摘 要:當前廣泛使用的IP網(wǎng)絡是根據(jù)“盡最大努力交付”(best-effort)機制構建的。基于實時圖像傳輸系統(tǒng)中對IP技術的需求不斷增加，本文從聯(lián)合設計編解碼器和傳輸協(xié)議的角度出發(fā)，根據(jù)IP網(wǎng)絡的實際情況，提出一種由自適應編解碼器、傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡編碼器接口構建基于IP網(wǎng)絡的實時圖像傳輸系統(tǒng)的方案。

關鍵詞:QoS 聯(lián)合信源/信道傳輸 帶寬 擁塞控制 錯誤機制

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0029-01

IP網(wǎng)絡上各種業(yè)務量隨著IP網(wǎng)絡的不斷建設而迅速增加，如數(shù)據(jù)、圖像、指顯、氣象資料等等，尤其是實時圖像傳輸?shù)榷嗝襟w業(yè)務的增加，使得IP網(wǎng)也由以前單一的數(shù)據(jù)傳輸服務網(wǎng)絡變成了多業(yè)務的綜合性網(wǎng)絡，而當前廣泛使用的IP網(wǎng)絡是根據(jù)“盡最大努力交付”機制構建的。由于網(wǎng)絡的流量并非在所在時刻都均勻分布，因此在網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，設備會延遲數(shù)據(jù)包的發(fā)送或者直接將數(shù)據(jù)包丟棄來緩解擁塞。因而存在傳輸信道不可靠、帶寬波動大、傳輸數(shù)據(jù)易丟失、以及會引入無法預測的延時和抖動等問題，故很難滿足實時圖像傳輸所需的各種Qos要求。盡管如此，基于IP網(wǎng)絡的實時圖像傳輸需求仍在不斷增加，而網(wǎng)絡的帶寬又是有限的資源，這就必然導致服務靈活性和帶寬利用率之間的兩難。

為了保證實況圖像能更好，更安全，更流暢地實時傳送到監(jiān)控中心，本文從聯(lián)合設計編碼器和傳輸協(xié)議的角度出發(fā)，提出一種由自適應編解碼器、傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡編碼器接口構建的系統(tǒng)，采用基于源的速率控制技術解決IP網(wǎng)絡存在的問題。

1 系統(tǒng)設計

為了采用聯(lián)合設計信源/信道編碼思想構建系統(tǒng)。我們需要考慮兩個問題1)理解信道的屬性，為通過它的編碼和傳輸信息設計出高效的算法;2)設計一個網(wǎng)絡與編碼器接口，以估計和跟蹤信道狀態(tài)的波動，并通過有效的方法把這些信息發(fā)給編碼器。

2 帶寬估計

IP正在成為下一代網(wǎng)絡平臺的基石，基于TDM技術的話音網(wǎng)絡開始了向集話音、數(shù)據(jù)、圖像和多媒體業(yè)務于一體的基于IP分組交換網(wǎng)絡演進的進程。各種業(yè)務融合到一個全IP平臺的好處決不僅僅是大幅度降低網(wǎng)絡成本，它還可最快捷和便利地生成新業(yè)務并推動社會的信息化進程，提供人們所能想象到的靈活性，提供面向現(xiàn)在和未來的開放式接口。以IP技術為核心的寬帶系統(tǒng)解決方案將是城域網(wǎng)建設的最佳選擇。在IP網(wǎng)絡的實時圖像傳輸中，為了充分利用可用的帶寬資源，必須隨時跟蹤當前可用的網(wǎng)絡帶寬，做出正確的估計，然后再通過碼率控制，使輸出碼流在滿足帶寬限制的條件下達到某種評估指標的最優(yōu)。

由于IP網(wǎng)絡的TCP協(xié)議不能滿足實時圖像傳輸對延遲的要求，所以在實時圖像數(shù)據(jù)傳輸時通常采用UDP協(xié)議。在UDP協(xié)議之上可以通過RTP和RTCP實現(xiàn)反饋擁塞控制。通過RTP可以給圖像數(shù)據(jù)包加上序號，從而便于接收端統(tǒng)計當前網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)包的丟失情況，并每隔一定的時間間隔將數(shù)據(jù)包的丟失率L反饋給發(fā)送端，發(fā)送端可以根據(jù)L調整對當前網(wǎng)絡可用帶寬的估計，算法如下:

其中△R和(可取0.5)的數(shù)值可預先設定，這樣在網(wǎng)絡傳輸情況良好時，R容許逐漸增大，以充分利用網(wǎng)絡帶寬，而在網(wǎng)絡擁塞嚴重時，急劇下調R容許，以及時避免網(wǎng)絡過度擁塞。顯然，在R容許初始值較小和實際可用的網(wǎng)絡帶寬較大時，上面的算法需要較長的時間才能準確調整R容許，為此，可對上面的算法進行改進，設置多個閥值L閥值1

，這樣可將算法調整為:

調整后的算法可以更快地跟蹤當前網(wǎng)絡可用帶寬的變化，從而提高帶寬利用率，以確保實時圖像的傳輸順暢。

3 擁塞控制和錯誤控制

對于IP網(wǎng)絡而言擁塞控制和錯誤控制是保證網(wǎng)絡高效工作的最重要的兩個部件。擁塞控制用于減少分組丟失和分組延遲;錯誤控制用于在發(fā)生分組丟失時盡可能的提高圖像傳輸?shù)馁|量。在實時圖像傳輸系統(tǒng)中一般用速率控制作為擁塞控制策略。而在錯誤控制方面，我們使用聯(lián)合源/信道編碼。

3.1 擁塞控制(congestion control)

基于源端的擁塞控制必須包括速率自適應編碼、基于源的速率控制和速率整形。

(1)速率自適應編碼

我們使用基于X樹的小波可分級圖像編碼。根據(jù)編碼器/網(wǎng)絡接口反饋的信道信息通過改變量化參數(shù)、圖像發(fā)送視頻幀速或者把高頻率系數(shù)設為零等方法調整源端的輸出碼率。

(2)基于源的速率控制

這是一種通過估計網(wǎng)絡有效帶寬來決定圖像發(fā)送速率以避免網(wǎng)絡擁塞的技術，在此采用“幀速率和編碼速率聯(lián)合控制”方法。由于解碼圖像的質量、編碼速率和編碼參數(shù)之間的關系非常復雜，難以對其進行準確的描述，只能在速率－失真(R－D)特性分析的基礎上，盡可能提高傳輸圖像的質量，也就是通過對R－D特性的研究，找出在給定輸出比特率下，通過調整編碼參數(shù)優(yōu)化解碼圖像質量的途徑。由于速率一失真關系描述了在一階嫡編碼意義上失真和最小編碼比特率之間的關系，而失真又取決于量化步長，因此，最優(yōu)編碼器的輸出碼率與量化步長間存在著某種函數(shù)關系。

3.2 錯誤控制

一種在發(fā)生分組丟失時增加實時圖像質量的技術。本文采用聯(lián)合源/信道編碼方案以增加系統(tǒng)的魯棒性。理由如下:

(1)對于一個傳輸?shù)膱D像來說，源編碼率R越低，圖像的失真度D就越高。

(2)假設總速率是固定的，且丟失率不變的情況下，源編碼速率R越高，信道編碼冗余率R’就越低，那么網(wǎng)絡所導致的圖像幀丟失的概率Pc就越高，失真度D也就越高;

綜合上述兩點，我們可以發(fā)現(xiàn)在已定的總速率下，存在一個最佳源編碼速率Ro，使得失真度Do最小。我們的目標就是找到最佳點(Ro，Do)，并設計出信源/信道編碼方案，即在源編碼和信道編碼之間獲得一個最佳的速率分配。

4 結語

隨著數(shù)字電路處理速度的進步和集成度的提高已經導致數(shù)字通信的快速普及。特別是，由于數(shù)字技術在可靠傳輸和高效存儲上進步以及超大規(guī)模集成電路技術導致生產成本降低等的推動，圖像和視頻的數(shù)字傳輸已經變得越來越流行。同時基于IP網(wǎng)絡的實時圖像傳輸系統(tǒng)具有實時性、連續(xù)性和同步性等特點，能廣泛應用于軍事、網(wǎng)絡點播、網(wǎng)上醫(yī)療和遠程教學等多個方面，所以IP網(wǎng)絡的廣泛應用已經成為多媒體通信實時傳輸領域研究的新熱點。本文就是結合實際情況對基于IP網(wǎng)絡的實時圖像傳輸系統(tǒng)進行初步的探討。

參考文獻

[1] 王潤生.圖像理解.國防科技大學出版社，1995.

[2] 黃科軍，郎波.網(wǎng)絡教學討論區(qū)的構建.青島師范大學學報.2002.3.

[3] Douglas E.Comer.“用TCP/IP進行網(wǎng)際互聯(lián)，第一卷:原來、協(xié)議與結構”第四版.

[4]C.E.Shannon.“A Mathematical Theory of Communication.”Bell Syst.Tech.27.1984.