??? 變化式(2)：
???
???

?????

(其中β為正常參數(shù)，且0≤β≤1)
??? ?

則式(5)可簡(jiǎn)化并插入調(diào)整幅度參數(shù)A（A為正整數(shù)）：
???

?分析式(7)知，當(dāng)α為正，即緩沖占用比率增大時(shí)，表示由于網(wǎng)絡(luò)阻塞加重，則減小，輸入量將減少；當(dāng)α為負(fù)，即緩沖占用比率減小時(shí)，表示由于網(wǎng)絡(luò)阻塞減輕，則增大，輸入量將增大。視頻傳輸初始開始時(shí), 視頻發(fā)送子模塊以設(shè)定的初始速率發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。其后視頻發(fā)送子模塊在固定的時(shí)間間隔內(nèi)根據(jù)上面的算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載判斷，并計(jì)算相應(yīng)的發(fā)送速率調(diào)整系數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，發(fā)送速率減小;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，發(fā)送速率增加。
2.2 自適應(yīng)視頻編碼壓縮實(shí)現(xiàn)
??? Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)Video4Linux為視頻應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用即可操縱各種不同的視頻捕獲設(shè)備。Video4Linux向虛擬文件系統(tǒng)注冊(cè)視頻設(shè)備文件,應(yīng)用程序通過操作視頻設(shè)備文件實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻設(shè)備的訪問。在視頻采集模塊中獲取圖像數(shù)據(jù)" title="圖像數(shù)據(jù)">圖像數(shù)據(jù)后,將對(duì)原始的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，以方便在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。XviD是一個(gè)開放源碼的MPEG-4多媒體編碼解碼器，它是基于OpenDivX而編寫的。XviD支持多種編碼模式，具有量化(Quantization)方式和范圍控制，運(yùn)動(dòng)偵測(cè)(Motion Search)和曲線平衡分配(Curve)，動(dòng)態(tài)關(guān)鍵幀距(I-frame interval)，心理視覺亮度修正，演職員表選項(xiàng)，外部自定義控制，運(yùn)動(dòng)向量加速(Hinted Me)編碼，畫面優(yōu)化解碼等眾多編碼技術(shù)，對(duì)用戶來說功能十分強(qiáng)大。在本系統(tǒng)視頻編碼壓縮模塊中，采用XviD編碼解碼器對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4視頻編碼。
??? 在評(píng)價(jià)遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)時(shí)，人的主觀視覺感受往往是最關(guān)鍵的。當(dāng)觀看實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像時(shí)，最不可忍受的是視頻停滯緩沖或回放，它會(huì)使觀看效果非常糟糕。本系統(tǒng)中采用降低圖像畫面質(zhì)量的代價(jià)來換取圖像的流暢播放的設(shè)計(jì)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重時(shí)，如果仍然用保持不變的圖像畫面質(zhì)量的編碼率對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4視頻編碼，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致相同播放時(shí)間的圖像數(shù)據(jù)不能及時(shí)正確地傳送到視頻接收子模塊，從而使客戶端播放斷斷續(xù)續(xù)，給人以極差的主觀感受。本系統(tǒng)的視頻編碼壓縮模塊將根據(jù)從視頻發(fā)送子模塊傳來的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的阻塞情況信息，實(shí)時(shí)調(diào)整編碼率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞減輕時(shí)，適當(dāng)提高編碼率；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞加重時(shí)，則適當(dāng)降低編碼率。
??? 編碼率計(jì)算公式如下：
??? ?

?

其中：γ為正常參數(shù)且0≤γ≤1，B為調(diào)整幅度參數(shù)且為正整數(shù)，α由式(6)定義。
??? 在視頻編碼壓縮模塊開始編碼時(shí)，以初始編碼率E1進(jìn)行編碼，在以后的運(yùn)行過程中，跟隨網(wǎng)絡(luò)阻塞狀況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞加重時(shí)，降低編碼率E_k+1，以便在相同的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量包含更多的視頻圖像內(nèi)容；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)為空閑時(shí)，又將增加編碼率E_k+1，以提高圖像畫面質(zhì)量。另外考慮到在不同的應(yīng)用中，對(duì)視頻圖像編碼率有各自特別的要求，因而可以設(shè)定一個(gè)最高編碼率ψ和最低編碼率ω，則E_k+1依次由如下兩式計(jì)算后得到：
???

2.3 自適應(yīng)調(diào)整算法
??? 根據(jù)前述分析，在視頻傳輸初始階段，視頻編碼壓縮模塊以初始編碼率E1進(jìn)行編碼，視頻發(fā)送子模塊以設(shè)定的初始速率發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。其后，視頻發(fā)送子模塊在固定的時(shí)間間隔內(nèi)（如5s），根據(jù)上面的算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載判斷，并計(jì)算相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)α，再根據(jù)α情況對(duì)視頻發(fā)送速率和視頻編碼率作相應(yīng)調(diào)整。具體算法描述如下：
??? (1)傳輸開始時(shí)，視頻編碼壓縮模塊以初始編碼率E1進(jìn)行編碼，視頻發(fā)送子模塊以設(shè)定的初始速率發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，即E=E₁，Sⁱⁿ=。
??? (2)計(jì)算調(diào)整系數(shù)α：
??? ?

??? (3)根據(jù)調(diào)整系數(shù)α對(duì)視頻發(fā)送速率和視頻編碼率作相應(yīng)調(diào)整。為了防止視頻發(fā)送速率和視頻編碼率的反復(fù)細(xì)微變化，只對(duì)大于等于一定程度的α做調(diào)整計(jì)算，否則不更新：
?????

??? (4)編碼率界限限制計(jì)算：
???

2.4 自適應(yīng)算法仿真及結(jié)果分析
??? 本系統(tǒng)在實(shí)際實(shí)施前需要對(duì)其中所涉及算法的正確性、參數(shù)的有效性進(jìn)行分析和合理選擇。選用開源免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件NS2^[4][5]進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析。需要說明的是，在模擬實(shí)驗(yàn)中，只對(duì)算法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)而不是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，因此并沒有真正的采集圖片及編碼，而是采用包頭攜帶不同的信息來表示不同的編碼數(shù)據(jù)。
???? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，節(jié)點(diǎn)0、1、2代表發(fā)送端，5、6、7代表接收端，3和4為路由器。3的隊(duì)列長(zhǎng)度為80，使用FIFO調(diào)度和尾部丟棄策略，設(shè)置4的隊(duì)列長(zhǎng)度無限大。節(jié)點(diǎn)0、1、2和3以及節(jié)點(diǎn)4和5、6、7之間的傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率都為1.2Mb/s，延遲為100ms；節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4之間的傳輸速率為2.5Mb/s，延遲為200ms。系統(tǒng)模擬開始時(shí)，在0s時(shí)由節(jié)點(diǎn)0產(chǎn)生發(fā)往節(jié)點(diǎn)5的1Mb/s的MPEG-SCTP數(shù)據(jù)^[5]，隨后在3s時(shí)由節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2產(chǎn)生發(fā)往節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)7的0.8Mb/s的FTP-TCP數(shù)據(jù)^[6]和CBR-UDP數(shù)據(jù)。而分別在28s、20s和20s時(shí)，節(jié)點(diǎn)0、1和2停止發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)束模擬。

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??? 在第一次實(shí)驗(yàn)中，選擇采用恒定傳輸速率=1.0Mb/s和編碼率E₁=420kb/s，每隔0.1s記錄一次節(jié)點(diǎn)5的接收數(shù)據(jù)緩沖占有百分比。圖2為接收節(jié)點(diǎn)緩沖數(shù)據(jù)占有率隨時(shí)間變化分布圖。
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??? 在第二次實(shí)驗(yàn)中，采用自適應(yīng)傳輸速率和編碼率，相關(guān)初始參數(shù)取值如下：
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??? 每隔0.1s就對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載判斷并根據(jù)情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)中每隔0.1s就記錄一次節(jié)點(diǎn)0端編碼率(由于視頻發(fā)送速率和編碼率按同一形式公式變化，所以記錄一個(gè)就可以了)和節(jié)點(diǎn)5的接收數(shù)據(jù)緩沖占有百分比，如圖3所示。

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??? 從圖3中可以看到，在3s之前，由于網(wǎng)絡(luò)存在足夠可用帶寬，負(fù)載小，編碼率持續(xù)增大，直到設(shè)定的最高編碼率450kb/s并保持了一段時(shí)間。在3s～20s的時(shí)間段，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加大，MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流與另外兩條數(shù)據(jù)流進(jìn)行帶寬爭(zhēng)用，MPEG的編碼率上下波動(dòng)并且整體趨勢(shì)為逐步下降，直到達(dá)到設(shè)定的最低編碼率350kb/s。在20s后，另外兩條數(shù)據(jù)流關(guān)閉，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載減小，MPEG的編碼率又持續(xù)上升，直到450kb/s，并保持。
?? ?另外，對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)中的接收節(jié)點(diǎn)5的緩沖數(shù)據(jù)占有率隨時(shí)間變化分布圖(圖4)可以看到，恒定傳輸速率和編碼率的實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)5的緩沖數(shù)據(jù)占有率變化完全按照MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流與另外兩條數(shù)據(jù)流進(jìn)行帶寬爭(zhēng)用的結(jié)果變化，這種情況很容易導(dǎo)致視頻播放的不流暢。而在自適應(yīng)傳輸速率和編碼率的實(shí)驗(yàn)中，接收節(jié)點(diǎn)緩沖數(shù)據(jù)占有率除了與MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流與另外兩條數(shù)據(jù)流進(jìn)行帶寬爭(zhēng)用的結(jié)果有關(guān)，還與節(jié)點(diǎn)0的編碼率有關(guān)，其結(jié)果是雖然網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加大，分給MPEG-SCTP數(shù)據(jù)流的可用帶寬減少，但是接收節(jié)點(diǎn)5的緩沖數(shù)據(jù)占有率反而有上升的趨勢(shì)。這種情況會(huì)導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降，但是不會(huì)出現(xiàn)播放的緩沖、停滯，相對(duì)而言，更能保證實(shí)時(shí)播放的可視效果。
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3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
??? 把按照本文第1節(jié)所述設(shè)置編譯的新 Linux 2.6內(nèi)核燒錄到HFRK2410開發(fā)板中，安裝好網(wǎng)眼3000數(shù)碼攝像頭，并確定其正常驅(qū)動(dòng)后，就可以開始利用Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)Video4Linux為視頻程序應(yīng)用提供一套統(tǒng)一的API，實(shí)現(xiàn)視頻采集模塊。獲取圖像數(shù)據(jù)后，在視頻編碼模塊使用XviD庫對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。另外從 http：//sourceforge.net/上的開源工程中下載SCTP的最新開源代碼KLSCTP，編譯加載模塊后就可以利用其提供的SCTP API接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)送視頻模塊和視頻接收模塊。
??? 系統(tǒng)硬件平臺(tái)框架圖和模塊劃分見圖5和圖6。

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??? 基于SCTP的視頻采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，基本利用的是免費(fèi)和開源的資源，具有穩(wěn)定可靠、開發(fā)容易、修改定制方便、成本低廉等特點(diǎn)，可擴(kuò)展應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、可視電話、工業(yè)控制等領(lǐng)域。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的類似系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用改良了的采集、編碼、傳輸設(shè)計(jì)策略，能較好地適應(yīng)帶寬多變的網(wǎng)絡(luò)，提高實(shí)時(shí)視頻的視覺感受質(zhì)量。但是另一方面，由于其采用的技術(shù)都是基于Linux或是開源代碼，因而系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，其中改進(jìn)的算法也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)算開銷。但是隨著Linux技術(shù)的普及和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的加快，這個(gè)問題將會(huì)解決。
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