視頻監(jiān)視系統(tǒng)中視頻質量優(yōu)化策略研究

摘要：為了對視頻監(jiān)視系統(tǒng)中監(jiān)視質量的進行優(yōu)化，提出了3種優(yōu)化控制策略：零拷貝緩沖區(qū)策略、網絡擁塞抑制策略、編解碼速率協(xié)調策略。零拷貝緩沖區(qū)策略降低了終端負載，提高了系統(tǒng)處理能力，網絡擁塞抑制策略有效地減少了丟包率，編解碼速率協(xié)調策略平衡了系統(tǒng)延時與流暢性。實驗測試結果顯示，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)性能滿足一般應用需要。
關鍵詞：視頻監(jiān)視；優(yōu)化；實時數據處理；視頻播放的流暢性

隨著自動化技術和軟硬件技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)對于自動化技術的要求顯著提高，極大地促進了視頻監(jiān)視技術的發(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，安全防護成了各項活動的重中之重。在工業(yè)中，儀器設備的正常運行對工廠
的安全正常運行有著決定性的意義，所以很有必要對這些儀器、設備進行監(jiān)視。在安防中，由于涉及到巨大的人身及財產傷害，對于監(jiān)視的實時性以及準確性的要求不言而喻?；诖?，視頻監(jiān)視技術取得了長足的發(fā)展。而在視頻監(jiān)視技術的發(fā)展過程中，監(jiān)視視頻的質量成為視頻監(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)視視頻的質量主要體現在實時性、流暢性和清晰度等性能指標上。在一般視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，實時性主要由監(jiān)視終端視頻處理性能決定。實時性要求客戶端軟件以最快的速率進行網絡視頻數據解碼。由于遠程監(jiān)視系統(tǒng)中，監(jiān)視終端存在接收緩沖區(qū)，緩存網絡數據流，因此實時性要求數據在緩沖區(qū)中幾乎不進行緩存。而對于視頻流暢性，主要由監(jiān)視終端解碼、顯示速率與網絡視頻流接收速率的相對關系決定，當解碼、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據的丟包率有關，在網絡狀況理想的情況下，丟包率主要與監(jiān)視終端數據處理效率有關，當終端數據處理速率較低時，由于視頻數據累積，會造成接收緩沖區(qū)溢出，從而導致丟包率升高，引起清晰度問題。在實際應用中，網絡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，要想保證視頻實時性能，必須提高視頻終端的處理性能。而同時由于實時性和流暢性存在矛盾：實時性要求監(jiān)視終端以最快速率進行數據處理；流暢性要求視頻流進行緩沖，同時控制監(jiān)視終端解碼、顯示速率。為了達到好的監(jiān)視效果，必須找到均衡控制策略，一方面讓視頻進行緩沖，保證視頻解碼、顯示不阻塞，另一方面保證數據快速解碼，不產生累積時延。同時必須對網絡擁塞進行抑制，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據量非常大，減少數據拷貝可以提高客戶端對流媒體數據的處理速度、降低時延以及減輕處理器的負載；也可以減少客戶端因為數據拷貝，來不及處理后續(xù)數據包而帶來的丟包現象。從而節(jié)約系統(tǒng)資源，提高流媒體的播放質量。零拷貝緩沖區(qū)策略通過合理的緩沖區(qū)設計，能減少90％的數據拷貝工作，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)間的數據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，指向待解碼的數據；Write_ptr：接收數據指針，指向網絡數據的存放地址；valid_data_ptr：有效緩沖區(qū)首地址，網絡數據存放的首地址。備用緩沖區(qū)不存放從網絡接收的視頻流，當如圖2所示，有效數據分為2塊時，并且解碼數據分別存在于緩沖區(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后的數據拷貝到Buffer_ptr里，使得解碼數據變成一塊連續(xù)緩沖區(qū)。由于在視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，一幀數據的數據量比接收緩沖區(qū)小得多，因此發(fā)生這種拷貝的幾率很少，而且每次拷貝的數據量也很少，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。