基于IP网络的数字视频信息传输技术

乐元果

（重庆市信息通信咨询设计院有限公司 重庆市 400000）

随着当今网络、计算机、传输以及图像处理等技术的不断发展与优化，数字监控设备总体成本的不断降低，以及宽带的广泛普及，使得视频监控制技术也呈现出迅猛的发展势头。在此背景下，网络视频监控已成为整个监控领域中的重要发展方向；而随着技术的持续发展，也带来了视频监控领域投入成本的增加。本文围绕多媒体网络视频监控系统，与其中的实时视频信息传输的基本特点相结合，从多方面对此系统中的视频信息传输技术进行深层研究，如速率控制技术、食品信息的组播传输技术及视频信息压缩编码技术等。需要指出的是，此技术借助以PCI 总线为基础的视频采集压缩卡，能够围绕实时视频信息，利用H.264 视频压缩算法对其实施压缩编码。本文基于工控PC 机，对视频信息传输技术架构当中的一些关键设备进行了设计，也就是以工控PC 机为基础的视频服务器，以及以视频信息组播传输为基础的网络模型；另外，还采用以发送端为基础的速率控制技术，为视频信息能够高质量的在IP 网络上进行传输提供切实保障。本文就此探讨如下。

1 数字视频信息编解码技术分析

针对视频压缩编码来讲，其最核心目的即为实现视频序列相应码率的减少，以此为既定信道上视频信息的实时、高质量传输提供切实方便。对于视频所采用的编解码系统来分析，其主要由两部分组成，其一为解码器，其二是编码器；而在整个编码器架构当中，首先，用信源模型所对应的各项参数，对视频序列（数字化）进行全面、深层次的描述；然后，量化信源模型的各项参数，使之成为相对有限且标准化的符号集；最后，采用当前比较实用且先进的无损编码技术，对各种量化参数进行映射，使之成为更加满足现实需要的二进制码字，而从中所产生的大量比特流，会在IP 网络上有规律、有目的性的传输。对于解码器而言，其能够根据现实情况及具体需要，反向开展编码器的量化与二进制编码，对信源模型所对应的各项量化参数进行重新获取；然后利用解码器所对应的图象合成算法，并借助信源模型所给出的各种量化参数，将解码相对应的视频帧给计算出来。

需要指出的是，在整个数字视频监控系统当中，因有着比较多的多媒体种类，且型号繁杂、信息量庞大，尤其是那些比较常见、常用的视频图像、声音信息、数据及图形等，在其中有着更大的占比；在此背景下，怎样处理如此规模庞大的数据量，已经成为当前存储、传输领域中需要迫切解决的难题所在。从根本上来分析，要想将此类信息进行有效化、合理化、规范化储存与传输，首先要做的便是利用先进且高效的数据压缩技术，对这些信息、数据进行有目的性、顺序性且流程化的压缩编码处理；而在视频编码压缩标准上，比较常用的有两种，其一为H.264 标准，其二是MPEG-4 标准，通过对这些标准的严格遵循，以此来得到比较高的压缩比，并最终获得质量更高、更清晰的视频图像。

2 以工控PC机为基础的视频服务器设计

在整个视频信息传输领域中，视频服务器乃是其中不可分割的重要构成，是发挥着关键作用，扮演着重要角色；需要指出的是，视频服务器作为数字视频监控系统的基础部件，其核心功能就是将压缩编码的各种视频信息，以一种安全、稳定且高效的方式，向网络进行传送，与此同时，还能够将视频信息储存在相连接的硬盘中，以便日后查看。需强调的是，所采用的系统不同，视频服务器所发挥的作用也会存在差异，比如其能够根据系统需要，实时控制处于连接状态的云台、摄像仪等。从基础层面来考量，视频服务器在具体功能上，主要可划分为三类，第一类为控制功能，第二类是网络通信功能，而第三类则为视频压缩存储功能。需说明的是，如果将视频服务器应用于数字视频监控系统当中，通常情况下，需要采用以工控PC 机为基础的视频服务器，或者是采用与之相匹配的嵌入式视频服务器。本文根据系统设计需要，选用的是以工控PC 机为基础而得以设计开发的视频服务器；此服务器借助以PCI 总线为基础的视频压缩卡，围绕经采集而得到的实时视频信息，进行有目的性、针对性的压缩编码；另外，从中所得到的压缩码流，会以一种合理、妥当的方式储存在硬盘阵列当中；此外，还需要说明的是，借助先进的网络适配器，能够把各种视频信息向IP 网络实时性、快速化发送。而针对摄像仪以及云台所控制的信息来讲，则借助串行接口RS485、RS232（工控PC 机），来为传输提供配合。

另需重点强调的是，以工控PC 机为基础的视频服务器，依据功能的不同，可划分成三个子系统：其一为视频采集设备控制子系统，其二是网络通信子系统，其三为视频信息压缩存储子系统。

2.1 网络通信子系统

在整个视频服务器架构当中，要想高质量的进行或完成信息传输，合理设置通信子系统尤为关键。而在视频服务器当中需要传输的信息主要有三种，分别为控制视频采集设备的信息、RTCP 控制信息与视频流信息。在传输视频流时，通常情况下，需选用UDP协议来进行传输；而对于RTP 控制信息而言，一般来讲，需参照TCP 协议来进行传输；而针对控制视频采集设备的相关信息来分析，需基于TCP 协议来展开传输，即服务器通过各种合适途径，将控制信息以一种合理、规范的方式，不断写入COM 端口，通过这种方式来达到控制视频采集设备的目的。需特别说明的是，因需要基于Windows2000 操作系统下，来进行网络通信程序的开发，因此，可以根据现实需要，选用套接字的方式来进行以UDP 与TCP 协议为基础的网络通信程序的编制。另外，在本次设计当中，还基于TCP/IP 协议，完成了实时视频信息传输模型的构建，此系统主要由四部分组成：

（1）解码模块；

（2）反馈模块；

（3）视频传输模快；

（4）编码模块。

2.2 视频信息压缩存储子系统

针对此子系统而言，其主要作用就是围绕实时视频信息，将其压缩编码工作高质量完成，然后将所得到的压缩编码视频，以一种规范、高效的方式，不断储存于硬盘阵列当中。通常情况下，在对实时视频信息实施压缩编码时，可采用H.264 视频压缩算法来行此操作，另外，可将IDE 硬盘阵列当作存储视频信息的介质，并且采用RAID 的方式将视频信息储存起来。

2.3 视频采集设备控制子系统

在系统的视频服务器端，为了能够将视频图清晰、准确且全面记录下来，且选择合适的录像目标，需要结合实际情况，合理化控制相关采集设备，比如调节摄像仪、控制云台等。有时为了能够在客户端同样可以看到清晰、详细的视频图象，可采用C/S 的方式，将控制信息高质量、实时性的向服务器端进行传送，然后，服务器端便会根据具体程序需要，控制实时视频采集设备。此外，还需强调的是，将云台解码驱动器妥当的连接于COM 端口（工控PC 机），并通过将数据写入到COM 端口，便能够使全方位摄像仪被驱动（由云台解码驱动器所驱动），然后根据要求进行各种操作，如此一来，便能够达到高效化控制实时视频采集设备的目的。

3 视频信息组播传输技术分析

对于组播传输方式来分析，其允许路由器一次性把数据包复制到若干通道上，并且对于此时的视频服务器而言，仅需发送一个信息包，全部发出请求的客户端对同一信息包进行共享，这样一来，便可以达到减少网络上传输信息包总量的目的，为带宽的高效化利用提供切实保障，并为高质量传输实时视频信息，提供优质、高效且顺畅的网络传输方式。

在整个IP 网络体系当中，用组播方式来进行数据包的传送，并借助间接地址的方式来进行寻址，另外，在IPV4 所对应的地址分类当中，采用D 类地址对1 个组播组进行标识，此类地址所对应的具体范围，通常在224.0.0.0～239.255.255.255 之间，向此小组发送的数据报副本，会被及时传送给此小组成员。需要指出的是，上述所描述的各种操作，均用到了2 种协议，一种是多点传送路由选择协议，而另外一种则为IGMP 协议。针对IGMP 来讲，通常情况下，会在主机与路由器（二者处于相连状态）之间来进行各项操作，离开或者申请加入1 个组播组，而针对此时的路由器而言，会将主机成员资格查询消息对外发出，借此对有无主机属某个组播组的成员进行判断，在此期间，只要有1 个主机对此次查询响应，此时的组播路由器便会将组播数据持续性的向此子网发送。

针对IP 网络所对应的多点传送路由选择来讲，其也可划分成两种，其一为域间多点路由选择，其二是域内多点路由选择。而针对与域内多点路由选择相关的协议当中，多使用PIM-DM 协议、DVMRP 协议等；而对于域间组播路由协议来考量，其现阶段仍处在一个不断研究、探索的阶段，在解决方案上，较为成形的是三个协议的组合（即PIM-SM、MSDP 与MBGP）。另需说明的是，若视频信息需通过其它网段，因难以确保其它网段也支持组播，可利用组播隧道技术来对实时视频信息进行高效化且稳定的组播传输。

（1）对组播数据进行打包，使之成为单播数据包，以此使组播数据包可通过单播数据包的形式顺利通过此网络；

（2）当路由器接受到此数据包后，将数据包进行解压，得到原先的组播数据包，然后向以太网交换机进行传送，以此达到组播传输实时视频信息的目的，在此过程中，交换式以太网经路由器与宽带IP 骨干网络相连接。

4 发送端速率控制技术分析

需说明的是，一个合理且实用的实时视频信息传输方案，需拥有专属自身的速率调节机制，也就是当发生网络拥塞情况时，视频服务器应能够将自身的发送速率予以减低，以此对可能发生的网络崩溃进行规避，并促进网络资源相应利用率的提升。所以，在对视频服务器进行实际设计时，需选用与之配套的速率调节机制，参照客户端所给出的反馈信息，对视频服务器向IP 网络所传送的视频速率进行动态化调节，借此来更好的适应网络带宽的各种变化。本文选用以发送端为基础的速率调节机制，将速率控制器与速率过滤器结合在一起，采用此种方式进行视频信息的传输。对于速率过滤器而言，其通过执行速率过滤，使已被完成压缩的视频的发送速率，能够更好的匹配于网络所要求的速率。

另需指出的是，速率滤波器还可根据现实情况及相关要求，选用分层丢弃滤波器或者是帧丢弃滤波器。对于帧丢弃滤波器来讲，其可以对出帧的类型进行准确识别，并且还能依据帧的重要性对其实施合理化丢弃。此外，帧丢弃滤波器能通过将部分帧丢弃，便可以借助较低速率而对所保留的帧急性传递；而针对分层丢弃滤波器来考量，其可以对视频数据层进行准确识别，并依据从高到底的顺序来丢弃视频数据层。

5 结语

综上，以IP 网络为基础来进行数字视频监控系统的设计，能够得到更加理想的视频传输技术，通过对从客户端所接收到的图像质量来分析，此信息传输技术实用且可行，可以显著提高IP 网络上处于传输状态的实时视频信息的质量，因而能够为数据信息的高质量传输提供支撑，并为相关工作的高效化开展提供切实保障。