摘 要： 基于中國Internet網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對提高視頻傳輸的實時性、穩(wěn)定性、連續(xù)性提出了幾點改進算法。在視頻會議、遠程機器人控制中得到了具體的應(yīng)用，并取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞： 傳輸協(xié)議 壓縮 視頻
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Internet實時視頻傳輸在網(wǎng)絡(luò)會議、遠程機器人控制等方面有著廣泛的應(yīng)用。其關(guān)鍵問題包括：傳輸?shù)膶崟r性——根據(jù)不同系統(tǒng)的要求，實時性是一個重要的評價指標，例如視頻會議系統(tǒng)，要求傳輸?shù)难舆t不超過0.5s,否則會影響參會者的正常表達;對于遠程控制系統(tǒng)，要根據(jù)具體要求進行調(diào)節(jié)。傳輸協(xié)議的制定——傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議應(yīng)用到視頻傳輸中或多或少都存在一些缺陷，因為它們不是專門設(shè)計的，尤其針對中國網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀更要進行一些獨特的設(shè)計。這包括并發(fā)的TCP協(xié)議，可靠的UDP傳輸協(xié)議。壓縮算法——對H.263視頻壓縮協(xié)議進行增強，調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀與非關(guān)鍵幀的比例以及質(zhì)量來適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸率。
1 協(xié)議的設(shè)計
傳統(tǒng)的視頻傳輸協(xié)議是建立在TCP/UDP的基礎(chǔ)上進行的。他們都是傳輸層協(xié)議，具有較高的效率。TCP協(xié)議則保證了傳輸?shù)目煽啃裕捎眠@種協(xié)議要在視頻接收方建立服務(wù)程序等待來自發(fā)送方的視頻數(shù)據(jù)。最開始，發(fā)送方與接收方要建立一條穩(wěn)定的通路來保證傳輸?shù)目煽啃裕@種建立連接的過程可能是比較長的，特別是發(fā)送方與接收方中間要經(jīng)過很多路由的時候。而一旦這條通路建立之后，數(shù)據(jù)的傳輸是可靠的，不會出現(xiàn)亂序或丟失數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象。如果網(wǎng)絡(luò)的帶寬能穩(wěn)定維持在一定水平，傳輸視頻的效果很好。但由于Internet的現(xiàn)狀，電話線與中間路由器等硬件設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)阻塞，為此，我們提出以下幾種方法，來提高傳輸效率使視頻可以平滑、小延遲地回放。
1.1 多路TCP并發(fā)傳輸
TCP協(xié)議建立連接的過程也是一個尋找通路的過程，它通過網(wǎng)絡(luò)層、物理層協(xié)議來建立從數(shù)據(jù)發(fā)送源到目的地的最佳通路。由于當時網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，每次建立連接所選擇的通路就有可能不同，這些不同的通路同時阻塞的機會顯然比一條通路阻塞要小得多。這就是多路并發(fā)TCP傳輸協(xié)議的原理。
具體的設(shè)計步驟如下：
(1)設(shè)定同時連接進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接數(shù)目為5個，每個連接都有一個線程來控制，每個線程可以獨立地運作。他們之間又可以相互通信，使得在同一時刻進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐分挥幸粋€。并且這個數(shù)據(jù)通路的傳輸速度相對于其他通路是更快的。其他的通路反復(fù)地進行數(shù)據(jù)傳輸速度的測試，稱為測試通路，在當前數(shù)據(jù)通路發(fā)生阻塞的時候則斷掉這條通路，而啟用在測試通路中速度最快的那一個，并將其切換為數(shù)據(jù)通路進行傳輸。簡言之，就是一個數(shù)據(jù)通路，多個測試通路同時并存，盡量選擇速度最快的通路作為數(shù)據(jù)通路見圖1。
(2) 鑒于建立連接的過程相對較慢，所以采用交錯的方式進行。即不是在一開始將5個通路的連接全部建立起來，而是先建立一個連接并作為數(shù)據(jù)通路傳輸，與此同時再逐步建立其他通路的連接，由于每條通路都是采用線程來控制的，它們之間不會相互影響，見圖2。
(3) 如果經(jīng)過步驟(1)選擇了最佳的數(shù)據(jù)通路之后數(shù)據(jù)仍然不能傳出去，說明現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)帶寬不足以傳輸視頻數(shù)據(jù)流，因此傳輸模塊會將這一信息反饋給壓縮模塊，由壓縮模塊根據(jù)當前的網(wǎng)絡(luò)速度重新調(diào)整參數(shù)，形成新的數(shù)據(jù)量較小的視頻流。與此同時在發(fā)送方設(shè)有一個1秒鐘的cache，將由于阻塞而沒有發(fā)出去的數(shù)據(jù)包暫時存在cache中，無法存入cache中的數(shù)據(jù)包被發(fā)送方丟掉，這是對傳輸?shù)膶崟r性和連續(xù)性的一個折衷。
1.2 可靠的UDP傳輸
用UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點是不需要建立連接，傳輸速度快。缺點是容易丟失數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包的順序發(fā)生混亂。為此我們設(shè)計了一種方法來保證數(shù)據(jù)的可靠性。
(1) 建立一條以UDP作為傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)通路，在傳輸時要把壓縮后的視頻流打包，這時不能簡單地采用以視頻幀為打包的單位。因為，第一、某些壓縮的關(guān)鍵幀會很大以致超過了UDP協(xié)議所規(guī)定的最大值；第二、關(guān)鍵幀與非關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)量相差很遠，有可能使數(shù)據(jù)量較小的非關(guān)鍵幀比它前面的數(shù)據(jù)量大的關(guān)鍵幀更早地到達接收方，而導(dǎo)致亂序。因此我們采用將數(shù)據(jù)流劃分成等量的小包，并在包頭標上序號進行順序傳輸，在包頭標序號是為了防止由于UDP本身帶來的傳輸亂序問題。
(2) 建立一條以TCP為傳輸協(xié)議的控制通路，它的作用是反饋一些控制命令給發(fā)送方，以最小限度地防止傳輸中的錯誤。接收方要從數(shù)據(jù)通路得到視頻數(shù)據(jù)流，并把這個數(shù)據(jù)流存儲在一個0.3s～0.8s的緩沖區(qū)中，按照數(shù)據(jù)包頭的編號將數(shù)據(jù)流重構(gòu)出來。如果數(shù)據(jù)包編號出現(xiàn)不連續(xù)，說明發(fā)生了丟包或亂序，則接收方立即通過控制通路發(fā)送要求重發(fā)所丟失的數(shù)據(jù)包的命令。采用TCP作為控制通路的協(xié)議是因為可以保證控制命令的準確性，而且控制命令的數(shù)據(jù)量很小，發(fā)生阻塞的情況不大。
(3) 為了保證傳輸?shù)臅r實性，不能無限制地發(fā)送控制命令，接收方以緩沖區(qū)為限制，當緩沖區(qū)已經(jīng)用完，而仍然存在丟失數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象，則只有丟掉一些數(shù)據(jù)來保證實時性，見圖3。
2 數(shù)據(jù)壓縮
視頻數(shù)據(jù)的壓縮比和質(zhì)量的好壞是Internet視頻傳輸是否成功的前提。為了適應(yīng)現(xiàn)有Internet的傳輸率低、傳輸性能不穩(wěn)定的特點，我們采用國際上比較先進的H.263壓縮標準。H.263是一種中等質(zhì)量的壓縮方法，它不象MPEG等高質(zhì)量的壓縮方法那樣有很高的圖象清晰度。但是，H.263標準有壓縮算法簡單、壓縮快速和壓縮比高等特性，這使得它非常適合象“機器人遠程控制”等要求實時傳輸圖像，但對圖像質(zhì)量的要求不高的情況，見圖4。
為了適應(yīng)Internet的不穩(wěn)定性，需要在原有的壓縮算法上做一些改進。通過傳輸模塊反饋回來的信息，可以得知當前網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，以此來調(diào)整壓縮算法的各個參數(shù)，來獲得最好的幀率和質(zhì)量。其中，一種方法是對幀內(nèi)壓縮方法的改進，另一種方法是對幀間壓縮方法的改進。對幀內(nèi)壓縮方法的改進：主要是通過改變壓縮質(zhì)量的參數(shù)來調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量和壓縮比，見圖5。
對幀間壓縮方法的改進：可以通過改變幀率、關(guān)鍵幀間的距離來調(diào)節(jié)傳輸數(shù)率。改變每秒采集和傳輸?shù)膱D像數(shù)目，可以改變傳輸數(shù)據(jù)的大小，見圖6。
運動壓縮的關(guān)鍵是在于兩幀之間的差別大小。如果圖象只有微小的變化，那么經(jīng)過作差后壓縮效果就好；如果圖像變化很大，那么經(jīng)過作差后壓縮效果就很差。為了充分利用運動壓縮的特點，我們根據(jù)圖像的性質(zhì)來調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀間的距離。在圖像變化不大的情況下，非關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)較少，此時拉長關(guān)鍵幀間的距離可以降低傳輸率；在圖像變化較大的情況下，非關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)較多，此時縮短關(guān)鍵幀間的距離增加運動補償?shù)男Ч?BR>參考文獻
1 Microsoft著，曹 康譯. 使用 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)互連
2 張明德,王永東.視頻會議系統(tǒng)原理與應(yīng)用
3 余崇智等編譯.運動圖像及其伴音的壓縮與編碼.MPEG? 1