基于IPv6 的高清視頻系統實(shí)現與性能分析

引言

數字視頻傳輸是下一代互聯(lián)網(wǎng)的典型應用[1 ] 。當前互聯(lián)網(wǎng)上的視頻應用向高品質(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 )視頻應用發(fā)展的一種趨勢。 HDV 網(wǎng)絡(luò )視頻的應用主要有兩大類(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)是數據占用帶寬相對較小，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Mbp 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，如遠程醫療等，但由于其對網(wǎng)絡(luò )帶寬的高要求，只能夠在專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下應用。

基于壓縮方式的HDV 視頻傳輸網(wǎng)絡(luò )帶寬占用相對較小，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) 上是能夠實(shí)用的，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) ，屬于大數據流量的應用。

與普通質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò )視頻應用不同，HDV 視頻本身的單路大數據量會(huì )對網(wǎng)絡(luò )性能產(chǎn)生明顯的影響而反過(guò)來(lái)影響應用本身的質(zhì)量。 實(shí)驗中發(fā)現， HDV 視頻的質(zhì)量對網(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)定量的測量和分析，研究HDV 應用性能和網(wǎng)絡(luò )性能的相互影響規律，對于深入了解大流量的應用對網(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。


本文設計和實(shí)現了一個(gè)基于IPv6 的HDV 網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸系統，應用到國內和國際的IPv6 主干網(wǎng)。同時(shí)針對該應用設計了測量子系統，對不同網(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。

高清視頻系統構架與實(shí)現

高清視頻系統基本模塊與實(shí)現

基于壓縮編碼的HDV 網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸系統包括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。 本文設計的HDV 視頻傳輸系統的結構框圖如圖1 所示。 虛線(xiàn)框所包含的部分為性能測量子系統。

HDV 視頻傳輸系統基本功能模塊實(shí)現如下:

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

(2) 視頻壓縮與編碼:本系統采用MPEG2 標準進(jìn)行視頻壓縮編碼。

(3) 網(wǎng)絡(luò )發(fā)送引擎:對壓縮編碼后的MPEG2 數據流進(jìn)行打包發(fā)送，數據包包頭按RTP 包頭填充，記錄時(shí)間戳、序列號等。 在發(fā)送引擎中，以48 kbp s大小的Sample 數據塊為單位進(jìn)行發(fā)送，每個(gè)Sam-ple 被分為43 個(gè)包，同一Sample 內的包打相同的時(shí)間戳，并以序列號標識先后順序。

(4) 網(wǎng)絡(luò )傳輸:數據發(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:接收端計算機對收到的數據包根據時(shí)間戳和序列號進(jìn)行合并組幀。

(6) 解碼與顯示:解碼和顯示部分先要對視頻和音頻進(jìn)行分離，然后分別送到顯示設備和音頻設備進(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 性能測量子系統

HDV 系統性能測量子系統是對基本功能的擴展。 利用此子系統，可以實(shí)時(shí)監測HDV 視頻系統的運行狀態(tài)，并記錄系統運行數據以作分析用。 除數據采集和數據輸出接口，子系統還預留了基于參數測量的控制接口。 可以在這些控制接口實(shí)施優(yōu)化調度算法，以達到控制HDV 視頻質(zhì)量的目的。測量子系統為圖1 中虛線(xiàn)框內部分。