視頻監視系統中視頻質(zhì)量?jì)?yōu)化策略研究

摘要：為了對視頻監視系統中監視質(zhì)量的進(jìn)行優(yōu)化，提出了3種優(yōu)化控制策略：零拷貝緩沖區策略、網(wǎng)絡(luò )擁塞抑制策略、編解碼速率協(xié)調策略。零拷貝緩沖區策略降低了終端負載，提高了系統處理能力，網(wǎng)絡(luò )擁塞抑制策略有效地減少了丟包率，編解碼速率協(xié)調策略平衡了系統延時(shí)與流暢性。實(shí)驗測試結果顯示，隨著(zhù)監視時(shí)間的增加，優(yōu)化后系統時(shí)延基本穩定、丟包率顯著(zhù)減少、視頻播放流暢，系統性能滿(mǎn)足一般應用需要。
關(guān)鍵詞：視頻監視；優(yōu)化；實(shí)時(shí)數據處理；視頻播放的流暢性

隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)和軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統工業(yè)對于自動(dòng)化技術(shù)的要求顯著(zhù)提高，極大地促進(jìn)了視頻監視技術(shù)的發(fā)展；同時(shí)由于“911”事件的影響，世界對于安全的注重超過(guò)以往任何時(shí)候，安全防護成了各項活動(dòng)的重中之重。在工業(yè)中，儀器設備的正常運行對工廠(chǎng)
的安全正常運行有著(zhù)決定性的意義，所以很有必要對這些儀器、設備進(jìn)行監視。在安防中，由于涉及到巨大的人身及財產(chǎn)傷害，對于監視的實(shí)時(shí)性以及準確性的要求不言而喻?；诖?，視頻監視技術(shù)取得了長(cháng)足的發(fā)展。而在視頻監視技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，監視視頻的質(zhì)量成為視頻監視系統中最重要的部分。因此對監視視頻質(zhì)量的優(yōu)化策略研究直接影響整個(gè)視頻監視系統的性能。

1 存在的問(wèn)題
監視視頻的質(zhì)量主要體現在實(shí)時(shí)性、流暢性和清晰度等性能指標上。在一般視頻監視系統中，實(shí)時(shí)性主要由監視終端視頻處理性能決定。實(shí)時(shí)性要求客戶(hù)端軟件以最快的速率進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )視頻數據解碼。由于遠程監視系統中，監視終端存在接收緩沖區，緩存網(wǎng)絡(luò )數據流，因此實(shí)時(shí)性要求數據在緩沖區中幾乎不進(jìn)行緩存。而對于視頻流暢性，主要由監視終端解碼、顯示速率與網(wǎng)絡(luò )視頻流接收速率的相對關(guān)系決定，當解碼、顯示速率比視頻流接收速率高時(shí)，解碼、顯示會(huì )阻塞等待視頻接收，由于此等待過(guò)程并非平均分布在每一幀，因此會(huì )造成播放視頻流暢性問(wèn)題。清晰度主要和視頻數據的丟包率有關(guān)，在網(wǎng)絡(luò )狀況理想的情況下，丟包率主要與監視終端數據處理效率有關(guān)，當終端數據處理速率較低時(shí)，由于視頻數據累積，會(huì )造成接收緩沖區溢出，從而導致丟包率升高，引起清晰度問(wèn)題。在實(shí)際應用中，網(wǎng)絡(luò )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(shí)時(shí)性能，必須提高視頻終端的處理性能。而同時(shí)由于實(shí)時(shí)性和流暢性存在矛盾：實(shí)時(shí)性要求監視終端以最快速率進(jìn)行數據處理；流暢性要求視頻流進(jìn)行緩沖，同時(shí)控制監視終端解碼、顯示速率。為了達到好的監視效果，必須找到均衡控制策略，一方面讓視頻進(jìn)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(chǎn)生累積時(shí)延。同時(shí)必須對網(wǎng)絡(luò )擁塞進(jìn)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(hù)端對流媒體數據的處理速度、降低時(shí)延以及減輕處理器的負載；也可以減少客戶(hù)端因為數據拷貝，來(lái)不及處理后續數據包而帶來(lái)的丟包現象。從而節約系統資源，提高流媒體的播放質(zhì)量。零拷貝緩沖區策略通過(guò)合理的緩沖區設計，能減少90％的數據拷貝工作，大大提高系統性能。
零拷貝緩沖區策略合并接收緩沖區和解碼器輸入緩沖區，使得緩沖區間的數據拷貝操作變成指針操作。
零拷貝緩沖區原理圖如圖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(wǎng)絡(luò )數據的存放地址；valid_data_ptr：有效緩沖區首地址，網(wǎng)絡(luò )數據存放的首地址。備用緩沖區不存放從網(wǎng)絡(luò )接收的視頻流，當如圖2所示，有效數據分為2塊時(shí)，并且解碼數據分別存在于緩沖區中的2個(gè)部分，則傳遞給解碼器Read-ptr并不能滿(mǎn)足要求，因此需要使用到備用緩沖區，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緩沖區。由于在視頻監視系統中，一幀數據的數據量比接收緩沖區小得多，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)化系統性能，提高監視終端解碼、顯示的效率。