基于互聯(lián)網(wǎng)+的電力視頻傳輸教學(xué)系統(tǒng)

謝錫鋒　左江林

摘要：為了將電力生產(chǎn)現(xiàn)場視頻實時傳輸?shù)綄W(xué)校的實訓(xùn)基地，解決電力專業(yè)實踐教學(xué)難的問題，提出一種基于自適應(yīng)碼率調(diào)整算法的實時視頻傳輸?shù)脑O(shè)計方案。該方案根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，按照自適應(yīng)碼率調(diào)整算法實時調(diào)整視頻發(fā)送端的傳輸速率，實現(xiàn)魯棒控制，從而改善視頻傳輸質(zhì)量。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)在避免網(wǎng)絡(luò)擁塞、提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和減少視頻傳輸數(shù)據(jù)包的丟失率及抖動等方面，具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；電力監(jiān)控；視頻傳輸；自適應(yīng)碼率

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0140-03

Abstract： In order to transport the real-time live video to the school's Training Center and solve the problem of the Practical Teaching. A real-time video transmission rate adaptive control programming in Electric Power Video Transmission System Based on Internet Plus is introduced. The system can dynamically adjust the output rate of the video transmitter according to the parameters such as data packet loss rate，transmission delay and network transmission time. It can improve the quality of video output，and has a certain robustness. Experimental test results show that the system is better in avoiding network congestion，improving network bandwidth utilization and reducing video packet loss rate.

Key words： internet plus； electric power systems； video transmission； rate adaptive control

為了更好地在我校的電力實訓(xùn)基地開展實踐教學(xué)活動，需要采用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)將校企合作企業(yè)的電力生產(chǎn)現(xiàn)場視頻實時傳輸?shù)綄W(xué)校的實訓(xùn)基地。但由于各校企合作企業(yè)的傳輸網(wǎng)絡(luò)和我校校園網(wǎng)帶寬的動態(tài)變化，有時出現(xiàn)視頻信號的延時和不清晰，減低用戶的視覺體驗效果。為此，提出一種基于自適應(yīng)碼率調(diào)整算法的實時視頻傳輸系統(tǒng)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁堵狀況的三大指標(biāo)（傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率、傳輸延時和數(shù)據(jù)包丟失率），及時調(diào)整服務(wù)器端的視頻流發(fā)送速率，具有很好的魯棒性。系統(tǒng)經(jīng)實際應(yīng)用證明，系統(tǒng)在抑制視頻丟包率及視頻抖動、提高帶寬利用率和改善用戶視覺體驗等方面具有較好的效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計的電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括由安裝校企合作企業(yè)的視頻服務(wù)器和安裝在我校電力實訓(xùn)基地的用戶視頻接收端2部分組成，每個校企合作企業(yè)配置一臺視頻WEB服務(wù)器，該視頻WEB服務(wù)器的視頻來源于企業(yè)內(nèi)各個電力生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控攝像機(jī)的實時視頻流；服務(wù)器對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送前，需要對視頻流重新進(jìn)行編碼（H.264 編碼流）；針對網(wǎng)絡(luò)帶寬的頻繁變化，視頻服務(wù)器設(shè)計了QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）模塊，根據(jù)反饋信息進(jìn)行帶寬估值，根據(jù)寬帶估值動態(tài)地調(diào)整發(fā)向監(jiān)控用戶端的視頻流速率。

在校企合作企業(yè)的視頻服務(wù)器端，寬帶估值模塊根據(jù)QoS反饋信息按照流媒體測量算法MSM計算出可用帶寬和帶寬利用率；速率調(diào)整模塊根據(jù)帶寬估值結(jié)果，調(diào)整H.264 碼流的速率和碼率，有效避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實際可用帶寬資源與服務(wù)器端實際輸出的視頻速率相匹配；速率控制模塊根據(jù)來自RTP（Real-time Transport Protocol，實時傳送協(xié)議）層的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息來控制視頻編碼器（調(diào)節(jié)的參數(shù)包括幀速率、量化參數(shù)和運動矢量閥值等），完成視頻流的自適應(yīng)編碼，在 RTP層將自適應(yīng)編碼后的視頻流封裝成RTP數(shù)據(jù)包，再將RTP數(shù)據(jù)包交給UDP/IP層，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

在用戶視頻接收端，設(shè)計了QoS反饋監(jiān)測模塊，可以有效防止視頻數(shù)據(jù)包由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或傳輸延時而出現(xiàn)丟失的情況，當(dāng)在視頻數(shù)據(jù)流通過 UDP/IP層后，在 RTP層對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包分析處理，該模塊會根據(jù)RTP數(shù)據(jù)包的報頭評估網(wǎng)絡(luò)擁塞和服務(wù)質(zhì)量，評估得出反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的參數(shù)（如傳輸時間、平均延遲抖動和包丟失率等），再以 RTCP（Real-time Transport Control Protocol，實時傳輸控制協(xié)議）包的結(jié)構(gòu)將這些信息打包反饋給發(fā)送端；此外，視頻接收端對收到的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行差錯和糾錯處理，在解碼器內(nèi)，將糾錯處理后的視頻數(shù)據(jù)流解壓及解碼，在顯示器顯示視頻圖像。

2 實時視頻傳輸方法研究

基于發(fā)送端的視頻實時傳輸自適應(yīng)速率控制是在對網(wǎng)絡(luò)可用帶寬進(jìn)行估值的基礎(chǔ)上，由發(fā)送端對視頻數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率進(jìn)行控制和調(diào)整的技術(shù)，為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的動態(tài)變化，其采用QoS反饋控制技術(shù)，根據(jù)用戶端反饋回來的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息動態(tài)調(diào)整發(fā)送端的發(fā)送速率，做到網(wǎng)絡(luò)的實際可用帶寬資源與服務(wù)器端實際輸出的視頻速率相匹配。

2.1 網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況監(jiān)測

網(wǎng)絡(luò)狀況主要是從網(wǎng)絡(luò)丟包率和數(shù)據(jù)到達(dá)的時延抖動指標(biāo)兩方面來評判網(wǎng)絡(luò)狀況。

1）丟包率

2）視頻延時

視頻延時是指視頻數(shù)據(jù)自產(chǎn)生到客戶端接收時的時間差值，引起視頻延時的因素眾多，如：視頻處理延時，傳輸延時和等待延時等。設(shè)終端開始運行時的時間為[Tdb]，視頻幀產(chǎn)生的時間為[Tde]，則時間差（時間戳字段保存）為[Tdd=Tde-Tdb]。在客戶端，設(shè)客戶端接收到完整視頻幀時的時間為[Tce]，客戶端開始計時時間為[Tcb]，時間差為[Tcd=Tce-Tcb]。

考慮客戶端登錄晚于終端登陸的情況，設(shè)客戶端登錄服務(wù)器的時間為 [Tse]，服務(wù)器開始計時時間為[Tsb]，該時間差為[Tsd=Tse-Tsb]。

因此，視頻幀自產(chǎn)生到客戶端接收到該視頻幀的時間差為[Tdelay=Tcd-Tdd+Tsd]。

2.2 帶寬估值

考慮到網(wǎng)絡(luò)瞬時傳播速率的動態(tài)變化，利用相對較長段時間的平均帶寬來衡量當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，假設(shè)當(dāng)前帶寬為[Bi]，預(yù)測值為[Bi]，[Bi]根據(jù)[Bi，i=1，2，...，n]進(jìn)行計算，[Bi=i=1n1nBi]。設(shè)[Ti]為發(fā)送第[i]個切片所用時間，[Si]為第[i]個切片的大小，則發(fā)送第[i]個切片時的平均帶寬為[Bi=SiTi]。為了解決多客戶端的網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)狀況不同的問題，采用對多個客戶端的網(wǎng)絡(luò)狀況求取平均值的方法來計算終端的碼率。設(shè)同時請求該終端視頻的客戶端數(shù)為[n]，5 種網(wǎng)絡(luò)狀況的客戶端數(shù)分別為[ni]，i=1，2，…，5，則得到的平均網(wǎng)絡(luò)狀況為[φ=1ni=15nii]，式中，[]為取整符號，根據(jù)此平均網(wǎng)絡(luò)狀況來計算新的碼率值。

2.3 碼率調(diào)整

碼率調(diào)整是實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)性、TCP 友好性的關(guān)鍵， 加性增乘性減（ AIMD） 算法是比較常用的調(diào)節(jié)碼率方法， 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況擁塞時，將當(dāng)前發(fā)送速率[υ（t）] 乘以衰減系數(shù)[β]作為下次發(fā)送速率，降低碼率，緩解擁塞；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況相對良好時，將當(dāng)前發(fā)送速率[υ（t）]加常量 [α]，作為下次發(fā)送速率，使其速率接近有效帶寬；調(diào)整策略如下式所示：

3 結(jié)果及分析

3.1 視頻傳輸速率自適應(yīng)控制的打開和關(guān)閉實驗

視頻傳輸實驗在我校里建校區(qū)電力實訓(xùn)基地和校企合作企業(yè)之間進(jìn)行測試， 在電力實訓(xùn)基地和校企合作企業(yè)之間之間傳輸1路速率為256KB/S的實時視頻流， 進(jìn)行打開和關(guān)閉自適應(yīng)控制的數(shù)據(jù)包丟包率對比測試，測試結(jié)果如表1所示。

3.2 用戶端用戶體驗測試

用戶端視頻監(jiān)控測試采用的方式是在下采用360瀏覽器來觀看釆集到的視頻圖像，通過專線觀察到的效果圖如圖2所示。

該系統(tǒng)采集到的圖像效果非常好，畫質(zhì)清晰流暢，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

為了將電力生產(chǎn)現(xiàn)場視頻實時傳輸?shù)綄W(xué)校的實訓(xùn)基地，提出一種基于碼率自適應(yīng)調(diào)整算法的實時視頻傳輸方案， 在深入分析現(xiàn)有實時視頻傳輸方法后，提出了一種結(jié)合帶寬估值、傳輸延遲和數(shù)據(jù)包丟失率等參數(shù)來判斷網(wǎng)路狀況的方法，按照自適應(yīng)碼率調(diào)整算法實時調(diào)整視頻發(fā)送端的傳輸速率， 實現(xiàn)魯棒控制，改善視頻傳輸質(zhì)量。理論分析和實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和減少視頻傳輸數(shù)據(jù)包的丟失率及抖動。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林銳， 劉峰. 一種基于 HTTP 長連接的自適應(yīng)流媒體傳輸系統(tǒng)[J].電視技術(shù)， 2012，36（7）.

[2] 林志勇， 葉樺， 孫曉潔， 等. 3G 視頻傳輸中碼率自適應(yīng)調(diào)整算法[J]. 東南大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2012， 42（S1）：45-50.

[3] 梅魯海. 電力系統(tǒng)監(jiān)控視頻傳輸速率自適應(yīng)控制設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報， 2012（24）：142-147.

[4] 陳鋒鋒. 基于RTSP的流媒體傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)[D]. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2013.

[5] 李羅濤. 基于RTSP的H.264實時流媒體傳輸方案的研究與實現(xiàn)[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2014.