基于IP组播的分布式多媒体视频会议系统的设计和应用

杨佳，华钢中国矿业大学信电学院江苏徐州221008| 摘自：现代电子技术| 2005-09-07

　　

1引言

　　随着IP组播技术的不断成熟与推广，基于IP组播的分布式多媒体视频会议已成为当今网络视频会议发展的一大热点。

　　与常规的单播与广播通信相比，IP组播在多点音／视频数据传输方面具有很大的优势并成为多媒体会议视频传输应用中的关键技术之一。其优势在于：

　　(1)可以减少不必要的重叠发送，减轻系统和网络的负担，提高资源和网络带宽的利用率；

　　(2)极大地改善了视音频数据传输的实时性

　　IP组播技术存在缺陷是因为IP网络本身是一个尽力服务（best-ef fort）的网络。尽力服务的特征是所有用户随时都在竞争网络的资源，信道是基于统计复用的。这不仅意味着传输时延是不确定的，还意味着带宽的可用性和可用的带宽也是不确定的，给多媒体数据的实时传输带来极大的影响，也对许多应用技术提出了很高的要求。其次，IP网络上出现差错和网络拥塞时表现为分组的丢失。分组丢失对应用的质量影响很大，因为往往一个发送分组中封装一帧以上的视频数据。因此，对基于IP组播的分布式多媒体视频会议系统，在QoS方面的要求尤为重要。

　　本文针对IP网络在QoS方面的缺陷，根据开发小组设计的基于IP组播的分布式多媒体视频会议系统，着重介绍了该会议系统在终端会议系统中的QoS解决方案，并简要讲述该会议系统在教学等方面的应用。

2系统组成

　　该系统主要由控制端和终端2部分组成，如图1所示。

　　控制端主要是弥补IP组播技术在控制层面和数据层面上的无根性，其功能是完成对组播成员的管理和在会议进行时对数据的流向和流量进行控制。

　　图2显示了控制端的一个上线成员简单列表框，根据此列表框，控制端可对上线成员进行监视并根据成员请求决定是否发送其视频或音频。避免组播成员随意发送数据，造成网络带宽的无谓浪费。

　　终端在IP组播的分布式多媒体视频会议系统中扮演着与会者的角色。他主要由视音频流的发送和接收2大模块组成。该系统还有文字聊天等附加功能，在此不做介绍。

　　其中视音频流的发送模块包括视音频数据流的采集、压缩、QoS控制、传输协议4大模块。采集到的视音频原始数据流经压缩、QoS控制处理、最后经传输协议封装后发送出去。

　　接收端模块包括视音频流的传输协议、QoS控制、解压、回放4大模块。视音频流依序经过这4大模块的处理，最终得以回放。

　　本文着重介绍基于IP组播的分布式多媒体视频会议系统中终端部分的QoS控制机制，对视音频流的采集、回放模块只做简要介绍。

　　视音频流的采集流程如图3、图4所示。[NextPage]

　　视频的回放过程用到了VFW中的DrawDib函数。

　　（1）创建视频数据回放显示窗口，获取显示设备上下文句柄。

　　（2）打开DrawDib库，获得一个DrawDib DC的句柄。

　　（3）准备回放的数据帧。

　　（4）回放显示所捕捉的视频数据。

　　（5）数据块回放完毕后，释放他们占用的资源，并且关闭DrawDib库。

　　音频回放相对简单，不再赘述。

3终端QoS控制机制

　　QoS控制的目的是在现有丢包率的基础上，避免阻塞和改善视频质量。在终端系统中所应用的QoS 控制技术包括阻塞控制和差错控制技术。

　　阻塞控制技术的目的是采用某种机制应付和防止网络阻塞，即改变在网络上传输的数据量。常用的阻塞控制机制有：速率控制（rate control）、速率修整（rate shaping）和在线的自适应编码技术。

　　本小组采用了阻塞控制机制中的速率控制机制。

　　速率控制是一种根据网络的可用带宽，决定视频流发送速率的技术。现有的速率控制方案有3种：基于发送源的、基于接收端的、混合速率控制。

　　对组播视频，若要在带宽利用率和服务灵活性之间达到平衡，应采用基于接收端的速率和混合性速率来控制。

　　基于接收端的速率控制接收端通过增加或丢弃通道来调节视频流的接收速率。总的来说，基于接收端的速率控制应用于分层的的组播视频。

　　与基于发送端的速率控制类似，现有的基于接收端的速率控制机制有以下2种方法：基于探测的方法和基于模型的方法。

　　基于探测的方法由以下2部分组成：

　　(1）当没有检测到阻塞时，接收端通过加入一层或通道，来检测网络可用带宽。这将导致接收端接收速率的增大。如果在加入一层或通道后，没有检测到阻塞，则此次加入实验成功。否则，接收端丢弃新增层。

　　(2）当检测到阻塞时，接收端丢弃一层，这将导致接收速率降低。

　　基于探测的方法是通过探测实验间接地估计网络可用带宽。

　　与此不同，基于模型的方法直接估计网络可用带宽。此种方法如式（1）。

　　
　　其中：λ为TCP连接的吞吐量；MUT为最大传输单元传输时所允许的分组大小的最大值；RTT为在已建立的连接上来回传输所用的时间；P为按建立的连接所检验的丢包率。

　　根据基于模型的速率控制：式（1）用于决定视频流的发送速率。这样，视频连接就能以近似于TCP连接的方式避免阻塞，并且视频流能与TCP流媲美。因此，基于模型的速率控制也称为“TCP友好”速率控制。

　　混合速率控制用此种方法，接收端通过增减通道数量来调节接收速率，同时发送端根据接收端的反馈来调节每个通道的传输速率。混合速率控制实例包括目标分组和分层多播计划。

　　本小组开发的视频会议系统采用了混合速率控制技术。其好处在于发送端和接收端交互进行，对视频流数据进行合理调节，能有效地避免阻塞。

　　在IP网络中，数据包可能由于出错,在路由器处丢失或错误路由导致接收端收不到分组，同时到达时延过大的分组也被认为没有用而丢失，这都降低了视频的质量。为了改善视频质量，要进行差错控制。

　　差错控制技术包括前向纠错（Forward Error Correction，FEC）或有限重传、差错恢复和差错掩盖等技术。

　　本小组采用了SFEC基于信源FEC编码。SFEC是为Internet视频而设计的FEC。SFEC通过加入冗余信息来恢复丢失的数据，与信道编码不同的是SFEC直接把冗余数据加入到压缩的视频流中，而且每一个包都可以单独解码。因此SFEC的一个优势就是低时延。其缺点是他与信道编码一样增加了传输速率，且不能根据不同的网络丢包特性灵活配置。

4系统应用

　　通过终端QoS控制机制，本小组开发的基于IP多播的分布式视频会议系统能较好地实现视频传输和回放。

　　该系统已应用于我院教学方面，能进行远程会议，远程教学（都仅限于校园网内）。各实验室间可随时随地通过该系统组成一个学术讨论小组，进行学术、情感交流，增进了各实验室的友谊，促进彼此的发展；老师之间也可通过该系统进行交流，或组成一个讨论小组，讨论教学方案等；老师和同学之间也可用该系统进行教学和情感方面的交流。

　　该系统下一步将应用到煤矿当中。在各矿管理室安装该系统，辅助煤矿人员管理。

参考文献

［1］［美］琼斯·奥朗德.Windows网络编程技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.
［2］胡晓军，邓波，高宏伟.Visual C++高级开发范例解析［M］.北京：电子工业出版社，2000.
［3］Wu D,Hou Y T, Zhang Y QTransport Realtime Videoover the Internet:Challenges and Approach［J］. Proc. IEEE,2000,88:1855-1 875.
［4］Wu D,Hou.Y T,Zhu W,et al.Streaming Video o ver the Internet: Approachs and DirectionsTrans［J］.on Circuit and Systems for Video Technology, IEEE2001,11(3):282-300

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