无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法，所述无线视频监控系统包括服务端和客户端两部分，所述服务端和客户端之间通过网络连接；对该无线视频监控系统做出如下设置：1.监控系统选用单播传输；2.网络带宽在多个客户端时不能满足性能要求；3.网络实际带宽为固定值；4.视频源码率可调节；其特征在于：服务端根据网络的带宽和视频分辨率选定初始码率，在有客户端接入或退出网络时根据客户端数量实时调整视频源编码码率。利用基于客户端数量的码率自适应方法，在客户端申请连接或退出时，服务端根据客户端数量调整码率，不仅提高了带宽利用率也增强了用户体验。
【专利说明】无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于客户端数量的码率自适应方法，在客户端数量变化时实时调整码率，增大网络带宽利用率，提高用户体验；适用于无线视频监控系统，特别是在用于家庭安防的小型嵌入式视频监控系统中效果明显。
【背景技术】
[0002]随着计算机、网络通信、图像处理等相关技术的迅速发展和进步，视频监控技术不断创新，同时由于人们对安防问题的日益关注，视频监控市场的需求在全球范围内都已经显著增长。随着无线接入技术的日益发展和不断成熟，基于无线网络的新型嵌入式视频监控系统正在兴起，并在家庭安防等应用中占据重要地位，也是视频监控的发展方向。用于家庭安防的小型嵌入式监控系统对系统的成本和体积有更高的要求，因此一般采用两端模式，即服务端和客户端。这种设计模式与传统监控系统相比大幅度降低了成本，减小了产品体积，同时节省了采集端上传数据到服务器的网络开销，在家庭安防应用中具有很大的优势。
[0003]无线网络视频监控系统通过无线网络把监控端的音视频数据传输到客户端，而无线网络的带宽是有限的，庞大的音视频数据量对网络的负载能力是一大挑战。经过测试，在宽阔无障碍的室内，WLAN的网络带宽下载速度可以达到IOMbps ;在房间分割较多的家庭环境中，无线信号变差，WLAN的网络带宽下载速度仅有3Mbps，而且与无线网络设备的性能有很大关系；3G移动互联网的下载速度大约在3Mbps ;而且网络的上行速度更慢。由此看出，无线网络能提供的带宽是有限的。
[0004]网络通信有三种方式单播、组播、广播。广播具有盲目性，不适用于网络视频监控系统。组播是这几年比较热门的通信技术，已经在视频点播、IPTV系统中逐渐得到应用。下面对组播技术和单播技术进行了比较:
[0005]1、组播是指将请求相同数据流的客户端加入一个组播组中,这些客户端共享同一数据流，节省了服务器的负载，在网络带宽受限的系统中节省了带宽。单播是针对每个客户端的点对点通信模式，随着客户端数量的增加，数据传输占用的网络带宽加倍，在网络带宽受限的系统具有一定的劣势。
[0006]2、组播与单播协议相比没有流量控制和检错纠错机制，虽然可以通过一定的容错机制和QoS加以弥补，但这些只是在理论上的解决方案，在现行网络中还没有应用起来。
[0007]3、组播的安全性较低，存在安全隐患。组播理论上是允许组播成员随时加入或离开组播组的，在这个网段的所有设备都可以随时申请加入组播组，这就引入了不安全因素，多播的安全性一直是比较棘手的问题。基于有线网络的组播安全性问题有一些研究，提出了很多种方案，但还没有方案能高效地解决组播的安全问题，并且目前处于理论研究阶段，还没有真正应用到应用系统中。无线网络多播和一般因特网多播有一定的差异，安全问题更为棘手。差异性主要在于无线网络设备的处理能力较差、连接的动态性以及可移动性，这些特性对相应的安全处理算法有较大的影响。目前利用组播方案的系统，大都是用在交通、治安、IPTV(网络电视系统)或是公共场所，在家庭安防应用中保护用户隐私安全更为重要，对安全性要求更高。而与组播相比，单播是点对点的可靠通信，不存在此安全问题。
[0008]4、组播网络的搭建要求网路中有支持组播协议IGMP的三级交换机或支持组播路由协议的路由器设备，并且所有二层或三层交换机和路由器都支持组播协议IGMP或者IGMP Snooping协议，而并不是所有设备都支持组播。
[0009]基于以上分析很多系统依旧选用单播通信方式。
【发明内容】
[0010]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法，以提高无线视频监控系统中网络带宽利用率，增强用户体验。
[0011]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0012]无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法，所述无线视频监控系统包括服务端和客户端两部分，所述服务端和客户端之间通过网络(一般为无线网络)连接；服务端负责与客户端交互，完成视频数据的采集和编码，并把视频数据转发给请求的客户端；客户端与服务端建立连接后，接收监控视频数据并解码显示；对该无线视频监控系统做出如下设置:
[0013]1、受硬件条件限制或基于传输安全性考虑，监控系统选用单播传输；
[0014]2、网络带宽无波动或波动很小可忽略，即设网络实际带宽为固定值；利用单播传输时由于客户端增加引起的网络带宽占用量远大于带宽波动，故不考虑无线网络的波动，即认为网络是稳定的，带宽是固定的
[0015]3、视频源码率可调节；
[0016]服务端根据网络的带宽和视频分辨率选定初始码率，在有客户端接入或退出网络时根据客户端数量实时调整视频源编码码率。
[0017]服务端根据网络的带宽和视频分辨率选定初始码率:网络的带宽是有限的，设网络的带宽为a Mbps,当前视频分辨率的最大性能码率为b Mbps:若a > b，则设置初始码率为b Mbps ;否则，则设置初始码率为a Mbps。在特定分辨率下，视频的码率越大，视频效果越好，但码率增大到一定程度后，视频效果变化不明显，称此时码率为当前分辨率的最大性能码率。
[0018]当有客户端接入或退出网络时，服务端根据客户端数量实时调整视频源编码码率，码率计算算法如下:
[0019]设调整前码率为c Mbps,客户端数目为num ；
[0020]当有新客户端接入时，若c* (num+1) > a,则调整码率为a/ (num+1),否则码率维持不变；
[0021]当有客户端退出时,若c* (num-1) ( b,则调整码率为a/ (num-1),否则码率维持不变。
[0022]有益效果:本发明提供的无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法，首先对初始码率进行了选择，使得系统初始用户体验最佳；然后在有客户端加入或退出时，采用基于客户端数目的码率自适应，使得在有限的带宽下，带宽利用率最高，用户体验最好；这就相当于一个供水管道给多个用水阀门供水一样，管道单位时间的可供水量是一定的(相当于网络带宽一定)，只有一个用水阀门打开时，水量会很大；当打开多个用水阀门同时打开时，水量变小，多个用水阀门平均分配管道的供水量；如果在多客户端监控系统中不采用基于客户端数量的码率自适应方案，就相当于把每个用水阀门的水量调到最低，不管在此供水管道中有几个用水阀门打开，每个用水阀门水量都保持最低状态，很明显这不是用户期望的。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明基于的无线网络视频监控系统的基本框架；
[0024]图2为无线网络视频监控系统服务端的软件架构；
[0025]图3为采用了基于客户端数量的码率自适应方案后的服务端软件架构；
[0026]图4为码率自适应调整的过程。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0028]随着无线接入技术的日益发展和不断成熟，基于无线网络的新型嵌入式视频监控系统正在兴起，并在家庭安防等应用中占据重要地位。无线网络的带宽相对有线网络是有限的，在视频监控系统中庞大的音视频数据量对网络的负载能力是一大挑战。虽然对于多播技术的研究越来越多，但其在安全性和普适性方面还有很大不足，限制了其在家庭安防的视频监控系统中的应用。受硬件条件限制或对安全性的要求在很多家庭安防的视频监控系统中依旧采用单播的网络传输方式。利用单播传输占用的网络带宽会随着客户端数量的增加而成倍增加。为保证客户端数量最多时监控视频的流畅性和完整性，码率应该设置为在连接客户端数量最多时能够正常观看监控视频的码率。若系统不会出现或很少达到客户端最大数量，而码率设置为最低码率，不仅降低了带宽利用率，而且降低了用户体验。
[0029]图1为本发明基于的无线网络视频监控系统的基本框架，用于家庭安防的小型嵌入式实时监控系统对成本和体积有很高的要求，一般采用视频采集端和视频服务器集成在一起的模式，也即两端监控系统。这种设计模式大幅度降低了产品成本和体积，同时节省了采集端上传数据到服务器的网络开销。服务端负责与客户端交互，完成视频数据的采集和编码，并把视频数据转发给请求的客户端；客户端与服务端建立连接后，接收监控视频数据并解码显示。
[0030]图2为无线网络视频监控系统服务端的软件架构，按任务分工不同可以划分为三部分:用户管理、任务调度、命令处理以及相应的处理操作。用户管理包含用户认证和用户相关信息的保存。命令处理以及相应的处理操作是指服务器根据不同请求，执行不同处理程序。若为监控视频请求,建立流媒体会话,启动数据传输流程；若为其他请求,调度执行相应的处理程序。任务调度贯穿整个过程，包含对用户请求管理、数据传输、控制处理等多项任务的调度和维护，是整个系统的中枢神经。
[0031]在监控系统中利用单播通信方式传输视频数据，客户端数量增加时，网络传输数据量会成倍增加。在一定网络带宽下，根据式(I)可知，客户端数目增加到一定数量时，需要的网络带宽可能超过实际网络带宽，造成监控数据在传输过程中丢包，直观的后果是客户端监控视频出现卡顿和花屏现象，甚至无法观看，系统延时也会增加。
[0032]server_f low = client_f low*client_num (I)
[0033]其中sevrer_flow表示服务端数据流量,client_flow表示单个客户端数据流量，client_num表示客户端数目。系统延时是指从摄像头采集视频数据到客户端显示的时间，是衡量监控系统性能的一个重要指标。
[0034]在一定网络带宽下，设在单路视频传输时可以使监控系统视频数据可靠传输的最大码率为b kbps,在η个客户端接入时支持的视频源码率最大为a kbps。为保证在I?η个客户端接入时监控系统视频数据的可靠传输，视频源的码率设置为a kbps。如果此监控系统应用场景中，客户端数目在大多数情况下小于n，此时支持的视频源码率要大于akbps，而视频源的码率固定为最低的a kbps，这样会造成带宽的浪费，用户体验的持续低下。
[0035]为较好的解决这个问题，提出了基于客户端数量的码率自适应方案，为提高此方案的广适性，对无线网络视频监控系统作如下设置:
[0036]1、受硬件条件限制或基于传输安全性考虑，监控系统选用单播传输；
[0037]2、网络带宽受限，网络带宽在多个客户端时不能满足性能要求；
[0038]3、网络带宽无波动或波动很小可忽略，即设网络实际带宽为固定值；利用单播传输时由于客户端增加引起的网络带宽占用量远大于带宽波动，故不考虑无线网络的波动，即认为网络是稳定的，带宽是固定的
[0039]4、视频源码率可调节。
[0040]图3为采用了基于客户端数量的码率自适应方案后的服务端软件架构。服务端接收到客户端的接入或退出命令时，调用码率调整模块调整码率，配置完成后摄像头按照调整后的码率重新开始采集视频数据。
[0041]服务端启动后，首先根据无线网络的带宽和视频分辨率选定初始码率。初始码率选择的具体方案如下:无线网络的带宽是有限的，设测得无线网络的带宽为a Mbps，当前视频分辨率的最大性能码率为b Mbps。若a > b则设置初始码率为b Mbps,否则设置初始码率为a Mbps。
[0042]初始码率设定后，服务端等待客户端的接入请求。当接收到客户端接入或退出请求时，根据此时客户端数量自适应调整码率。如图4所示，当有客户端接入或退出时，服务器修改系统的用户信息，更新客户端数目。当信号量释放，即前次自适应结束时，调用码率自适应算法计算对应此时客户端数目的码率，保存计算结果。比较调整码率和当前码率，如果相等则直接释放信号量，等待下次自适应调整；如果不相等，则调用摄像头驱动程序调整码率，调整完成后释放信号量，一次自适应过程结束。
[0043]基于客户端数量的码率自适应方法码率调整算法:设调整前码率为c Mbps，客户端数目为num。当有新客户端接入时，若c* (num+1) >a，则调整后码率为:a/(num+1)，否则码率维持不变。当有客户端退出时，若c* (num-1) ( b，则调整码率为a (num-Ι)，否则码率维持不变。
[0044]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法，所述无线视频监控系统包括服务端和客户端两部分，所述服务端和客户端之间通过网络连接；对该无线视频监控系统做出如下设置:1、监控系统选用单播传输；2、网络实际带宽为固定值；3、视频源码率可调节；其特征在于:服务端根据网络的带宽和视频分辨率选定初始码率，在有客户端接入或退出网络时根据客户端数量实时调整视频源编码码率。
2.根据权利要求1所述的无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法，其特征在于:设网络的带宽为a Mbps，当前视频分辨率的最大性能码率为b MbpS:ga>b，则设置初始码率为b Mbps ;否则，则设置初始码率为a Mbps。
3.根据权利要求2所述的无线视频监控系统中基于客户端数量的码率自适应方法，其特征在于:当有客户端接入或退出网络时，服务端根据客户端数量实时调整视频源编码码率，码率计算算法如下: 设调整前码率为c Mbps,客户端数目为num ; 当有新客户端接入时，若c*(num+l) > a，则调整码率为a/(num+1)，否则码率维持不变； 当有客户端退出时，若c* (num-1) ( b，则调整码率为a/(num-Ι)，否则码率维持不变。
【文档编号】H04N7/18GK103986914SQ201410229632
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】黄少珉, 王盼, 戚隆宁, 孙敬敬, 温蓝平, 王国军 申请人:东南大学