基于W in CE的无线视频监控系统

赵晓焱 刘小可

（河南师范大学计算机与信息技术学院，河南 新乡 453007；河南省科学技术信息研究院，河南 郑州 450000）

基于W in CE的无线视频监控系统

赵晓焱 刘小可

（河南师范大学计算机与信息技术学院，河南 新乡 453007；河南省科学技术信息研究院，河南 郑州 450000）

提出了一种基于W in CE平台的无线视频监控系统。由于无线网络带宽的波动性和高误码率，系统引入了RTP速率控制单元，优化了传统的RTCP拥塞控制，在客户端中加入丢包处理模块，通过采用分级速率调节，重传关键帧I帧数据包等策略为无线视频传输提供了有效的QoS保障，提高了视频传输质量和稳定性。

W in CE；监控系统；差错控制；拥塞控制

随着无线传输技术和数字成像技术的发展，有线视频监控开始向无线视频监控演进[1]，无线监控将视频监控系统带进了更广阔的应用领域。基于无线通信平台的远程监控终端兼容了多种通讯方式，具有强大的实时图像采集和传输能力，并且支持复杂的数据采集和控制逻辑，可以应用于本地控制、远程遥控等多种模式[2]。无线视频监控系统的应用与移动视频点播类似，是从有线网络向无线网络的单向的无线流媒体，同时比视频点播要求有更高的实时性。它以无线移动设备作为客户端，通过无线接入点，以IP网络为基础，向架设在有线网络上的服务器发出请求，再由服务器向客户端发送流媒体数据。由于无线视频监控系统中视频业务数据量大，无线信道又具有易错、时变和带宽有限的特点，使得信道的误码率和丢包率远远高于有线网络，因此必须使用拥塞控制、差错控制、改进传输协议等方法来保证视频服务质量（QoS）。

1 无线视频监控系统结构分析

本文系统结构分为三个部分：服务器（嵌入式网络摄像机）、接收端（PDA终端）和网络通讯线路。服务端内置了高性能的RISC芯片[3]，可以实现Web服务以及TCP/IP协议，负责采集视频数据。网络摄像机采用MPEG-4视频编码方案和G.723音频编码方案进行音视频压缩，以RTSP方式提供流媒体服务，与请求连接的客户端交换数据，获取客户端监听的RTP端口，将客户端的IP地址与端口加入RTP发送列表，并提供CGI接口使客户端可以对摄像机进行控制。音视频数据通过WLAN无线局域网络发送到PDA终端，用户通过Pocket PC获得压缩后的媒体流解码并播放，真正实现了在宽带无线网络系统中的视频实时监控。由于无线网络带宽的波动性和高误码率，在系统设计中必须考虑视频流的拥塞控制和差错控制，并在客户端中加入丢包处理模块，以提高画面质量和稳定性。

图 1无线视频监控系统结构图

2 系统开发平台W inCE

Win CE是微软公司开发得一种嵌入式操作系统（EOS）。它是一种模块化的（可组装定制）、实时的、有强大通信能力的、抢先式、多任务的嵌入式操作系统。

系统采用Win CE作为无线视频监控系统的手持终端的嵌入式操作系统。Win CE面向只有有限的硬件系统，采用模块化设计方式，它不需要标准硬件，它提供了一个操作系统所能提供的最大柔性，并具有紧凑高效可伸缩的特性。Win CE包含强有力的应用程序开发工具Embedded Visual C++。利用EVC，程序员将在友好的环境下开发基于Win CE的应用程序，并能访问详细的平台软件开发工具包文档。同时用EVC进行应用程序开发，程序可运行于特定的平台，不需要编写额外的代码，针对特定平台的代码转换工作将由系统自动完成。EVC和VC在界面、语法和开发流程上十分相似。对于有VC开发经验的人来说，可以较快地进入EVC的开发。

3 系统的关键技术

视频监控系统中的视频数据的传输实际就是流媒体的传输，流媒体的传输对网络带宽、传输时延、分组丢包有着严格的要求[4]。尤其将基于PDA的视频监控系统应用于CDMA1X网络中时，视频状况严重下降，丢包率非常高。在无线环境中，有两类原因导致数据丢失：网络拥塞和链路错误。网络拥塞引起的数据丢失为拥塞丢包，链路错误引起的数据丢失为误码丢包。

3.1 拥塞控制机制

传统的TCP拥塞控制机制将网络拥塞作为丢包的唯一原因，已经不能适用于无线网络，否则会导致错误的速率调整，降低网络性能。同时TCP重传造成的时延对于实时业务质量是不能承受的，多媒体实时业务如VOIP、视频会议、视频点播等业务通常使用UDP包来传输，但是UDP包没有提供拥塞控制和质量保证的机制，基于UDP的传输质量会由于网络通信中不可避免的分组丢失而严重降低，所以需要在UDP的上层加上实时传输协议（RTP）或实时流协议（RTSP）等拥塞控制的机制。目前流媒体的拥塞控制是由应用程序利用RTCP提供的信息来实现的，拥塞控制的实现十分复杂，给应用开发造成了很多困难，这使得很多应用开发者在其应用程序中根本就不采取拥塞控制[5]。在有线网络中，针对怎样控制这些非TCP流的传输速率，国内外进行了大量的研究，如TFRC等方法，不但要求自适应的根据网络状态调整发送速率，还要求具有TCP友好性。这些方法都需要由接收端的反馈得到丢包率和RTT。接收端发送一个RTCP反馈报告，提供反映RTP流状态的特殊信息，包括包丢失率和抖动信息，发送端可以判断网络拥塞状况和控制传输速率。但这种方案应用于无线移动网络时，发送端不能识别拥塞丢包和误码丢包，会造成不合理的速率控制，误码丢包任务会使网络发生拥塞从而降低发送速率，造成网络吞吐量下降。

图2 传统的RTCP拥塞控制方案图

为解决此问题，系统引入了RTP速率控制单元。在系统的速率调节控制中，传输层使用RTP协议，RTP速率控制单元作为速率控制的代理，将其设置于有线网络和无线网络的边缘处。其实现方法类似于split TCP，在中继点上工作，但并不真正的分离一个RTP连接，而是反馈一个相应的RTCP信息，同时客户端也返回RTCP至媒体服务器。RCU的功能是接收RTP包到达基站时的信息并发送RTCP反馈信息给媒体服务器。媒体服务器端通过RCU反馈的RTCP包来判断网络状态，统计信息块中的丢包率、抖动等参数，同时计算往返时间RTT，将统计参数通知应用程序，进行速率调节，防止系统进入严重的拥塞状况，并相应地采取选择性重传等差错控制，提高QoS质量。系统的结构方案如图3所示：

图 3 优化的基于RCU的速率与鲁棒性控制方案图

3.2 分级速率控制

由于系统采用的网络摄像机具有分级编码的功能，可以将采集到的视频图像按照几个不同码率的大小来压缩，发送相应带宽的数据，因此可以利用反馈得到的丢包信息正确的判断网络状况并调节摄像机发送的视频流速率。以RTP监控代理的包丢失率反馈报告为基础，系统利用分级转换视频发送带宽来执行发送速率控制。服务器可将视频图像压缩编码为各个不同比特率级别的文件，64kbps、128kbps、256kbps……2048kbps，并可以配置改变图像质量（high/middle/low）。当平均包丢失率超过1%时视频服务器选择降低一个级别的带宽速率发送。平均包丢失率Pavg-RCU按公式（1）计算：

其中ω是权重参数，每收到接收端的RTCP后ω增加1。当服务端选择了不同的比特率级别后ω被重置为1。当平均包丢失率少于0.1%并且ω达最大值Maxω时视频服务器选择高一个级别的发送带宽。

3.3 差错控制策略

对MPEG4的FGS分层编码，基本层的传输如果出现比特错误，错误会向增强层扩散。流媒体错误控制最主要的是要防止错误扩散。而且对于某一帧来说，如果基本层的数据没有收到，即使收到了增强层的数据也是无法解码的。由于PDA的解码速度较慢，有一定的等待时间，因此系统采用对基本层数据的选择性重发进行差错控制。考虑重传丢失数据在一定程度上会增加网络和系统的压力[8]，本文采取只重传关键帧I帧数据包的策略。基本思想示意见图4：

图 4 重传法示意图

重传线程采用TCP连接，因为TCP是面向连接的服务比UDP无连接服务可靠，但不能让TCP线程一直重传某一丢失的帧，只让它重传一次，TCP的确认帧附在重传帧后。发送方需要维护一个定时器，定时器的时长是从发送者到接收者之间最大RTT（round to time）的两倍，以避免包的误发。

4 总结

本文对无线网络中视频传输控制技术做了深入分析和研究，以期对改善无线网络下的视频传输质量提供有价值的参考。文中采用的有线网络与无线网络边缘的RTP速率控制单元方案，实现了在无线流媒体传输中有效区分拥塞丢包与误码丢包，拥塞控制和差错控制效率得到了较大提高，丢包模块测试结果显示系统提高了视频传输与解码播放的质量，减少了网络带宽和系统开销，为无线网络中多媒体信息QoS保障的进一步研究提供了重要的参考。然而面向大众应用的无线视频传输技术尚未成熟，仍需进一步的研究改进。比如与信源编码相结合的码率控制，在编码器中实现自适应速率调节的控制技术和抗误码的编码技术，都是本文后续研究工作要考虑的问题。

[1]曹型兵，陈莹星.基于SIP无线视频监控系统实时视频的实现[J].电视技术，2012，36（13）：122-124．

[2]杨明远，阎明，张亚东.CDMA岸标无线视频监控系统的设计与应用[J].计算机工程与应用，2010，46（2）：221-223．

[3]杨国斌，李秋红，王太宏.基于WSNS和3G 网络的无线远程安防监控系统[J].传感器与微系统，2012，31（12）：76-78．

[4]Liu Jain-Shing.A cross-layer control method for network lifetime maximization in wireless sensor networks[J].International Journal of Innovative Computing，Information and Control，2012，8（11）：7603-7625.

[5]李昕，陈浩，陈坚.基于反馈的区分服务网络拥塞管理方案研究[J].计算机应用研究，2012，29（8）：3088-3090．

TN919

A

1671-0037（2014）05-68-2

国家自然科学基金（U1204609）；河南省科学技术重点研究项目（14A510011）。

赵晓焱（1981-），女，讲师，硕士，研究方向:多媒体网络通信。