基于IPv6 的高清視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與性能分析

引言

數(shù)字視頻傳輸是下一代互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用[1 ] 。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)上的視頻應(yīng)用向高品質(zhì)、高實(shí)時(shí)性方向發(fā)展。 高清晰度視頻HDV (high definition video) 因其高的分辨率和圖像質(zhì)量成為網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用發(fā)展的一種趨勢(shì)。 HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻的應(yīng)用主要有兩大類(lèi):一類(lèi)基于MPEG2 或H.264 壓縮方式[2 、3 ] ；一類(lèi)是非壓縮方式。 前者的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)占用帶寬相對(duì)較小，但是延遲較大；后者實(shí)時(shí)性好，但是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較大(幾百M(fèi)bp s 到1. 5 Gbp s 不等) 。 在適用范圍上，非壓縮高清視頻用于實(shí)時(shí)性和保真度要求較高的情況，如遠(yuǎn)程醫(yī)療等，但由于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的高要求，只能夠在專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用。

基于壓縮方式的HDV 視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬占用相對(duì)較小，在目前的高速網(wǎng)以及正在發(fā)展的下一代網(wǎng)絡(luò)(如CERNET2) 上是能夠?qū)嵱玫?，但與普通質(zhì)量的視頻相比較，其單路視頻占用帶寬仍然很大(20～100 Mbp s 不等) ，屬于大數(shù)據(jù)流量的應(yīng)用。

與普通質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用不同，HDV 視頻本身的單路大數(shù)據(jù)量會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生明顯的影響而反過(guò)來(lái)影響應(yīng)用本身的質(zhì)量。 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， HDV 視頻的質(zhì)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)背景的變化有相關(guān)性，但其相關(guān)性與普通質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻有所不同。 因此通過(guò)定量的測(cè)量和分析，研究HDV 應(yīng)用性能和網(wǎng)絡(luò)性能的相互影響規(guī)律，對(duì)于深入了解大流量的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求以便更好地提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和提高HDV 傳輸質(zhì)量有積極意義。


本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于IPv6 的HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用到國(guó)內(nèi)和國(guó)際的IPv6 主干網(wǎng)。同時(shí)針對(duì)該應(yīng)用設(shè)計(jì)了測(cè)量子系統(tǒng)，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)條件下HDV 視頻質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)性進(jìn)行研究。

高清視頻系統(tǒng)構(gòu)架與實(shí)現(xiàn)

高清視頻系統(tǒng)基本模塊與實(shí)現(xiàn)

基于壓縮編碼的HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)包括6 個(gè)基本的模塊———視頻采集、壓縮編碼、發(fā)送引擎、網(wǎng)絡(luò)傳輸、接收與組幀、解碼顯示。 本文設(shè)計(jì)的HDV 視頻傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 虛線框所包含的部分為性能測(cè)量子系統(tǒng)。

HDV 視頻傳輸系統(tǒng)基本功能模塊實(shí)現(xiàn)如下:

(1) 視頻采集:采用Sony-FX1 (1080i) 或JVC-HDR(720p) 作為視頻源，視頻信號(hào)通過(guò)1394 線輸入視頻壓縮卡。

(2) 視頻壓縮與編碼:本系統(tǒng)采用MPEG2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻壓縮編碼。

(3) 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送引擎:對(duì)壓縮編碼后的MPEG2 數(shù)據(jù)流進(jìn)行打包發(fā)送，數(shù)據(jù)包包頭按RTP 包頭填充，記錄時(shí)間戳、序列號(hào)等。 在發(fā)送引擎中，以48 kbp s大小的Sample 數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行發(fā)送，每個(gè)Sam-ple 被分為43 個(gè)包，同一Sample 內(nèi)的包打相同的時(shí)間戳，并以序列號(hào)標(biāo)識(shí)先后順序。

(4) 網(wǎng)絡(luò)傳輸:數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同時(shí)支持IPv4/IPv6 地址，傳輸網(wǎng)絡(luò)為支持IPv4/ IPv6 的雙棧環(huán)境。

(5) 網(wǎng)絡(luò)接收與組幀引擎:接收端計(jì)算機(jī)對(duì)收到的數(shù)據(jù)包根據(jù)時(shí)間戳和序列號(hào)進(jìn)行合并組幀。

(6) 解碼與顯示:解碼和顯示部分先要對(duì)視頻和音頻進(jìn)行分離，然后分別送到顯示設(shè)備和音頻設(shè)備進(jìn)行播放。 需要指出的是，720p 和1080i 在音頻視頻同步方面有所區(qū)別，720p 在音頻和視頻方面有相同的PID ，而1080i 則不同，需要分別處理。

HDV 性能測(cè)量子系統(tǒng)

HDV 系統(tǒng)性能測(cè)量子系統(tǒng)是對(duì)基本功能的擴(kuò)展。 利用此子系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)HDV 視頻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并記錄系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以作分析用。 除數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出接口，子系統(tǒng)還預(yù)留了基于參數(shù)測(cè)量的控制接口。 可以在這些控制接口實(shí)施優(yōu)化調(diào)度算法，以達(dá)到控制HDV 視頻質(zhì)量的目的。測(cè)量子系統(tǒng)為圖1 中虛線框內(nèi)部分。