王迤冉,申秋慧

視頻和音頻是常用監(jiān)控系統(tǒng)的主要信息資源.相比音頻而言,在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,服務(wù)的對(duì)象主要還是視頻,但是它在信息處理過程中,常常需要更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理時(shí)間.在網(wǎng)絡(luò)傳輸和處理過程中,視頻由于編解碼的處理方式和數(shù)據(jù)源的不同,它在編解碼的時(shí)間占用、錯(cuò)誤的忍耐度和帶寬的頻率上會(huì)出現(xiàn)很大的變化.在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,對(duì)視頻服務(wù)質(zhì)量要求比較高.服務(wù)質(zhì)量除了包含視頻流的質(zhì)量外,還需要網(wǎng)絡(luò)提供的資源預(yù)留和實(shí)時(shí)處理機(jī)制.目前通用操作系統(tǒng)雖然具有實(shí)時(shí)調(diào)度能力,但并不提供高質(zhì)量的視頻服務(wù)質(zhì)量保證.因此,需要設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足視頻流應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量的擴(kuò)展系統(tǒng).

1 相關(guān)研究

隨著全球恐怖分子的猖獗,各國都在加強(qiáng)安全防范措施.視頻監(jiān)控在機(jī)場、車站等公共場所使用更加普遍.面對(duì)各種復(fù)雜的場合和條件,客戶對(duì)視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求變得越來越高.網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和客戶之間以及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上相互通信的客戶之間對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)傳輸與共享的一些規(guī)定.通常QoS提供“盡力而為服務(wù)模型”、“綜合服務(wù)模型”、“區(qū)分服務(wù)模型”三種服務(wù)模型.QoS的關(guān)鍵指標(biāo)主要包括可用性、吞吐量、時(shí)延、時(shí)延變化和丟失.QoS通過給定的虛擬連接描述網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量性能參數(shù)[1].這些參數(shù)包括:CTD、CDV、CER、CLR、CMR和SECBR、ALLservice Classes、Qos Classes等.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)部分大都采用基于QoS的分布式服務(wù)質(zhì)量,并進(jìn)行智能模塊化.由于監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)連接與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)完全不同,所以大多數(shù)的分布式視頻監(jiān)控采用的是比較全面的服務(wù)質(zhì)量結(jié)構(gòu)和全新的操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.這些監(jiān)控設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,費(fèi)用高.

本文對(duì)傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行擴(kuò)展,使得在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上能夠直接運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng).同時(shí),對(duì)傳統(tǒng)的CPU實(shí)時(shí)調(diào)度算法EDF和RM[2,3]進(jìn)行改進(jìn).資源管理系統(tǒng)能夠根據(jù)各個(gè)任務(wù)的類型和QoS參數(shù),按照一定的歸類算法選擇使用.在Windows XP上具體實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng).筆者開發(fā)的系統(tǒng),使用更加方便,費(fèi)用比較低廉.在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素包括訪問速度、CPU資源利用率、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、自適應(yīng)性和實(shí)用性等因素.

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,系統(tǒng)由多媒體工作站、多媒體個(gè)人計(jì)算機(jī)、ATM網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)以及網(wǎng)關(guān)等組成.工作站中系統(tǒng)架構(gòu)分為應(yīng)用層、系統(tǒng)層和網(wǎng)絡(luò)層.網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)從底層接收發(fā)來的視頻信號(hào),并上傳到系統(tǒng)層.系統(tǒng)層一方面對(duì)底層傳入的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,按照要求傳給應(yīng)用層;另一方面還要對(duì)本機(jī)的資源進(jìn)行管理和控制,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行.系統(tǒng)層包括各種操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)與上層用戶之間進(jìn)行交互,對(duì)用戶發(fā)來的指令進(jìn)行解釋并執(zhí)行.多媒體工作站之間通過端到端QoS保證,來提高視頻傳輸質(zhì)量.由于系統(tǒng)架構(gòu)分層,QoS相應(yīng)地也可以分為應(yīng)用QoS、系統(tǒng)QoS和網(wǎng)絡(luò)QoS.每種服務(wù)質(zhì)量可以采用不同的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)機(jī)制.每一層都需要引入相應(yīng)的QoS參數(shù)來描述該層的服務(wù).應(yīng)用QoS是與特定的應(yīng)用相關(guān)的,這些應(yīng)用大致可分為實(shí)時(shí)周期性任務(wù)、實(shí)時(shí)非周期性任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)等.對(duì)于視頻監(jiān)控而言,它主要是一種實(shí)時(shí)周期性應(yīng)用,它的QoS參數(shù)包括記錄速率、壓縮模式、最大端到端延遲等.系統(tǒng)QoS參數(shù)包括顯示系統(tǒng)參數(shù)、數(shù)據(jù)流性能參數(shù)、CPU控制參數(shù)和代價(jià)描述參數(shù),可以定量或定性的方式描述.網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)通常用負(fù)載和性能的形式來描述,包括最大傳輸單元、令牌桶速率、最大網(wǎng)絡(luò)端到端延遲、延遲抖動(dòng)、丟失敏感度等.

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖

3 CPU資源管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)資源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示.資源結(jié)構(gòu)包括各種控制器、監(jiān)測器、資源管理器等內(nèi)容.中央處理器是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中最重要的資源,它不但要處理本機(jī)系統(tǒng)的各種實(shí)時(shí)任務(wù),還要進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的編碼、解碼、發(fā)送和接收.

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,CPU處理器主要負(fù)責(zé)的是實(shí)時(shí)周期性任務(wù)[4].它要根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)選擇合適的調(diào)度算法,在操作系統(tǒng)分配的時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行任務(wù).該系統(tǒng)既具有實(shí)時(shí)性,也具有分時(shí)性.因?yàn)橛袑?shí)時(shí)性,所以每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行不能超過系統(tǒng)分配給它的時(shí)間片,在最終截止時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)或者任務(wù)的一部分.實(shí)時(shí)調(diào)度算法非常重要,它的好壞直接影響著監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量.當(dāng)一個(gè)新的實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)過來時(shí),系統(tǒng)立即根據(jù)實(shí)際情況選擇一個(gè)合適的調(diào)度算法,按照要求把CPU分配給該任務(wù).為了研究方便,對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的終端做兩點(diǎn)假設(shè),一是內(nèi)存資源完全滿足系統(tǒng)要求,二是系統(tǒng)是單處理器.

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)資源結(jié)構(gòu)圖

3.1 CPU調(diào)度算法設(shè)計(jì)

目前,視頻監(jiān)控系統(tǒng)中傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法是最早截止時(shí)間優(yōu)先算法(Earliest Deadline First,簡稱EDF)和單調(diào)速率算法(Rate-Monotonic Algorithm,簡稱 RM).這兩種算法在具體應(yīng)用過程中,效率不高,運(yùn)行效果不好,需要進(jìn)行改進(jìn).

3.1.1 分時(shí)EDF算法

EDF算法是根據(jù)實(shí)時(shí)任務(wù)的開始截止時(shí)間來確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí).截止時(shí)間愈早,其優(yōu)先級(jí)愈高.針對(duì)EDF算法進(jìn)一步研究,筆者提出一種TSEDF算法(Timesharing EDF),即分時(shí)EDF算法.TSEDF算法中,規(guī)定實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的時(shí)刻為調(diào)度點(diǎn),CPU在分時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間片為d,則任意兩個(gè)相鄰調(diào)度點(diǎn)的最大間隔不會(huì)超過d,從而易于在分時(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn).設(shè)ci表示實(shí)時(shí)任務(wù)在其周期內(nèi)最長執(zhí)行時(shí)間,pi表示任務(wù)的周期,任務(wù)的截止時(shí)間為下一周期起始時(shí)刻,則采用TSEDF算法實(shí)時(shí)任務(wù)類可調(diào)度的充分必要條件為:

3.1.2 綜合RM算法

RM算法是一種靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法,主要適用于可搶占的周期性實(shí)時(shí)任務(wù).在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,每當(dāng)任務(wù)到來時(shí),系統(tǒng)根據(jù)其周期長短進(jìn)行排序并分配固定優(yōu)先級(jí).采用RM算法,系統(tǒng)有時(shí)執(zhí)行的任務(wù)不是最為緊迫的,而且在強(qiáng)負(fù)載的情況下,往往不具有最好的性能.結(jié)合實(shí)時(shí)任務(wù)的周期和運(yùn)行時(shí)間,本文對(duì)RM算法的優(yōu)先級(jí)重新進(jìn)行定義,提出了SRM算法(Synthesis RM),即綜合RM算法[5].該改進(jìn)算法把實(shí)時(shí)任務(wù)的緊迫程度和運(yùn)行時(shí)間也考慮在內(nèi),結(jié)合運(yùn)行周期,綜合考慮其優(yōu)先級(jí).設(shè)任務(wù)τi的運(yùn)行周期為Ti,運(yùn)行時(shí)間為Ei,緊迫程度為Ui,定義任務(wù)τi的優(yōu)先級(jí)Pi為:Pi=Pi(τi,Ti,Ei,Ui)=Wt/Ti+WeEi+WuUi,其中Wt、We和Wu分別代表任務(wù)的周期、運(yùn)行時(shí)間和緊迫程度的權(quán)值.Wt＞W(wǎng)u＞W(wǎng)e,且Wt+Wu+We=1.如果Pi越大,任務(wù)τi的優(yōu)先級(jí)越高.對(duì)于SRM算法,其可調(diào)度性判定如下所示:

設(shè)S={t1,t2,…,tn}為一個(gè)含有n個(gè)周期性任務(wù)的集合,集合中的任務(wù)用ti=(Ti,Ci)(i=1,…,n)來表示,其中,Ti表示ti的周期,Ci表示ti的最壞執(zhí)行時(shí)間,定義Wi(t)為該任務(wù)的前i個(gè)任務(wù)在[0,t]之間對(duì)CPU的累計(jì)需求量,其中0時(shí)刻是臨界時(shí)刻.

則SRM算法可調(diào)度的充要條件是:

(1)實(shí)時(shí)任務(wù)ti在SRM算法下能夠調(diào)度,當(dāng)且僅當(dāng)Li≤1.

(2)任務(wù)集S在SRM算法下能夠調(diào)度,當(dāng)且僅當(dāng)L≤1.

在傳統(tǒng)的RM算法中,CPU利用率的上限為ln(2),大概為69.3%,SRM算法中可以達(dá)到90%以上,這說明SRM算法要比傳統(tǒng)RM算法要好得多.

3.2 CPU資源管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 基于QoS的CPU資源管理

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,無論是前端采集、后端主控,還是視頻分析、網(wǎng)絡(luò)傳輸,都需要CPU進(jìn)行處理.由于視頻數(shù)據(jù)的采集、傳導(dǎo)具有偶發(fā)性,所以監(jiān)控系統(tǒng)中無法確定實(shí)時(shí)任務(wù)所需的CPU處理時(shí)間.實(shí)時(shí)系統(tǒng)采用的調(diào)度算法不同,數(shù)據(jù)的處理過程也會(huì)大不一樣,處理時(shí)間則更不好預(yù)測.系統(tǒng)對(duì)不同的視頻數(shù)據(jù),需要采用不同的處理方法.對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)任務(wù),其周期性較好,變化小,只要預(yù)留峰值處理時(shí)間即可.而對(duì)于不規(guī)律的實(shí)時(shí)任務(wù),時(shí)常有突發(fā)性處理要求,而且截止時(shí)間要求比較急,這不僅要為峰值處理預(yù)留時(shí)間,而且也要預(yù)留部分時(shí)間為突發(fā)性任務(wù)的運(yùn)行提供保障.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,CPU時(shí)間按照任務(wù)處理的不同,可以分為實(shí)時(shí)部分、分時(shí)和過載部分.它們分別有相應(yīng)的調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度.實(shí)時(shí)部分是為周期性的實(shí)時(shí)任務(wù)而分配的時(shí)間,過載部分則是留給超時(shí)的實(shí)時(shí)任務(wù)或者突發(fā)性的實(shí)時(shí)任務(wù),分時(shí)部分則是把時(shí)間留給非實(shí)時(shí)任務(wù)或者本機(jī)系統(tǒng)的一些任務(wù).

由于EDF和RM算法各有優(yōu)缺點(diǎn),在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中如果混合使用,則會(huì)達(dá)到較好的調(diào)度效果.當(dāng)新的任務(wù)集到來時(shí),資源管理系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)任務(wù)的類型和相應(yīng)的QoS參數(shù),按照一定的歸類算法選擇TSEDF算法或者SRM算法進(jìn)行調(diào)度.筆者提出一種歸類HS調(diào)度算法(Hybrid scheduling),即混合調(diào)度,完成實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度.

3.2.2 HS調(diào)度

新任務(wù)到來時(shí),視頻資源管理系統(tǒng)先獲取該任務(wù)的最遲截止時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間,與當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)相比較.如果最遲截止時(shí)間大于當(dāng)前任務(wù),則把該任務(wù)放入就緒隊(duì)列中,等待下一步調(diào)度,否則采用搶占式EDF算法調(diào)度,保證按時(shí)完成任務(wù).處于就緒隊(duì)列中的任務(wù),資源管理器按照其周期性進(jìn)行分類.如果是實(shí)時(shí)性周期性任務(wù),則采用SRM算法進(jìn)行調(diào)度;如果是實(shí)時(shí)性非周期性任務(wù),則采用EDF算法;如果是非實(shí)時(shí)任務(wù),可以采用TSEDF算法進(jìn)行.算法流程如下:

圖3 HS算法流程圖

3.3 CPU資源管理器實(shí)現(xiàn)

在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是本文的目標(biāo).依據(jù)常見的操作系統(tǒng)Windows XP,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)CPU資源管理類.對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)任務(wù)要符合:1)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以搶占低優(yōu)先級(jí)的任務(wù);2)所有的任務(wù)都具有無關(guān)性,不存在先后次序的制約;3)任務(wù)集合的大部分都是周期性任務(wù).Windows XP是一個(gè)搶占式的多任務(wù)系統(tǒng),執(zhí)行的實(shí)時(shí)任務(wù)符合條件.另外,Windows XP功能強(qiáng)大,性能穩(wěn)定.同時(shí),Windows XP也提供了強(qiáng)大的用戶程序接口,通過Windows編程實(shí)現(xiàn)各種功能.這對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有利的條件.監(jiān)控系統(tǒng)中內(nèi)核的擴(kuò)充部分是在目態(tài)下進(jìn)行的,不改變操作系統(tǒng)的原有結(jié)構(gòu),對(duì)Windows XP系統(tǒng)的穩(wěn)定性不造成任何影響.

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中CPU資源管理類CPU Management的功能結(jié)構(gòu)[6]設(shè)計(jì)如圖4所示:

圖4 資源管理類功能結(jié)構(gòu)圖

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,由視頻數(shù)據(jù)形成的視頻流在CPU Management中,要經(jīng)過檢測、預(yù)留和執(zhí)行三個(gè)階段來完成.視頻流任務(wù)首先進(jìn)入的是檢測階段.該階段根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的三個(gè)層次,進(jìn)行各自的QoS測試,計(jì)算請(qǐng)求任務(wù)的各種參數(shù),然后根據(jù)參數(shù)比對(duì),進(jìn)行條件判斷是否接受該任務(wù).如果參數(shù)符合任務(wù)執(zhí)行的條件,則接受該視頻流任務(wù),則進(jìn)入第二階段,否則該任務(wù)進(jìn)入本機(jī)任務(wù)運(yùn)行處理狀態(tài)或者被拒絕執(zhí)行.這里任務(wù)的調(diào)度,無論使用何種算法,都要進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行條件的判定,符合判定條件,才能接收.第二階段是預(yù)留階段.根據(jù)第一階段獲得的規(guī)格參數(shù),進(jìn)行設(shè)置CPU時(shí)間分配.當(dāng)然,這里時(shí)間的分配只是根據(jù)任務(wù)申請(qǐng)的時(shí)間和第一階段的預(yù)測分析進(jìn)行估計(jì)給出的,與實(shí)際運(yùn)行時(shí)間有偏差.第三階段是執(zhí)行階段,視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)QoS控制和CPU管理機(jī)制來運(yùn)行所接受的任務(wù),根據(jù)其實(shí)時(shí)性和周期性,分別采用TSEDF算法、SRM算法或者常規(guī)的EDF算法進(jìn)行調(diào)度.在采用調(diào)度算法執(zhí)行的同時(shí),對(duì)每一個(gè)任務(wù)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行性能監(jiān)控.如果有新的實(shí)時(shí)任務(wù)過來,則采用HS調(diào)度算法,進(jìn)行重新分配CPU.如果一段時(shí)間的CPU使用情況與系統(tǒng)QoS當(dāng)前的參數(shù)不相符合,則調(diào)整該任務(wù)的參數(shù).如果偏差嚴(yán)重,則重新進(jìn)行評(píng)估調(diào)度,甚至停止執(zhí)行,放入就緒隊(duì)列中等待下一次調(diào)度[7].

4 性能測試

筆者用4段視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)中CPU資源管理的應(yīng)用性能進(jìn)行評(píng)價(jià).性能評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)用戶請(qǐng)求的滿足程度,包括響應(yīng)時(shí)間,視頻的分辨率、幀率,圖形的抖動(dòng)和延遲,CPU利用率等.試驗(yàn)分別在INTEL Pentium 4和Celeron II的單CPU機(jī)器上進(jìn)行.

(1)沒有啟動(dòng)CPU資源管理器

在Pentium 4上,僅運(yùn)行2段視頻時(shí),解碼正常.加入第3段后,所有視頻播放速度緩慢.加最后一段視頻時(shí),CPU占用率保持在100%,丟幀現(xiàn)象嚴(yán)重,視頻看不清楚.關(guān)閉第4段視頻后,打開WPS辦公軟件,能正常運(yùn)行.關(guān)閉第3段視頻,能正常播放酷我音頻軟件.

在Celeron II上時(shí)得到的情形和上面類似.

(2)啟動(dòng)CPU資源管理器

在Pentium 4上啟動(dòng)CPU資源管理器,加入前3段視頻,播放流暢,CPU的占用率為60%.加入第4段視頻時(shí),CPU占用率為80%,播放正常.打開 WPS辦公軟件,能正常運(yùn)行.再打開酷我音頻軟件,CPU占用率為100%,視頻有少量丟幀現(xiàn)象,音頻軟件播放有卡殼現(xiàn)象.

有Celeron II上啟動(dòng)CPU資源管理器,加入前2段視頻,播放流暢,CPU的占用率為65%.加入第3段視頻時(shí),CPU占用率為85%,播放正常.加入第4段視頻,播放較為慢速,有少量失真現(xiàn)象.打開 WPS辦公軟件,運(yùn)行速度慢,響應(yīng)時(shí)間長.無法打開酷我音頻軟件.關(guān)閉WPS辦公軟件,可以打開酷我軟件,這時(shí)CPU占用率為100%,但音頻軟件能夠正常運(yùn)行.

5 結(jié)束語

筆者在分析通用操作系統(tǒng)對(duì)視頻流應(yīng)用支持和功能局限性的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了有QoS保證的CPU資源管理,提出了TSEDF和SRM、以及HS等調(diào)度算法,從而在不改變操作系統(tǒng)內(nèi)核的前提下實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)視頻流應(yīng)用的功能擴(kuò)展.通過測試,該設(shè)計(jì)方案提高了操作系統(tǒng)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中CPU資源管理功能.在處理視頻流任務(wù)時(shí),CPU利用率超過90%.該方案仍有改進(jìn)之處,下一步準(zhǔn)備結(jié)合視頻編碼來進(jìn)一步增強(qiáng)視頻流應(yīng)用系統(tǒng)的功能.

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