视频数据传输的开发与实现

摘? 要 本文将介绍一个基于IP的视频流实时传输系统，利用视频技术和IP数据通信技术通过网络实现服务器对客户端采集视频数据的实时显示。确定了在压缩编码技术上采用H.264压缩编码标准，在网络技术上传输层采用用户数据报协议（UDP），应用层采用RTP和RTCP协议。以Visual C++6.0为集成开发环境完成软件系统编写。 本视频传输系统是建立在面向无连接的UDP协议之上，利用RTP协议进行H.264视频数据的流式传输，在网络通讯中，将涉及到通讯双方，分别为服务器（即发送端）和客户端（即接收端），它们之间彼此交换信息和传递数据。因此，本系统设计采用传统的C/S模式，在Windows环境下，分别对服务器和客户端进行程序设计。 关键词：实时视频传输? H.264压缩编码标准 数据报协议（UDP）? VisualC++6.0 电话线传输视频信息 ???? 用电话系统传输视频信号，主要应用的是各种数字用户线路xDSL技术。它提供一种直接接入Internet方案的不中断服务。按照ITU G.902定义，接入网由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间一系列传送实体（如网络设施和传输设施等）组成，是能为电信业务的实现提供所需传输能力的实施系统，可经由管理接口（Q3）配置和管理。它实际上是本地局与用户设备间的信息传送实施系统，可以部分或全部替代传统的用户本地线路，含复用、交叉连续和传输等功能。原则上，接入网可实现的SNI和UNI的类型、数目没有限制。整个通信网分为3部分：传送网、交换网和接入网。最新的xDSL技术利用电话线路的双铜线实现每秒数兆比特的数据传输，比普通拨号上网及ISDN适配器的速率高得多。 ???? ADSL（非对称用户数字线）是xDSL技术之一。它可传输高品质的视频信号。其上行传输速率要低于下行传输速率。下行传输速率受传输距离的影响，距离为2.7km时，传输速率8.4Mbit/s，5.5km时便降到1.54Mbit/s。上行传输速率在16～64kbit/s之间。所以ADSL更适合点播的分布式服务。ADSL的关键技术在于高速信道的调制，可选用的调制技术有3种：正交幅度调制（QAM）、无载波幅度相位调制（CAP）和离散多频（DMT）调制。与QAM、CAP相比，DMT可提供更高的工作速率，是一种多载波调制方法。它将电话网中双绞线的可用频带（1MHz）划分为256个子信道，每个子信道带宽为4kHz。它可根据各子信道的性能来动态地分配各信道每字符可携带的比特数，关闭那些不能携带数据的子信道，这样使可用频带的平均传输率大大提高。ADSL将下行高速信道分为4个子承载信道AS0－AS3，将双工中速信道分为3个子信道LS0－LS2。各个信道的选择在ADSL初始化中完成。ADSL可提供符合欧洲、北美标准的数据速率，也可为ATM提供信道。系统工作时，4路下行单向高速数据信号AS0－AS3和3路双工中速信号LS0－LS2经过同步混合，进入两个分离的缓存器--快速缓存器和交织缓存器，分别进行循环码校验、量化和前向纠错编码（FEC）。交织缓存器出来的数据还需经过交织处理。两路信号在经过频率分配，均衡后，再进行星座编码和增益控制，最后经反傅立叶变化（IDFT）来完成多载波的调制，再经过并／串变换和D／A转换，发送到信道上去。接收端经相反处理，即可恢复数据。 ??? HDSL（高速率用户数字线）亦是xDSL技术的一种，由于采用了先进的调制技术，所以对带宽的要求较少，在传输的同时也不用中继器，仅使用两对双绞线。HDSL用两对双绞铜线传送双向对称数字信号，传输速率为168kbit/s，提供2048kbit/s的E1业务。HDSL无中继传输距离为3～5km，比传统的PCM要长一倍以上。它对双绞铜线的要求没有传统技术严格，所以安装方便。HDSL采用了若干编码和调制方式，如基带编码方式（PAM）、正交幅度调制（QAM）、无载波调幅调相（CAP）等，以提高传送质量，延长传输距离。HDSL用多对线并行传输，光将2Mbit/s的数据流均匀分配在若干对双绞铜线上传输，然后再还原成2Mbit/s。 ??? 目前ADSL和HDSL技术较为成熟，用得较多。其他还有RDSL（自适应用户数字线），它可根据传输线的质量和传输距离动态地调整访问速度；VDSL（甚高速用户数字线），这是传输速率最快的一种，在一对双绞线上可支持上行传输速率13～52Mbit/s和下行传输速率1.5～2.3Mbit/s，但传输距离只有300～1 400m，可以支持高清晰度电视（HDTV）信号；SDSL（单用户数字线），也支持T1线路及E1线路，传输距离在304m内时，可以满足上、下行传输速率相等的要求，在无负载铜质电话线上，支持廉价1.1Mbit/s的数据传输，并很快达到2Mbit/s；IDSL（ISDN用户数字线），在无负载铜质电话线上支持双向144kbit/s的数据速率，能在标准ISDN的距离上实现ISDN的质量，很适合传输距离超过5km的用户。 ?1.1.2利用无线技术传输视频信息 ??? 无线接入的下行速度要高于上行速度，可达到400kbit/s，这是因为用户上行多采用模拟调制解调器，通过标准SLIP／PPP联接到本地ISP。实际速度根据调制解调器速率而定。 ??? 另一种无线技术是局域性多点分布服务（LDMS），它是一种双向的数字式广播系统，主要利用地面设备进行数据收发。LMDS使用G波段，由于频率高，所以集线站和网络中心的转发器传输数据。这个通信中心的作用是处理所有的路径选择、线路交换以及桥接到Internet上的一些问题。虽然LMDS不是一个完全的交换式网络，但是它可以建立虚拟的点对点连接。正如其他高速访问方案一样，LMDS也是非对称的系统。它将1GHz的带宽分出850MHz用于下行通信，其余的150MHz用于上行通信。根据设计的要求，LMDS会将许多用户指定到不同的信道上，而这些信道的带宽大约在20～40MHz之间。 ?1.1.3其他可利用的视频传输技术 ?? 现在，与传送视频数据有关的协议和标准都处在完善中。例如，ATM可以集成视频、数据和音频，其信元的长度为53bit，其中包含5bit的首标，用于错误控制、地址信息以及优先权控制等，其余的48bit用来携带数据。由于ATM是一种面向连接的通信方式，因此就像打电话一样，ATM会把第一个寄存器中的内容传送给连接在通道上的所有交换机，由交换机负责传送每一个信元到下一个节点，数据流本身不必考虑路径选择的问题，这种透明的传输方式使ATM具有很强的可伸缩性。另外，ATM的连接成本由所传送的数据量大小而定，与传送距离没有关系。ATM网络能够提供的速率达25Mbit/s～1Gbit/s。除此之外，ATM的交换装置能以透明的方式来动态调整各个设备之间的数据传输速率，因此它非常适宜于点对点对传输。 ???? 除ATM外，还有一些其他的通信协议可用于视频网络。分布式排队双总线技术（DQDB）在双工的模式下可以提供34～140Mbit/s的传输速率，它采用两条总线将数据传送到所有的连接点上，总线的端节点能够产生空数据封包，该包被传送到其他的节点上以查询是否有需要传输的信息。DQDB是一种非连接的网络，各端点之间的通信速率也不一样，每一个信元的长度也是53bit，其中5bit为地址信息，这和ATM信元的长度和格式一样，因此，它们彼此的结构能够兼容。双总线结构增加了重复性，从而可以大大提高DQDB的稳定性。这样，一旦一条通道完全不通，系统即可在数秒之内完成重新设置。 ??? 宽带ISDN（B－ISDN）也可以用于视频传输，它能够以高于150Mbit/s的速率传送视频和其他数据。B-ISDN主要采用的技术是光纤加上时分多路复用（TDM）。在美国，它是以（SONET）为基础的，在欧洲则是以同步数字分级技术为基础的。 1. 2引入地理信息平台的意义 由于各种视频监控系统均要涉及到物理资源和逻辑资源，而物理资源一般又是逻辑资源的支撑，它具有很强的地理性和空间性。网络资源中的数据又具有地理属性。如何真实直地把这些地理信息表示出来，已成为一个计算机界所广泛关注的问题。对于覆盖范围较大或监控点密集的监控系统，对资源分布的宏观规划和控制管理提出了很高的要求。目前很多监控系统对各自的设备资源的管理均相对滞后，他们对所拥有的网络设备资源状况不清楚，缺乏管理设备资源的有效手段和方法。这些问题的存在一方面给网络监控系统的运行维护造成很大的困难，使运维成本高居不下:另一方面也造成大量设备资源闲置和浪费，影响监控网络的进一步建设和规划。同时，目前监控系统中的各监控点安装有很多种类的终端设备，各种设备具有不同的功能(比如摄像头和云台)，可能由于网络资源的集约规划，某些监控点的多媒体数据又统一分布在另外的物理地点的服务器上。而监控终端和服务器设备资源又可能分属不同部门分散管理，不可避免地造成管理信息不能互通，缺乏对整个网络的综合管理。城市公安视频监控领域和电信领域的资源管理又有其独特的特点，它具有很强的地域性和空间性，而且具有复杂的空间拓扑关系，和目前一般小范围安防监控的资源管理有很大区别。普通的资源管理系统采用表格化管理，不直观，非常难于查找，而且很难表达资源的空间拓扑关系，给运维管理带来很多困难。很多监控点又附属大量的设备信息，环境信息。如果单靠表格化的记录，势必影响事务处理效率并浪费大量的人力和物力。 另外 ，最短路径搜索是地理信息系统(GeographicIn formationS ystem，简称GIs)空间分析中的一项很重要的功能.最短路径搜索算法也在被越来越广泛地利用，除了以往的GPS导航服务，城市电子地图路径查找服务等传统服务外，城市管网规划、通信系统、平安城市监管系统也引入最短路径搜索的技术。这些应用也对最短路径搜索算法提出了更高的要求。人们希望能够继续研究出更有效率，准确性更高，涵盖面更广，应用性更强的最短路径搜索法，同时希望GIs中最短路径搜索功能的实现根据不同应用领域的具体特征进行改进和优化。最短路径不仅仅指一般地理意义上的距离最短，还可以引申到其它的度量，如时间、费用、线路容量等。相应地，最短路径问题就成为最快路径问题、最低费用问题等。在行车过程中还需要实时计算出车辆前方的行驶路线。因此最短路径分析不仅应能够表征实际的通路网，而且要有足够快的响应速度。具体对于基于GIs的平安城市视频监控管理系统来说，当犯罪发生时，准确确定报警点及犯罪现场位置， 自动通知犯罪现场周围有关警务单位，并快速生成距离罪犯逃离方位的最短行车路线是系统中关键性的问题之一，高效率的实现可以提高警察办案的快速反应能力和整体指挥作战能力。 在此背景下，我们将GIs引入数字视频监控管理系统。 GIS是九十年代兴起的一门新技术，它是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，提供空间与属性数据的动态交互，为决策提供服务的一类信息系统。GIs技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作集成在一起。通过它，能把大量信息直观地与地理图形有机联系起来，使枯燥的表格数据可视化，从而极大方便了数据分析和辅助决策。这种能力使GIs与其他信息系统相区别，从而使其在城市规划管理、电信、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。? 1.3 本文主要研究内容 本文研究的主要内容为以下三点： （1）??? 学习地理信息系统、图像处理的相关原理和实现方法； （2）??? 在形成地理信息数据库的基础上，可以局部更新地理信息，保持地理信息的现实性。 （3）??? 针对包含地理信息的视频媒体，研究相应的实时传输方法，并设计实现相应的软件。 本课题拟在熟悉和掌握图像处理、网络传输的相关知识，按软件项目规范进行软件设计及程序开发，完成系统原型。利用网络传输包含地理信息的视频媒体，将视频数据与相应的地理信息有效结合。在形成地理信息数据库的基础上，可以局部更新地理信息，保持地理信息的现实性。采用Visual C++编程语言，开发实现整个系统，并给出实验结果及分析。