王晨，顏金堯，蔡洋

（中國傳媒大學(xué)媒體融合與傳播國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

1 引言

1.1 研究背景及意義

對(duì)于超高清（4K、8K）專業(yè)媒體流信號(hào)域的實(shí)時(shí)制作播出，傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)局限性大，傳輸速率較低，需要的電纜數(shù)量多且維護(hù)成本高，一根電纜僅可承載一路SDI；SDI信號(hào)傳輸距離有限；可替代性弱。不同于發(fā)展緩慢、成本較高的SDI 技術(shù)，以太網(wǎng)帶寬和交換能力發(fā)展迅速，目前已經(jīng)發(fā)展到400Gbps 以上，具有傳輸速度快、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低、兼容性強(qiáng)、覆蓋范圍大、管理便捷、充分利用IP 網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[1]。

因而廣電制播系統(tǒng)的采集、制作、播出等從傳統(tǒng)的SDI 架構(gòu)逐漸向全I(xiàn)P 化架構(gòu)遷移。為促進(jìn)IP 技術(shù)在實(shí)時(shí)視音頻領(lǐng)域的應(yīng)用，目前行業(yè)內(nèi)基本達(dá)成共識(shí)采用SMPTE 2019 年發(fā)布的ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)系列。ST 2110 系列標(biāo)準(zhǔn)定義了視頻、音頻、其他數(shù)據(jù)在IP 網(wǎng)絡(luò)中的單獨(dú)封裝、分發(fā)。研究專業(yè)媒體流IP化的意義重大，可打破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中媒體制作播出的技術(shù)壁壘，充分利用IP 的特點(diǎn)，將所有信號(hào)接入IP 中心矩陣，建立IP資源池，實(shí)現(xiàn)大帶寬、多格式、跨域協(xié)同、遠(yuǎn)程制作，為未來的全文件共享、云化做準(zhǔn)備。

1.2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與研究

2014 年，ESPN 建立了世界上第一個(gè)廣播電視直播IP 中心系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)最初采用ST 2022-6 及ASPEN 的IP 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。2020 年，BBC 威爾士新中央廣場總部使用Grass Valley 的技術(shù)支持全球最大的SMPTE 2110 IP 工作流[3]。截止到2020 年底，全球范圍內(nèi)已知規(guī)模最大的IP 系統(tǒng)是由NBC 部署的Telemundo 超大型IP 化數(shù)據(jù)中心。CNN 新總部大樓實(shí)現(xiàn)IP 化，成為全世界首個(gè)完全基于SMPTE 2110 IP 網(wǎng)絡(luò)的重要廣播基地[4]。

在國內(nèi)2018 年廣東臺(tái)建設(shè)了一個(gè)4K 頻道IP 總控系統(tǒng)[5]。2018 年愛奇藝創(chuàng)意制作中心建成IP ST 2110 總控系統(tǒng)。2018 年中央廣播電視總臺(tái)建設(shè)了2條完整的4K 生產(chǎn)線（其中1 條為全I(xiàn)P 化4K 生產(chǎn)線）。2019 年總臺(tái)首次在國慶活動(dòng)采用全I(xiàn)P 方式實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模4K 和高清信號(hào)的無損高質(zhì)量回傳和信號(hào)分發(fā)。2019 年中國第一輛符合ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)的單流4K 超高清全媒體轉(zhuǎn)播車在貴州臺(tái)交付[6]。2021 年中央廣播電視總臺(tái)在春晚期間建設(shè)全I(xiàn)P 化8K 信號(hào)制播生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了4K、8K 和高清的并行直播。2021 年第十四屆全運(yùn)會(huì)期間，總臺(tái)轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P 架構(gòu)，畫分和控制調(diào)度系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P 化。

在整體IP制播系統(tǒng)環(huán)境下，諸多國外廠家和研究人員不斷研發(fā)相關(guān)IP 硬件設(shè)備和技術(shù)來促進(jìn)廣播行業(yè)的全I(xiàn)P 化。在視頻信號(hào)IP 化、解析播放視頻IP 信號(hào)等方面的設(shè)備類型多樣。 SONY NXLKIP50YNXLK-IP51Y 網(wǎng)關(guān)、GV 網(wǎng)關(guān)、ROSS Raptor 網(wǎng)關(guān)等國外設(shè)備以及僅有的國產(chǎn)網(wǎng)關(guān)格非IPGate 均可實(shí)現(xiàn)將SDI信號(hào)根據(jù)ST 2110標(biāo)準(zhǔn)封裝為IP流來通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。Imagine SNP、LAWO 畫面分割器、SONY切換臺(tái)等均可接收解析IP信號(hào)，并通過顯示器進(jìn)行視頻畫面觀看。視頻監(jiān)測分析方面，目前僅有Tektronix(泰克)公司的PRISM 示波器提供IP 工作流媒體技術(shù)指標(biāo)分析功能，可以詳細(xì)診斷ST 2110 流量問題。此外，N. Ranasinghe 提出了一個(gè)可擴(kuò)展的FPGA 架構(gòu)，用于ST 2110 端到端的專業(yè)視頻解決方案，是第一個(gè)公開發(fā)布的此類硬件架構(gòu)[7]。

1.3 研究內(nèi)容與主要貢獻(xiàn)

現(xiàn)階段電視臺(tái)和各大廠家主要通過硬件網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)SDI視頻的IP化和IP視頻信號(hào)監(jiān)看，盡管硬件功能較為齊全，但這些國外的硬件設(shè)備價(jià)格昂貴，連線復(fù)雜，采用硬件板卡燒制固定程序，通用性和靈活性不夠。

本文面向ST 2110-20 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了基于RTP 流的未壓縮基帶視頻在IP 網(wǎng)絡(luò)中的解析播放、監(jiān)測分析的軟件系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了一套可以運(yùn)行在高性能通用計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)IP 解析監(jiān)測的軟件系統(tǒng)裝置，大大提高了性價(jià)比，打破了硬件和價(jià)格壁壘，更利于靈活研究IP 視頻信號(hào)。在IP 視頻解析方面，本文提出設(shè)計(jì)了緩存算法阻塞隊(duì)列長度設(shè)計(jì)和多線程并發(fā)來實(shí)現(xiàn)視頻解析播放。在IP 視頻監(jiān)測分析方面，本系統(tǒng)監(jiān)測分析丟包率、幀頻分布、幀間隔分布、首包處理時(shí)延、端到端時(shí)延5 個(gè)技術(shù)指標(biāo)和主觀觀看畫面效果。通過技術(shù)指標(biāo)和主觀效果的對(duì)比分析，本系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)效果，在一定程度上可對(duì)比國外專用設(shè)備PRISM 示波器的視頻信號(hào)分析功能，在制播IP 化設(shè)備國產(chǎn)化和通用化方面，同時(shí)對(duì)融入電視制作域內(nèi)的整體監(jiān)控系統(tǒng)，多流監(jiān)測方面有重要意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析證實(shí)本文創(chuàng)新提出的IP 視頻阻塞隊(duì)列長度設(shè)計(jì)算法是有效的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

一套完整的基于ST 2110標(biāo)準(zhǔn)的IP化視頻流采集解析監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。視頻信號(hào)源產(chǎn)生專業(yè)媒體視頻，封裝成ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)的IP 流并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)利用網(wǎng)卡接收IP視頻流信號(hào)，根據(jù)自主設(shè)計(jì)的阻塞隊(duì)列長度算法，使用阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存及處理機(jī)制可控制化，采用多線程并發(fā)的方式，低門檻與低成本實(shí)現(xiàn)了IP基帶視頻流的實(shí)時(shí)解析與系統(tǒng)監(jiān)測，解決IP視頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理透明可控制化、視頻流解析技術(shù)通用化的問題。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2.2 阻塞隊(duì)列長度算法設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)包的存儲(chǔ)采用了阻塞隊(duì)列實(shí)時(shí)緩存而非直接寫入本地文件，節(jié)約了大量的寫入和讀取磁盤的時(shí)間。阻塞隊(duì)列采用先進(jìn)先出模式，當(dāng)隊(duì)列已滿時(shí)會(huì)等待隊(duì)列中的數(shù)據(jù)消耗，當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)則等待數(shù)據(jù)填充，可以解決某個(gè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的線程與消耗數(shù)據(jù)的線程之間速度不匹配的問題。

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的阻塞隊(duì)列1長度的大小和視頻監(jiān)測系統(tǒng)的丟包率、端到端時(shí)延的大小密切相關(guān)。隊(duì)列越長，幀均丟包率越小，時(shí)延越大；隊(duì)列越短，幀均丟包率越大，時(shí)延越小。

針對(duì)隊(duì)列長度，本文自主設(shè)計(jì)一種算法，根據(jù)不同視頻流格式在網(wǎng)絡(luò)條件下的輸入輸出速率變化，設(shè)計(jì)相應(yīng)的隊(duì)列長度，來得到低丟包率和低時(shí)延。該算法適應(yīng)于高清、超高清等不同清晰度的視頻格式，但在超高清格式中只有逐行掃描格式。

阻塞隊(duì)列的輸入速率λ是指每秒采集經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸后到達(dá)隊(duì)列的視頻數(shù)據(jù)包的速率，可由計(jì)算機(jī)根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)n_input除以相應(yīng)時(shí)間t_input得到；輸出速率μ是指視頻播放時(shí)每秒解析數(shù)據(jù)包的速率，同樣可由一段時(shí)間內(nèi)解析的數(shù)據(jù)包n_onput除以相應(yīng)時(shí)間t_onput得到。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況中，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化復(fù)雜，需根據(jù)隊(duì)列長度算法調(diào)整隊(duì)列長度，來保證較低的丟包率和時(shí)延。

當(dāng)輸入速率大于輸出速率時(shí)，隊(duì)列長度L1 等于視頻流輸入速率λ與輸出速率μ的差乘實(shí)時(shí)視頻時(shí)長duration：

當(dāng)輸入速率小于等于輸出速率時(shí)，隊(duì)列長度L2等于抖動(dòng)jitter。抖動(dòng)是指數(shù)據(jù)包延遲的變化程度，變化具備隨機(jī)性，隊(duì)列的輸入和輸出都有抖動(dòng)。因此本算法采用一種最佳抖動(dòng)時(shí)延處理，通過實(shí)際測量無限長隊(duì)列長度情況下，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的最大抖動(dòng)隊(duì)列長度jitter，并選擇該jitter作為阻塞隊(duì)列長度。本文實(shí)驗(yàn)中采取此方法確定隊(duì)列長度。

算法偽代碼如下：

算法1：阻塞隊(duì)列長度算法輸入：輸入速率和輸出速率1.If μ＜λ:2. L = |n_input ÷ t_input - n_output÷t_output|*duration 3.else if μ＞=λ:4. L = jitter 5.end;輸出：阻塞隊(duì)列長度L

2.3 解析監(jiān)測原理

如圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架所示，該部分可在VS 2019開發(fā)環(huán)境下編寫C++程序完成。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采集、解析、播放幾項(xiàng)操作均需耗費(fèi)較多時(shí)間，如果按順序依次執(zhí)行，則最終呈現(xiàn)的視頻播放效果差，畫面切換緩慢。因此需采用多線程并發(fā)的形式來提升程序的運(yùn)行速率，并通過阻塞隊(duì)列共享數(shù)據(jù)，進(jìn)行線程間通信。程序中視頻數(shù)據(jù)包的采集緩存、緩存取出、解析、播放與監(jiān)測可以分成5 個(gè)并行任務(wù)，因而采用5個(gè)線程形式實(shí)現(xiàn)，提高程序運(yùn)行效率。線程1 和線程2、3 共享阻塞隊(duì)列1 中數(shù)據(jù)包。線程3和線程4共享阻塞隊(duì)列2中完整幀像素?cái)?shù)據(jù)。

線程1 可利用Winpcap 嗅探網(wǎng)卡捕獲視頻IP 數(shù)據(jù)包。Winpcap是Windows系統(tǒng)下捕獲和過濾底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包、發(fā)送原始數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)上、收集網(wǎng)絡(luò)流量與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)信息的一個(gè)開發(fā)庫[8]。捕獲數(shù)據(jù)包的主要步驟為：首先創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備鏈表以獲取本機(jī)的適配器，找到并打開網(wǎng)卡來捕獲完整數(shù)據(jù)包；設(shè)置混雜模式、內(nèi)核緩存區(qū)和用戶緩存區(qū)，以解決抓包時(shí)的丟包漏包；調(diào)用回調(diào)函數(shù)不斷地捕獲數(shù)據(jù)包，并在回調(diào)函數(shù)中不斷將數(shù)據(jù)包存入阻塞隊(duì)列1中。

線程2 取出視頻IP 數(shù)據(jù)包。首先根據(jù)IP 數(shù)據(jù)包類型初始化。初始化后，線程2 按存入順序不斷地從阻塞隊(duì)列1中取出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，進(jìn)行結(jié)構(gòu)體賦值。

線程3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取數(shù)據(jù)包中的視頻信息，拼接出視頻幀的像素信息。首先根據(jù)視頻內(nèi)容設(shè)置視頻的幀率、寬高、色度采樣等參數(shù)，新建一幀圖像緩存區(qū)（例如采樣格式為4：2：2 的高清緩存區(qū)大小為1920*1080*2）。然后根據(jù)ST 2110-20 協(xié)議讀取數(shù)據(jù)包SRD 字段中的F、SRD Row Number、C、Offset 的值[9]，讀取方式為數(shù)組偏移，偏移量由字段所在的字節(jié)位置距數(shù)據(jù)包包頭的距離決定。數(shù)據(jù)包從外到內(nèi)的封裝依次為以太網(wǎng)/IP/UDP/RTP/ST 2110-20 有效載荷頭/視頻像素?cái)?shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)包的首字節(jié)用pkt[0]表示，第一個(gè)SRD F位于ST 2110-20有效載荷頭的第5個(gè)字節(jié)中的第一位，即數(shù)據(jù)包的第58 個(gè)字節(jié)（58=14+20+8+12+4）,即pkt[58]中的第一位。當(dāng)以上SRD 字段全為0時(shí)，為圖像起始行；若不是，繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)包，直至全為0。當(dāng)圖像起始行的數(shù)據(jù)包確定后，根據(jù)序列號(hào)依次讀取同一幀圖像的所有數(shù)據(jù)包中的像素信息，直到數(shù)據(jù)包標(biāo)志位M 為1，通過相鄰字節(jié)拼接恢復(fù)出相應(yīng)比特（例10bit）的原始取樣像素值元組，再結(jié)合SDL 顯示圖像的特性對(duì)像素值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以方便圖像顯示。最后根據(jù)采樣結(jié)構(gòu)將上述得到的圖像對(duì)應(yīng)像素信息Y、Cb、Cr 按照SRD 頭部樣本行中的Row Number、Offset、Length 位置信息進(jìn)行相應(yīng)賦值，直到一幀圖像緩存區(qū)完全被填滿，即得到一幀完整圖像，并將一幀完整圖像數(shù)據(jù)存入阻塞隊(duì)列2中。重復(fù)這個(gè)過程，不斷將圖像緩存區(qū)的新圖像存入阻塞隊(duì)列2。

線程4 播放視頻SDL(Simple DirectMedia Layer)，SDL 是一套開放源代碼的跨平臺(tái)多媒體開發(fā)庫，它提供了豐富的控制圖像、聲音、輸入輸出的函數(shù)[10]。SDL 顯示視頻的流程主要可以分成兩大部分：初始化和循環(huán)顯示畫面。首先按照順序創(chuàng)建SDL 窗口、渲染器、紋理進(jìn)行初始化，之后重復(fù)從阻塞隊(duì)列2中獲取一幀圖像數(shù)據(jù)來紋理更新、渲染器渲染、視頻顯示。

線程5為輸出監(jiān)測信息，含阻塞隊(duì)列實(shí)時(shí)長度、隊(duì)列輸入輸出包間隔、丟包數(shù)、總包數(shù)、幀頻、幀解析、播放及總間隔。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)過程中的物理拓?fù)淙鐖D2 所示，視頻源由小米盒子和格式轉(zhuǎn)換器BlackMagic 組成，SDI-IP 網(wǎng)關(guān)為ROSS Raptor、通過華三交換機(jī)和光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)上的轉(zhuǎn)發(fā)。小米盒子傳輸出含時(shí)間碼內(nèi)容的視頻作為視頻源，通過HDMI 線纜發(fā)送到BlackMagic。BlackMagic 可輸出1920*1080 50p，4:2:2，10bit 的高清視頻及3840*2160 50p, 4:2:2，10bit的4K 超高清視頻。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)SDI 同軸線纜傳輸?shù)絉OSS Raptor 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)ST 2110-20 標(biāo)準(zhǔn)封裝成在IP 網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小均為1262 字節(jié)，一幀高清4320 個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包繼而經(jīng)由光纖和交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中靈活傳播。高性能PC捕獲數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析監(jiān)測。

圖2 實(shí)驗(yàn)物理拓?fù)?/p>

在超高清視頻系統(tǒng)建設(shè)過程中，最開始主流方案是將一幀4K 完整圖像分割成4 個(gè)子圖像通過4 路3G-SDI 信號(hào)來傳輸，主要有2SI（2 Sample Interleave）和SQD（Square Division）兩種傳輸模式[4]，現(xiàn)電視臺(tái)多用1路4K。為便于理解和減少實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度，本文僅選取超高清4路中的1路無壓縮高清視頻IP流來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同清晰度視頻IP 化實(shí)現(xiàn)的原理同本實(shí)驗(yàn)相同，但當(dāng)需要4路高清視頻合成時(shí)，必須按照傳輸方式將4路3G-SDI鏈路的信號(hào)綁定在一起，且嚴(yán)格區(qū)分兩端序號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 阻塞隊(duì)列長度選擇

數(shù)據(jù)包包間隔指兩個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)包進(jìn)入或離開阻塞隊(duì)列的間隔。網(wǎng)絡(luò)傳輸中，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)鏈路、擁塞情況、抖動(dòng)、系統(tǒng)處理方式等因素，數(shù)據(jù)包到達(dá)和離開隊(duì)列的間隔不一。圖3展示了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后100萬個(gè)數(shù)據(jù)包隊(duì)列輸入和輸出的包間隔變化，可以看出隊(duì)列的輸入輸出均有抖動(dòng)，輸入的抖動(dòng)明顯大于輸出的抖動(dòng)，說明數(shù)據(jù)流從網(wǎng)絡(luò)到達(dá)系統(tǒng)阻塞隊(duì)列的緩存后，抖動(dòng)可以明顯下降，證明了阻塞隊(duì)列的必要性，通過阻塞隊(duì)列的緩存可以使系統(tǒng)平穩(wěn)地解析播放視頻。隊(duì)列輸入和輸出的包間隔平均值分別為4620ns和4611ns，與數(shù)據(jù)包生產(chǎn)時(shí)間間隔相當(dāng)（4629ns），說明系統(tǒng)采集和處理數(shù)據(jù)包的性能足夠。

圖3 阻塞隊(duì)列輸入輸出包間隔抖動(dòng)

實(shí)驗(yàn)中采用的視頻源和網(wǎng)關(guān)平均20ms發(fā)送一幀視頻信號(hào)，一定程度代表了輸入速率。為簡單測試本系統(tǒng)性能，實(shí)驗(yàn)時(shí)先緩存50幀視頻內(nèi)容，然后再進(jìn)行視頻解析播放，經(jīng)測試系統(tǒng)可以平均14.5ms解析一幀視頻，相對(duì)應(yīng)代表輸出速率，遠(yuǎn)小于20ms，說明系統(tǒng)性能足夠好。但輸入速率是前提，即使系統(tǒng)性能再高，輸出速率也會(huì)受到輸入速率的限制，由此得出本系統(tǒng)的輸出速率大于等于輸入速率。因此，阻塞隊(duì)列長度采用公式2。

阻塞隊(duì)列實(shí)時(shí)長度指在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)阻塞隊(duì)列1中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。圖4展示了在阻塞隊(duì)列無限長的情況下，系統(tǒng)開始運(yùn)行20s內(nèi)，阻塞隊(duì)列實(shí)時(shí)長度的變化。系統(tǒng)運(yùn)行初始不穩(wěn)定，隊(duì)列長度大，最大值小于10000，平均值為1164.13。8s后，系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行，圖5描述了8s-20s內(nèi)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的阻塞隊(duì)列長度頻數(shù)，圖5中可以看出隊(duì)列長度最大值小于2000，頻數(shù)主要集中在0～800，800～2000時(shí)逐漸下降。因此，結(jié)合圖4和圖5，我們選擇了1100、1500、2000、10000、無限長5個(gè)隊(duì)列長度，來分別測試系統(tǒng)性能指標(biāo)，選出合適的隊(duì)列長度，并證明2.2節(jié)中阻塞隊(duì)列長度算法的準(zhǔn)確性。

圖4 阻塞隊(duì)列實(shí)時(shí)長度變化

圖5 阻塞隊(duì)列長度頻數(shù)圖

3.3 系統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)分析

為更全面地衡量超高清IP化視頻采集解析及監(jiān)測的性能，從系統(tǒng)效率、數(shù)據(jù)完整性、傳輸穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性幾個(gè)方面提出了以下5個(gè)指標(biāo)：丟包率、幀頻分布、幀間隔分布、首包處理時(shí)延、端到端時(shí)延。通過5種阻塞隊(duì)列長度的5個(gè)指標(biāo)分析對(duì)比，確定當(dāng)輸出速率大于等于輸入速率時(shí)阻塞隊(duì)列長度的大小。

（1）丟包率

從系統(tǒng)開始運(yùn)行后，由于網(wǎng)卡抓包或系統(tǒng)解析錯(cuò)誤導(dǎo)致丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)，與數(shù)據(jù)包總數(shù)的百分比值，稱為丟包率。

圖6描述了系統(tǒng)運(yùn)行1分鐘時(shí)，5種隊(duì)列長度的丟包率。當(dāng)隊(duì)列長度大于等于2000時(shí)，丟包率為0。2000為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)隊(duì)列長度的最大值，該值為1分鐘內(nèi)系統(tǒng)不丟包的5種隊(duì)列長度的最小值。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間更長時(shí)，隊(duì)列長度2000、10000、無限長也會(huì)發(fā)生丟包，零丟包率持續(xù)時(shí)間隨著隊(duì)列長度增長而增加，但均在丟包較少時(shí)不影響觀看效果。

圖6 丟包率對(duì)比

當(dāng)隊(duì)列輸入的抖動(dòng)過大，數(shù)據(jù)不斷堆積，當(dāng)隊(duì)列被堆積數(shù)據(jù)填滿時(shí)，數(shù)據(jù)寫入線程休眠，線程休眠期間不再接收新數(shù)據(jù)。當(dāng)阻塞隊(duì)列中的數(shù)據(jù)被消耗一些后，寫入線程重新工作，此時(shí)接收的數(shù)據(jù)與先前填入的數(shù)據(jù)便有了斷層，休眠期間本應(yīng)接收的數(shù)據(jù)丟失了，因而產(chǎn)生了丟包。當(dāng)阻塞隊(duì)列長度越長時(shí)，阻塞隊(duì)列可容納的數(shù)據(jù)包越多，允許的突發(fā)抖動(dòng)也更大，從而丟包率小。

（2）幀頻分布

在系統(tǒng)開始運(yùn)行后，每秒視頻播放幀數(shù)的分布情況稱為幀頻分布。

圖7中描述了系統(tǒng)開始運(yùn)行后20s內(nèi)幀頻的變化。除隊(duì)列長度1100和1500外，各阻塞隊(duì)列長度在視頻開始第1s，系統(tǒng)不穩(wěn)定，幀頻均不等于50，第2s及之后幀頻穩(wěn)定在50，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。隊(duì)列長度1100和1500幀頻均一直未達(dá)到穩(wěn)定，在49上下變化，產(chǎn)生此的原因與系統(tǒng)丟包導(dǎo)致的丟幀密切相關(guān)。

圖7 幀頻對(duì)比

（3）幀間隔分布

在系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下，即幀頻穩(wěn)定在50時(shí)，當(dāng)前幀解析完畢與上一幀解析完畢之間的時(shí)間間隔為幀解析間隔。

當(dāng)前幀播放完畢與上一幀播放完畢之間的時(shí)間間隔為幀播放間隔。

當(dāng)前幀解析播放完畢和上一幀解析播放完畢間的時(shí)間間隔為幀全間隔分布。

幀全間隔分布和隊(duì)列長度關(guān)系較小，只與數(shù)據(jù)解析播放線程本身的效率有關(guān)。因此，在研究幀的解析、播放和全時(shí)間間隔之間的關(guān)系時(shí)，僅采取了隊(duì)列長度10000時(shí)的幀間隔數(shù)據(jù)。

圖8描述了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后60幀的幀全間隔、解析間隔、播放間隔的數(shù)值變化，平均值依次為19.48ms、19.4ms、4ms。其中需要注意的是，在3.2中指出系統(tǒng)平均14.5ms解析一幀視頻，但是在本實(shí)驗(yàn)中幀解析間隔平均19.4ms，這是因?yàn)橐曨l源本身為50p，每幀20ms生成的速率限制了更快的幀解析時(shí)間。全間隔包括解析和播放兩步，全間隔的平均值小于解析和播放間隔之和，這說明加入阻塞隊(duì)列2實(shí)現(xiàn)解析和播放線程分離，在不同的CPU上同時(shí)運(yùn)行后，系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間只取決于運(yùn)行時(shí)間長的線程，即解析線程，縮短了解析和播放順序運(yùn)行的時(shí)間，提高了程序運(yùn)行效率。在圖8中全間隔和解析間隔變化趨勢(shì)相同，全間隔比解析間隔變化慢1幀，兩者均值僅差0.08ms，從數(shù)據(jù)上也驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間主要依賴于耗時(shí)最多解析線程的變化。

圖8 幀間隔對(duì)比

（4）首包處理時(shí)延

在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定的前提下，系統(tǒng)開始運(yùn)行后抓取到第一個(gè)數(shù)據(jù)包與第一個(gè)數(shù)據(jù)包所屬視頻幀解析完畢之間的時(shí)間間隔，首包處理時(shí)延可以在一定程度上反映系統(tǒng)初始化效率以及數(shù)據(jù)解析效率。

首包處理時(shí)延=首幀解析完畢時(shí)間-首包捕獲時(shí)間。

圖9表示5種隊(duì)列長度各20次實(shí)驗(yàn)的首包處理平均時(shí)延，從圖9中可以看出首包處理時(shí)延整體趨勢(shì)隨著隊(duì)列增長而增大，從隊(duì)列長度2000開始，首包處理時(shí)延增加明顯。由圖4可知，在系統(tǒng)初始化時(shí)，隊(duì)列里的長度最長，系統(tǒng)初始化時(shí)隊(duì)列長度最大到10000。當(dāng)阻塞隊(duì)列長度為2000時(shí)，系統(tǒng)初始化時(shí)隊(duì)列長度最大到1999。因此設(shè)置隊(duì)列長度越長，在系統(tǒng)初始化時(shí)阻塞隊(duì)列里的數(shù)據(jù)包就會(huì)越多，系統(tǒng)未及時(shí)處理，進(jìn)而導(dǎo)致首包處理時(shí)延增大，而在系統(tǒng)穩(wěn)定后，各阻塞隊(duì)列長度中的實(shí)時(shí)隊(duì)列長度則一直在0到某個(gè)范圍穩(wěn)定變化。

圖9 首包處理時(shí)延變化

（5）端到端時(shí)延

在系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下，端到端時(shí)延為視頻數(shù)據(jù)源端與視頻播放端二者之間的實(shí)時(shí)時(shí)間差，通過該指標(biāo)的分布情況可以看出整個(gè)系統(tǒng)層面的整體運(yùn)行效率。

端到端時(shí)延=發(fā)送時(shí)延+傳輸時(shí)延+處理時(shí)延。

圖10為各隊(duì)列長度在系統(tǒng)開始運(yùn)行1分鐘內(nèi)20次的端到端時(shí)延對(duì)比，平均值依次為0.72s、0.61s、0.13s、0.15s、0.14s。隊(duì)列長度1100和1500的平均端到端時(shí)延過大的原因和丟包率大密切相關(guān)。隊(duì)列長度大于等于2000時(shí)，端到端時(shí)延相差不大。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，實(shí)時(shí)隊(duì)列長度（最大值2000）小于設(shè)置的阻塞隊(duì)列長度時(shí)，系統(tǒng)的處理性能足夠，可以實(shí)時(shí)處理完阻塞隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包，故而端到端時(shí)延相差不大。

圖10 端到端時(shí)延對(duì)比

（6）綜合指標(biāo)分析

通過以上分析，各阻塞隊(duì)列長度可得出表1 的信息，其中數(shù)字1-5 代表該指標(biāo)在幾個(gè)隊(duì)列長度中的系統(tǒng)性能分?jǐn)?shù)，數(shù)字越大，系統(tǒng)性能越好。

表1 各隊(duì)列長度指標(biāo)性能比較

在5 種隊(duì)列長度中，1100 和1500 因?yàn)楫a(chǎn)生丟包，除首包處理時(shí)延外，其他指標(biāo)均表現(xiàn)較差，可首先排除這兩個(gè)長度。剩余的三個(gè)隊(duì)列長度在幀頻分布上性能一樣；在丟包率上，1分鐘內(nèi)，三者一樣好，但持續(xù)時(shí)間更長的情況下，無限長最好；在首包處理時(shí)延和端到端時(shí)延上，2000表現(xiàn)最好，且綜合得分最高。

因此，在考慮系統(tǒng)初始化快并且實(shí)時(shí)性高時(shí)，阻塞隊(duì)列長度最佳為2000，即jitter為2000。僅考慮系統(tǒng)在長時(shí)間內(nèi)（大于1 分鐘時(shí)）的丟包率性能，阻塞隊(duì)列長度最佳為無限長。而從實(shí)際出發(fā)，隊(duì)列無限長即為電腦內(nèi)存，存在著不定性，阻塞隊(duì)列長度越大，占用的內(nèi)存資源也越大，且如果阻塞隊(duì)列消耗速率在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)小于放入速率，端到端時(shí)延將越來越大。因此，在本實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，阻塞隊(duì)列的輸入小于等于輸出速率時(shí)的阻塞隊(duì)列長度確定為2000 最好，即L=2000。

（7）視頻解析監(jiān)測結(jié)果

在阻塞隊(duì)列長度為L=2000 的情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果視頻播放畫面截圖如圖11 所示，畫面顯示完整，播放流暢無卡頓、畫面與視頻源相比得到良好的還原。

圖11 實(shí)驗(yàn)播放效果圖

4 總 結(jié)

制播全I(xiàn)P化符合廣電和媒體行業(yè)未來發(fā)展方向。本文在通用計(jì)算機(jī)環(huán)境下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了ST 2110-20標(biāo)準(zhǔn)IP視頻信號(hào)的采集、解析、播放和監(jiān)測分析，大幅度提高了系統(tǒng)的工作效率。實(shí)現(xiàn)中共采用5 個(gè)線程：Winpcap 采集視頻流數(shù)據(jù)包，并存儲(chǔ)在阻塞隊(duì)列1；從阻塞隊(duì)列1 獲取數(shù)據(jù)包；解析數(shù)據(jù)包獲取完整圖像像素信息，存儲(chǔ)在阻塞隊(duì)列2中；從阻塞隊(duì)列2獲取整幀圖像像素信息，利用SDL 實(shí)現(xiàn)視頻播放；輸出監(jiān)測信息。

本文設(shè)計(jì)了多線程并發(fā)和阻塞隊(duì)列長度緩存算法，根據(jù)阻塞隊(duì)列長度算法獲得阻塞隊(duì)列長度可以為整個(gè)IP系統(tǒng)得到低丟包率、低延時(shí)。在阻塞隊(duì)列的輸入速率小于等于輸出速率時(shí)，通過5 種隊(duì)列長度在丟包率、幀頻分布、幀間隔分布、首包處理時(shí)延、端到端時(shí)延5 個(gè)監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)下的性能對(duì)比，確定了本實(shí)驗(yàn)的阻塞隊(duì)列長度為2000，該隊(duì)列長度在5 個(gè)監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)中整體性能良好。由此我們也可得出在無限長阻塞隊(duì)列前提下，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的最大抖動(dòng)隊(duì)列長度即為可設(shè)置的最佳隊(duì)列長度，2.2 節(jié)的阻塞隊(duì)列長度算法得證。