视频监视系统中视频质量优化策略研究

摘要：为了对视频监视系统中监视质量的进行优化，提出了3种优化控制策略：零拷贝缓冲区策略、网络拥塞抑制策略、编解码速率协调策略。零拷贝缓冲区策略降低了终端负载，提高了系统处理能力，网络拥塞抑制策略有效地减少了丢包率，编解码速率协调策略平衡了系统延时与流畅性。实验测试结果显示，随着监视时间的增加，优化后系统时延基本稳定、丢包率显著减少、视频播放流畅，系统性能满足一般应用需要。
关键词：视频监视；优化；实时数据处理；视频播放的流畅性

随着自动化技术和软硬件技术的不断发展，传统工业对于自动化技术的要求显著提高，极大地促进了视频监视技术的发展；同时由于“911”事件的影响，世界对于安全的注重超过以往任何时候，安全防护成了各项活动的重中之重。在工业中，仪器设备的正常运行对工厂
的安全正常运行有着决定性的意义，所以很有必要对这些仪器、设备进行监视。在安防中，由于涉及到巨大的人身及财产伤害，对于监视的实时性以及准确性的要求不言而喻。基于此，视频监视技术取得了长足的发展。而在视频监视技术的发展过程中，监视视频的质量成为视频监视系统中最重要的部分。因此对监视视频质量的优化策略研究直接影响整个视频监视系统的性能。

1 存在的问题
监视视频的质量主要体现在实时性、流畅性和清晰度等性能指标上。在一般视频监视系统中，实时性主要由监视终端视频处理性能决定。实时性要求客户端软件以最快的速率进行网络视频数据解码。由于远程监视系统中，监视终端存在接收缓冲区，缓存网络数据流，因此实时性要求数据在缓冲区中几乎不进行缓存。而对于视频流畅性，主要由监视终端解码、显示速率与网络视频流接收速率的相对关系决定，当解码、显示速率比视频流接收速率高时，解码、显示会阻塞等待视频接收，由于此等待过程并非平均分布在每一帧，因此会造成播放视频流畅性问题。清晰度主要和视频数据的丢包率有关，在网络状况理想的情况下，丢包率主要与监视终端数据处理效率有关，当终端数据处理速率较低时，由于视频数据累积，会造成接收缓冲区溢出，从而导致丢包率升高，引起清晰度问题。在实际应用中，网络拥塞对丢包率影响很大，决定了视频的清晰度。
由上述分析可知，要想保证视频实时性能，必须提高视频终端的处理性能。而同时由于实时性和流畅性存在矛盾：实时性要求监视终端以最快速率进行数据处理；流畅性要求视频流进行缓冲，同时控制监视终端解码、显示速率。为了达到好的监视效果，必须找到均衡控制策略，一方面让视频进行缓冲，保证视频解码、显示不阻塞，另一方面保证数据快速解码，不产生累积时延。同时必须对网络拥塞进行抑制，以保证视频清晰度。

2 优化控制策略
2．1 零拷贝缓冲区策略
流媒体编程中处理的数据量非常大，减少数据拷贝可以提高客户端对流媒体数据的处理速度、降低时延以及减轻处理器的负载；也可以减少客户端因为数据拷贝，来不及处理后续数据包而带来的丢包现象。从而节约系统资源，提高流媒体的播放质量。零拷贝缓冲区策略通过合理的缓冲区设计，能减少90％的数据拷贝工作，大大提高系统性能。
零拷贝缓冲区策略合并接收缓冲区和解码器输入缓冲区，使得缓冲区间的数据拷贝操作变成指针操作。
零拷贝缓冲区原理图如图1所示，Read-ptr：视频解码指针，指向待解码的数据；Write_ptr：接收数据指针，指向网络数据的存放地址；valid_data_ptr：有效缓冲区首地址，网络数据存放的首地址。备用缓冲区不存放从网络接收的视频流，当如图2所示，有效数据分为2块时，并且解码数据分别存在于缓冲区中的2个部分，则传递给解码器Read-ptr并不能满足要求，因此需要使用到备用缓冲区，具体策略是将Read-ptr后的数据拷贝到Buffer_ptr里，使得解码数据变成一块连续缓冲区。由于在视频监视系统中，一帧数据的数据量比接收缓冲区小得多，因此发生这种拷贝的几率很少，而且每次拷贝的数据量也很少，能大大优化系统性能，提高监视终端解码、显示的效率。