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)延時與流暢性。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示，隨著監(jiān)視時間的增加，優(yōu)化后系統(tǒng)時延基本穩(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)時數(shù)據(jù)處理；視頻播放的流暢性

隨著自動化技術(shù)和軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)對于自動化技術(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；同時由于“911”事件的影響，世界對于安全的注重超過以往任何時候，安全防護(hù)成了各項(xiàng)活動的重中之重。在工業(yè)中，儀器設(shè)備的正常運(yùn)行對工廠
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，對于監(jiān)視的實(shí)時性以及準(zhǔn)確性的要求不言而喻。基于此，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。因此對監(jiān)視視頻質(zhì)量的優(yōu)化策略研究直接影響整個視頻監(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)時性主要由監(jiān)視終端視頻處理性能決定。實(shí)時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)時性要求數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中幾乎不進(jìn)行緩存。而對于視頻流暢性，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關(guān)系決定，當(dāng)解碼、顯示速率比視頻流接收速率高時，解碼、顯示會阻塞等待視頻接收，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，由于視頻數(shù)據(jù)累積，會造成接收緩沖區(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)時性能，必須提高視頻終端的處理性能。而同時由于實(shí)時性和流暢性存在矛盾：實(shí)時性要求監(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)生累積時延。同時必須對網(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流媒體數(shù)據(jù)的處理速度、降低時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，并且解碼數(shù)據(jù)分別存在于緩沖區(qū)中的2個部分，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。