趙 娟， 李 鑫

（1.中國地質大學（武漢)信息技術教學實驗中心，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074）

現(xiàn)有CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡的帶寬完全可以滿足經(jīng)過壓縮編碼后的實時視頻數(shù)據(jù)的傳輸[1]，但由于視頻監(jiān)控領域實時性的要求，須采用UDP/IP協(xié)議，它是面向非連接的,不可靠的傳輸服務；同時，CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡自身具有波動性比較大、誤碼率高、傳輸延遲等諸多特點；經(jīng)過傳輸?shù)囊曨l通常會出現(xiàn)延遲大，出現(xiàn)馬賽克等質量問題。因此，有必要對CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡的特性進行有效評估，來指導視頻編碼發(fā)送端視頻流的動態(tài)調節(jié)，從而達到降低丟包率，實現(xiàn)視頻流暢播放的目的。

筆者依據(jù)CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡的諸多特點和參考RTP協(xié)議來制定出評估CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡特性的相關參數(shù)，再經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和論證，得出該網(wǎng)絡的特性。提出了在視頻編碼發(fā)送端進行速率整形以匹配網(wǎng)絡帶寬的策略，并利用TMS320DM365的開發(fā)平臺，對經(jīng)過H.264編碼的視頻流進行了實時傳輸?shù)臏y試。

1 CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡特性參數(shù)分析

相比有線網(wǎng)路，CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡具有一定的特殊性，因此衡量其網(wǎng)絡特性也就相對比較復雜。這里主要依據(jù)RTP（real-time protocol）協(xié)議 RFC3550[2]給出部分參數(shù)，諸如丟包率、時間抖動；同時，從視頻傳輸?shù)慕嵌榷x部分與網(wǎng)絡特性相關的參數(shù)，以下給出解釋。

1）丟包間隔

丟包間隔=當前包序列號 -前一次包的序列號

丟包的間隔用來衡量網(wǎng)絡實時的狀態(tài)，正常情況下丟包間隔應該為1，而丟包間隔越大，也就說明數(shù)據(jù)包丟失的越厲害。

2）數(shù)據(jù)流量

數(shù)據(jù)流量=收到的包個數(shù)/收到的時間間隔

對于數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)計可以說明網(wǎng)絡的帶寬狀況，實時反映了傳輸速率。這里，可以把時間間隔作為恒定參量，來統(tǒng)計收到的數(shù)據(jù)包數(shù)，或者把收到的數(shù)據(jù)包數(shù)作為恒定參量，來統(tǒng)計時間間隔，而該文主要采用了后一種辦法。

對于網(wǎng)絡特性參數(shù)的測試，可以利用依據(jù)RTP協(xié)議編寫的函數(shù)庫jrtplib-3.7.1[3]和jrtpthread-1.2.1[4],該函數(shù)庫具有很好的兼容性，可以在多種操作系統(tǒng)中應用。這里主要將其應用在基于達芬奇架構的TMS320DM365開發(fā)平臺上和VC2008開發(fā)軟件中。

2 CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡測試數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗硬件平臺

客戶端：TMS320DM365開發(fā)平臺+CDMA2000 EVDO模塊(MC8630)

服務器：VC2008開發(fā)軟件和有線網(wǎng)絡

2.2 實驗數(shù)據(jù)測試

測試條件：在同一時間段內進行連續(xù)測量，數(shù)據(jù)流量為每收到100個數(shù)據(jù)包計算一次，時間抖動為每兩個數(shù)據(jù)包計算一次，丟包率為收到數(shù)據(jù)包后每5 s計算一次，數(shù)據(jù)包大小為1 kB。

1)網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計分析，如圖1至圖4所示。其中圖1和圖2是在平均數(shù)據(jù)流量為86.3 kB/s的條件下測試所得，圖3和圖4是在平均數(shù)據(jù)流量為32.6 kB/s的條件下測試所得。

從圖1和圖2可以看出，時間抖動和丟包間隔是同步變化的，而且時間抖動比較劇烈，數(shù)據(jù)包丟失的也較多。

從圖3和圖4可以看出，時間抖動變化比較緩和，丟失的數(shù)據(jù)包也相對較少。

2)網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的整體對比，如表1所示。

從表1中可以看出，網(wǎng)絡傳輸過程中的平均數(shù)據(jù)流量越高，平均時間抖動就越大，平均丟包率也越高。而當平均數(shù)據(jù)流量降至32.6 kB/s時，平均丟包率已經(jīng)降至1%以下。

圖1 時間抖動Fig.1 Time jitter

圖2 丟包間隔Fig.2 The interval of package lost

圖3 時間抖動Fig.3 Time jitter

圖4 丟包間隔Fig.4 The interval of package lost

表1.實驗測量數(shù)據(jù)Tab.1 Test data from experiment

綜合以上實驗數(shù)據(jù)，可以得出如下結論：發(fā)送數(shù)據(jù)速率（即數(shù)據(jù)流量）是決定CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡傳輸特性的關鍵因素。而且，當前網(wǎng)絡帶寬一定的前提下，發(fā)送數(shù)據(jù)速率越高，時間抖動就越大，丟包率就越高；反之亦然。

3 基于TMS320DM 365平臺的速率整形

3.1 TMS320DM 365平臺的硬件編碼特性分析

TMS320DM365是TI的DaVinci系列的雙核處理器，采用DSP進行硬件視頻編碼，將輸入的BT.656格式的視頻流編碼為標準的H.264碼流輸出，該碼流會伴隨著I幀或P幀的產生而出現(xiàn)頻繁的數(shù)據(jù)抖動[5]。而根據(jù)以上實驗總結的CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡的傳輸特性，當這種抖動的碼流直接通過網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r候，一旦瞬時碼流超過網(wǎng)絡所能承受的帶寬，將會面臨很高的丟包率。實驗證明，這種情況下，碼流的丟包會達到60%以上，時間抖動也會超過10000（單位是RTP時間戳單位）。因此，有必要對該碼流進行速率整形，使其平滑后再通過CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡傳輸。

3.2 H.264碼流速率整形參數(shù)分析

TMS320DM365開發(fā)平臺上控制輸出碼流大小的參數(shù)主要有幀率、GOP、圖像質量和圖像格式[6]。其中，對碼流速率整形起著重要作用的參數(shù)是幀率和GOP。幀率，決定著視頻圖像的播放速率。幀率越高，其圖像幀之間的間隔就越小，編碼后的數(shù)據(jù)速率就越大。GOP，是指圖像組，即每組圖像中包含多少個P幀和I幀。這兩個參數(shù)共同決定了編碼后輸出的H.264碼流的數(shù)據(jù)速率和I幀的時間間隔。于是，可以應用這組參數(shù)對需要傳輸?shù)拇a流予以速率整形[7]。

3.3 速率整形的實現(xiàn)過程

該過程如圖5所示，其主要實現(xiàn)兩個部分的功能。

圖5 速率整形過程Fig.5 The procedure of data rate re-shaping

1）發(fā)送時間間隔的初步估計，主要是利用兩個或多個I幀之間的時間間隔除以統(tǒng)計的包數(shù)，得到平均時間來作為發(fā)送的時間間隔。但是，考慮到在不同視頻模式切換的過程中，會產生時間突變，這樣，得到的時間間隔就不夠精確，從而引起發(fā)送數(shù)據(jù)量的突變，使得模式切換時過度不夠平滑。所以，需要進一步修正時間間隔。

2）修正時間間隔主要依賴于發(fā)送緩沖區(qū)中暫存的數(shù)據(jù)量。首先為發(fā)送緩沖區(qū)中的暫存數(shù)據(jù)量設定上下限Min_buf和Max_buf；然后對該數(shù)據(jù)量進行判斷，當數(shù)據(jù)量處于Min_buf和Max_buf之間時，說明發(fā)送數(shù)據(jù)正常，就可以使用初步估計的時間間隔；當數(shù)據(jù)量低于下限Min_buf時，說明發(fā)送數(shù)據(jù)的速率過快，就需要將初步估計的時間延時，以降低發(fā)送速率，從而使緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)量恢復到正常范圍，反之，當數(shù)據(jù)量高于上限Max_buf時，則需要縮短初步估計的時間。

3.4 速率整形結果測試和分析

經(jīng)過初步速率整形之后，對視頻編碼發(fā)送端的數(shù)據(jù)速率進行測試。

測試條件為：圖像格式 CIF，幀率 15 f/s，GOP=15，圖像質量為A。

測試結果如圖6所示。

圖6 發(fā)送端數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計Fig.6 The data stream statistics from sender

從中可以發(fā)現(xiàn)，該速率基本維持在55 kB/s左右，但同時也發(fā)現(xiàn)，每8個數(shù)據(jù)流間隔之間就會出現(xiàn)一個速率在100 kB/s左右的數(shù)據(jù)流，這是一個非常嚴重的問題。此后，經(jīng)過大量的實驗測試和分析，針對TMS320DM365開發(fā)平臺來說，這個抖動的數(shù)據(jù)流是伴隨著幀率和GOP這兩個參數(shù)的變化而變化的。于是，為了獲得更加平滑的數(shù)據(jù)速率，就需要對該數(shù)據(jù)進行再次整形。

3.5 二次速率整形及緩沖區(qū)調節(jié)

針對初次速率整形中所產生的問題，筆者通過對視頻編碼后的碼流進行分析，查找出抖動視頻流發(fā)生的規(guī)律，并以此作為計算初步發(fā)送時間間隔的邊界，這樣，就可以將之前平穩(wěn)的碼流與其中抖動的碼流一起再次進行整形。但是，速率得到整形的同時，數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)就需要進一步進行細分以滿足數(shù)據(jù)突變時更多不同的情況。緩沖區(qū)調整算法如圖7所示。則以最快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，防止系統(tǒng)崩潰。

3.6 二次整形后實驗小結

經(jīng)過第二次速率整形以及發(fā)送緩沖區(qū)優(yōu)化后，再對視頻編碼發(fā)送端的數(shù)據(jù)速率進行測試。實驗結果表明：數(shù)據(jù)流量已基本穩(wěn)定在60 kB/s(測試條件與3.3節(jié)相同)。這說明抖動的視頻流也得到了一個有效的平滑緩沖。此外，經(jīng)過服務器端的測試，當發(fā)送的碼流在CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡帶寬范圍內時，數(shù)據(jù)的丟包率降低到10%以下，時間抖動也基本能穩(wěn)定在5 000（單位是RTP時間戳單位）以下，更重要的是，通過該網(wǎng)絡實時傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)比較流暢的播放。

4 結論

圖7 緩沖區(qū)調整算法Fig.7 The tuning algorithm for buffe

該算法中先根據(jù)幾個I幀 （其中包括數(shù)據(jù)流抖動的I幀）進行統(tǒng)計，計算出理論發(fā)送數(shù)據(jù)的速率Ns以及這段時間編碼所產生的數(shù)據(jù)包數(shù)N，隨后利用緩沖區(qū)未發(fā)送數(shù)據(jù)的包數(shù)n與N的比值來將緩沖區(qū)分為6個小部分，每個部分對應一個統(tǒng)計得出的乘積系數(shù)kn,最后就可以利用kn計算出實際發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。這6個小部分，可以這樣劃分：部分Ⅰ表示以正常的速率發(fā)送數(shù)據(jù)；部分Ⅱ表示當緩沖區(qū)里是數(shù)據(jù)累計較多時，以一定的比例加速發(fā)送數(shù)據(jù)；部分Ⅲ表示當編碼完成時，瞬時產生的大量數(shù)據(jù)包累積在緩沖區(qū)時，以比Ⅱ更快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)；部分Ⅳ和部分Ⅴ處理的是在進行視頻模式向高碼率切換時，會產生大量的數(shù)據(jù)包，這時發(fā)送數(shù)據(jù)的速率需要更加快速；最后的部分Ⅵ是當有異常產生時，緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)包會超過理論單次編碼生成數(shù)據(jù)包的2倍以上，

在現(xiàn)有的CDMA2000 EVDO網(wǎng)絡中，采用速率整形的方法來傳輸經(jīng)過H.264編碼壓縮的實時視頻數(shù)據(jù)，可以有效提高視頻的質量，減小視頻信號的時延，減弱視頻中的馬賽克現(xiàn)象[8]。但是，考慮一點，經(jīng)過硬件編碼器編碼的視頻流，其碼流量是一定的，而這種碼流整形的方法只能是將抖動的碼流變得更加均勻，更適合于無線網(wǎng)絡傳輸，其并沒有有效的降低碼流。所以，在網(wǎng)絡狀況一旦變得比較差的情況下，即使經(jīng)過平滑的碼流也同樣面臨著丟包率很高的危險，從而導致視頻質量降低。因此，更好的解決方法就是通過對3G無線網(wǎng)絡的動態(tài)評估和監(jiān)測，來實時調整視頻編碼參數(shù)而有效地降低碼流，保證平穩(wěn)的碼流能夠適應網(wǎng)絡帶寬的變化，以達到更加理想的效果。

[1]田霞.基于3G網(wǎng)絡的新型無線監(jiān)控系統(tǒng) [J].價值工程,2010,29(36):154-155.TIAN Xia.The new wirelessmonitoring system based on 3G network[J].Value Engineering,2010,29(36):154-155.

[2]Schulzrinne H，Casner S,Frederick R,et al.RTP:A Transport Protocol for Real-Time Applications[S].RFC3550.[S.l.]2003.

[3]Jori Liesenborgs.JRTPLIB 3.4.0[EB/OL].[2006-1-19].http:w ww.edm.uhasselt.be/

[4]Jori Liesenborgs.JThreadmanual(v1.2.1)[EB/OL].[2006-06-20].http://www.edm.uhasselt.be/

[5]Sejal Barot,Karimulla Shaik,Naveen Srinivasamurthy,Yashwant Dutt.Application Parameter Settings for TMS320D M365 H.264 Encoder[EB/OL].[2010-5-20].http:/www.ti.com/apps/docs/mrktgenpage.tsp contentId=54260&app Id=79.

[6]DM365-DVRReference Design User Guide Document Version1.1[EB/OL].[2009-8-21].http://www.ti.com/tool/dvrrd.

[7]盛先剛.基于RTP的H.264視頻傳輸系統(tǒng)研究 [D].西安:西安電子科技大學,2006.

[8]朱孟祥,唐普英,黃自立,等.基于DSP和FPGA的多通道CMOS圖像監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設計工程,2011,19(14):178-180.ZHU Meng-xiang,TANG Pu-ying,HUANG Zi-li,et al.Monitoring system ofmultiple video channels based on DSP and FPGA[J].Electronic Design Engineering,2011,19(14):178-180.