基于互联网+的电力视频传输教学系统

谢锡锋　左江林

摘要：为了将电力生产现场视频实时传输到学校的实训基地，解决电力专业实践教学难的问题，提出一种基于自适应码率调整算法的实时视频传输的设计方案。该方案根据当前网络带宽利用率和网络拥塞状况，按照自适应码率调整算法实时调整视频发送端的传输速率，实现鲁棒控制，从而改善视频传输质量。经实验测试，该系统在避免网络拥塞、提高网络带宽利用率和减少视频传输数据包的丢失率及抖动等方面，具有良好的效果。

关键词：互联网+；电力监控；视频传输；自适应码率

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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

为了更好地在我校的电力实训基地开展实践教学活动，需要采用“互联网+”技术将校企合作企业的电力生产现场视频实时传输到学校的实训基地。但由于各校企合作企业的传输网络和我校校园网带宽的动态变化，有时出现视频信号的延时和不清晰，减低用户的视觉体验效果。为此，提出一种基于自适应码率调整算法的实时视频传输系统，根据网络拥堵状况的三大指标（传输网络带宽利用率、传输延时和数据包丢失率），及时调整服务器端的视频流发送速率，具有很好的鲁棒性。系统经实际应用证明，系统在抑制视频丢包率及视频抖动、提高带宽利用率和改善用户视觉体验等方面具有较好的效果。

1 系统结构

设计的电力视频监控系统主要包括由安装校企合作企业的视频服务器和安装在我校电力实训基地的用户视频接收端2部分组成，每个校企合作企业配置一台视频WEB服务器，该视频WEB服务器的视频来源于企业内各个电力生产现场监控摄像机的实时视频流；服务器对视频数据进行发送前，需要对视频流重新进行编码（H.264 编码流）；针对网络带宽的频繁变化，视频服务器设计了QoS（Quality of Service，服务质量）模块，根据反馈信息进行带宽估值，根据宽带估值动态地调整发向监控用户端的视频流速率。

在校企合作企业的视频服务器端，宽带估值模块根据QoS反馈信息按照流媒体测量算法MSM计算出可用带宽和带宽利用率；速率调整模块根据带宽估值结果，调整H.264 码流的速率和码率，有效避免网络拥塞，实现网络的实际可用带宽资源与服务器端实际输出的视频速率相匹配；速率控制模块根据来自RTP（Real-time Transport Protocol，实时传送协议）层的网络状态信息来控制视频编码器（调节的参数包括帧速率、量化参数和运动矢量阀值等），完成视频流的自适应编码，在 RTP层将自适应编码后的视频流封装成RTP数据包，再将RTP数据包交给UDP/IP层，进入网络进行传输。

在用户视频接收端，设计了QoS反馈监测模块，可以有效防止视频数据包由于网络拥塞或传输延时而出现丢失的情况，当在视频数据流通过 UDP/IP层后，在 RTP层对数据包进行解包分析处理，该模块会根据RTP数据包的报头评估网络拥塞和服务质量，评估得出反映当前网络状态的参数（如传输时间、平均延迟抖动和包丢失率等），再以 RTCP（Real-time Transport Control Protocol，实时传输控制协议）包的结构将这些信息打包反馈给发送端；此外，视频接收端对收到的视频数据流进行差错和纠错处理，在解码器内，将纠错处理后的视频数据流解压及解码，在显示器显示视频图像。

2 实时视频传输方法研究

基于发送端的视频实时传输自适应速率控制是在对网络可用带宽进行估值的基础上，由发送端对视频数据流的发送速率进行控制和调整的技术，为了适应网络带宽的动态变化，其采用QoS反馈控制技术，根据用户端反馈回来的网络状态信息动态调整发送端的发送速率，做到网络的实际可用带宽资源与服务器端实际输出的视频速率相匹配。

2.1 网络拥塞状况监测

网络状况主要是从网络丢包率和数据到达的时延抖动指标两方面来评判网络状况。

1）丢包率

2）视频延时

视频延时是指视频数据自产生到客户端接收时的时间差值，引起视频延时的因素众多，如：视频处理延时，传输延时和等待延时等。设终端开始运行时的时间为[Tdb]，视频帧产生的时间为[Tde]，则时间差（时间戳字段保存）为[Tdd=Tde-Tdb]。在客户端，设客户端接收到完整视频帧时的时间为[Tce]，客户端开始计时时间为[Tcb]，时间差为[Tcd=Tce-Tcb]。

考虑客户端登录晚于终端登陆的情况，设客户端登录服务器的时间为 [Tse]，服务器开始计时时间为[Tsb]，该时间差为[Tsd=Tse-Tsb]。

因此，视频帧自产生到客户端接收到该视频帧的时间差为[Tdelay=Tcd-Tdd+Tsd]。

2.2 带宽估值

考虑到网络瞬时传播速率的动态变化，利用相对较长段时间的平均带宽来衡量当前的网络状况，假设当前带宽为[Bi]，预测值为[Bi]，[Bi]根据[Bi，i=1，2，...，n]进行计算，[Bi=i=1n1nBi]。设[Ti]为发送第[i]个切片所用时间，[Si]为第[i]个切片的大小，则发送第[i]个切片时的平均带宽为[Bi=SiTi]。为了解决多客户端的网络带宽和网络状况不同的问题，采用对多个客户端的网络状况求取平均值的方法来计算终端的码率。设同时请求该终端视频的客户端数为[n]，5 种网络状况的客户端数分别为[ni]，i=1，2，…，5，则得到的平均网络状况为[φ=1ni=15nii]，式中，[]为取整符号，根据此平均网络状况来计算新的码率值。

2.3 码率调整

码率调整是实现系统平稳性、TCP 友好性的关键， 加性增乘性减（ AIMD） 算法是比较常用的调节码率方法， 当网络状况拥塞时，将当前发送速率[υ（t）] 乘以衰减系数[β]作为下次发送速率，降低码率，缓解拥塞；当网络状况相对良好时，将当前发送速率[υ（t）]加常量 [α]，作为下次发送速率，使其速率接近有效带宽；调整策略如下式所示：

3 结果及分析

3.1 视频传输速率自适应控制的打开和关闭实验

视频传输实验在我校里建校区电力实训基地和校企合作企业之间进行测试， 在电力实训基地和校企合作企业之间之间传输1路速率为256KB/S的实时视频流， 进行打开和关闭自适应控制的数据包丢包率对比测试，测试结果如表1所示。

3.2 用户端用户体验测试

用户端视频监控测试采用的方式是在下采用360浏览器来观看釆集到的视频图像，通过专线观察到的效果图如图2所示。

该系统采集到的图像效果非常好，画质清晰流畅，达到了预期的设计要求。

4 结束语

为了将电力生产现场视频实时传输到学校的实训基地，提出一种基于码率自适应调整算法的实时视频传输方案， 在深入分析现有实时视频传输方法后，提出了一种结合带宽估值、传输延迟和数据包丢失率等参数来判断网路状况的方法，按照自适应码率调整算法实时调整视频发送端的传输速率， 实现鲁棒控制，改善视频传输质量。理论分析和实验结果表明，该系统避免了网络拥塞，提高了网络带宽利用率和减少视频传输数据包的丢失率及抖动。

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