用提供一套統(tǒng)一的API，實(shí)現(xiàn)視頻采集模塊。獲取圖像數(shù)據(jù)后，在視頻編碼模塊使用XviD庫(kù)對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。另外從 http：/ API接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)送視頻模塊和視頻接收模塊。? 系統(tǒng)硬件平臺(tái)框架圖和模塊劃分見圖5和圖6。? ? 基于SCTP的視頻采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，基本利用的是免費(fèi)和開源的資源，具有穩(wěn)定可靠、開發(fā)容易、修改定制方便、成本低廉等特點(diǎn)，可擴(kuò)展應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、可視電話、工業(yè)控制等領(lǐng)域