基于IPv6 的高清視頻系統(tǒng)實現(xiàn)與性能分析

引言

數(shù)字視頻傳輸是下一代互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用[1 ] 。當前互聯(lián)網(wǎng)上的視頻應(yīng)用向高品質(zhì)、高實時性方向發(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(yīng)用發(fā)展的一種趨勢。 HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻的應(yīng)用主要有兩大類:一類基于MPEG2 或H.264 壓縮方式[2 、3 ] ；一類是非壓縮方式。 前者的特點是數(shù)據(jù)占用帶寬相對較小，但是延遲較大；后者實時性好，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時性和保真度要求較高的情況，如遠程醫(yī)療等，但由于其對網(wǎng)絡(luò)帶寬的高要求，只能夠在專線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)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?qū)嵱玫?，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(shù)據(jù)流量的應(yīng)用。

與普通質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用不同，HDV 視頻本身的單路大數(shù)據(jù)量會對網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生明顯的影響而反過來影響應(yīng)用本身的質(zhì)量。 實驗中發(fā)現(xiàn)， 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。 因此通過定量的測量和分析，研究HDV 應(yīng)用性能和網(wǎng)絡(luò)性能的相互影響規(guī)律，對于深入了解大流量的應(yīng)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(shè)計和實現(xiàn)了一個基于IPv6 的HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用到國內(nèi)和國際的IPv6 主干網(wǎng)。同時針對該應(yīng)用設(shè)計了測量子系統(tǒng)，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)性進行研究。

高清視頻系統(tǒng)構(gòu)架與實現(xiàn)

高清視頻系統(tǒng)基本模塊與實現(xiàn)

基于壓縮編碼的HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)包括6 個基本的模塊———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(shè)計的HDV 視頻傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 虛線框所包含的部分為性能測量子系統(tǒng)。

HDV 視頻傳輸系統(tǒng)基本功能模塊實現(xiàn)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1394 線輸入視頻壓縮卡。

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

(3) 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送引擎:對壓縮編碼后的MPEG2 數(shù)據(jù)流進行打包發(fā)送，數(shù)據(jù)包包頭按RTP 包頭填充，記錄時間戳、序列號等。 在發(fā)送引擎中，以48 kbp s大小的Sample 數(shù)據(jù)塊為單位進行發(fā)送，每個Sam-ple 被分為43 個包，同一Sample 內(nèi)的包打相同的時間戳，并以序列號標識先后順序。

(4) 網(wǎng)絡(luò)傳輸:數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同時支持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(shù)據(jù)包根據(jù)時間戳和序列號進行合并組幀。

(6) 解碼與顯示:解碼和顯示部分先要對視頻和音頻進行分離，然后分別送到顯示設(shè)備和音頻設(shè)備進行播放。 需要指出的是，720p 和1080i 在音頻視頻同步方面有所區(qū)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(tǒng)

HDV 系統(tǒng)性能測量子系統(tǒng)是對基本功能的擴展。 利用此子系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測HDV 視頻系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并記錄系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)以作分析用。 除數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出接口，子系統(tǒng)還預(yù)留了基于參數(shù)測量的控制接口。 可以在這些控制接口實施優(yōu)化調(diào)度算法，以達到控制HDV 視頻質(zhì)量的目的。測量子系統(tǒng)為圖1 中虛線框內(nèi)部分。