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用于无线显示适配器的无线传输方法研究
云静,杨大利
北京信息科技大学计算机学院,北京(100101)
摘 要:提出了用于无线显示适配器的无线视频传输系统。在分析了多种无线传输协议的特
点和系统的应用目的后,选择 作为系统的无线传输方式。介绍了基于
的无线视频传输的实现方案,概述了它的系统结构及工作流程,分析了实现过程
中的若干关键技术。
关键词:无线传输,实时视频传输,
1. 引言
无线技术有着使用便利、费用低廉、灵活性好等优点,随时随地获取信息成为了人们获
取信息的新理念。本文提出的无线显示适配器,基于无线视频传输技术,实现显示器与主机
箱相分离,无线传输显示数据。无线显示适配器可实现一对一或者一对多通信,要求能够在
显示端接收到连续流畅稳定的视频画面,因此实现该系统时,无线视频传输应具有较好的实
时性、稳定性和实用性。本文主要研究用于无线显示适配器的无线视频传输关键技术,在现
有的相关技术的基础上提出相应的方案,以较低的成本融合无线和视频压缩这两项技术,实
现应用目的,进而推动无线视频通信的发展。
2. 系统设计
实现无线显示适配器的主要技术是无线视频传输技术,其本身融合了无线传输技术和视
频压缩技术两个不同的领域。无线显示器对无线视频传输技术的要求如表 1所示。
表 1 无线视频传输系统的性能指标和设计目标
性能指标 设计目标
视频压缩比 用少的比特描述视频适应无线带宽
传输实时性 更短的传输时延,更快的编码速度
传输鲁棒性 适应传输信道的误码干扰
视频恢复质量 接收端可以获得较好的视频效果
在保证性能目标的基础上,还需要综合考虑系统的可行性、成本和实用性。视频数据具
有数据量大、实时性要求高的特点。而无线环境具有带宽有限、误码率较高,不保证传输数
据的实时性和稳定性的特点。为了解决上述问题,在带宽受限的条件下为视频传输提供可靠
的服务质量(Quality of Service, QoS)保证,已提出很多方法,如文献[4][5][6]。
为适应无线信道的低带宽,减少视频数据的传输量,必须使用高效率的压缩算法对视频
数据压缩编码。提高视频图像压缩比会增加编码算法的复杂度,因此会影响算法的实时实现,
并且可能降低视频恢复质量。同时去除了时间和空间的相关性的码流,对误码更加敏感。而
无线信道由于信号衰减和多径、阴影以及多普勒效应的存在,错误率较高[1][2][3]。因此表 1
中的指标有时是相互制约的。如图 1所示。
问题的实质是根据应用需求在设计目标之间找出一个理想的折中点,在无线带宽有效
性、传输可靠性、系统经济实用性上进行平衡,以满足 Qos 的基本参数(包括吞吐量,差
图 1无线视频传输系统中的制约
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错率,传输延迟,可靠性,安全性)的要求。本文的侧重点在于在设计系统时适合于视频传
输并能保证其实时性和鲁棒性的无线传输方法。
系统整体方案
系统整体设计及流程如图 2图 3。无线显示适配器分为两部分,主机作为发送端,显示
器为接收端。发送端包括视频源获取模块,提供视频源;压缩编码模块,采用 技术完
成视频源数据的压缩编码,适应性好,非常适合无线环境;无线传输模块完成数据的
传输。接收端包括无线传输模块;视频解码模块,完成视频的解码;显示前处理模块完成数
据送显示器前的处理工作。
图 2 硬件实现-发送端 图 3 硬件实现-接收端 图 4 传输流程
无线传输流程如图 4,在发送端,首先从主机的显存中读取到显示数据,然后做
编码压缩,打包后用无线发送。在接收端,从接收到的数据包中读出视频数据,解码后送显
示器播放。在系统工作过程中,的编码速度,无线发送速度、接收速度,解码速度应
匹配,各环节之间需设置必要的缓冲区。接收端的帧率应达到 25 帧/s 才可以满足在接收端
正常显示和播放电影等要求。本文讨论重点讨论无线传输部分,并给出无线传输的模型。
无线技术选择
用于传输实时视频数据的无线技术,要求能够提供足够的数据传输速率和稳定性。本文
以数据速率、工作频率、调频方式等角度出发,选择适用于一对一无线视频传输的无线技术。
首先分析视频获取的显存数据量,以屏幕 1024×768的一般显示模式为例,每秒传输 25
帧,24位真彩色,原始数据高达 470Mbps。的平均压缩比是 30:1。那么无线信道的
平均传输速率应该在 15Mbps以上。其次工作频率选择开放频段的 ,无需付费申请。
目前的无线传输技术如图 5 所示,结合本系统的设计目标及成本因素,选用
[7][8]。
图 5 无线技术 图 6 无线安全层次
工作频率 ,调频方式为正交频分复用(OFDM)调制技术,可以保
证最大数据通信带宽 54Mbps,实际传输速率约为 28Mbps。传输距离约 100米。在MAC层
加入了为满足 Qos服务质量方面的要求而制订的 标准。具有与以太网类似的连
接协议和数据包确认提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。采用的 PCF(点协调功能,
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基于由接入点控制的轮询方式,主要用于传输实时业务)技术等很好地解决了实时数据的传
输问题。内置式鉴定和加密协议保证安全性。
的安全分为三层,分别是无线局域网层、接入控制层和认证层,如图 6。认
证层制定决策和接受(或拒绝)申请者的身份证明。认证层接收了申请者后就将权利分派给
接入控制层。接入控制层是中间管理层,防止数据非法流出或来非法数据流入。无线局域网
是工作层,对数据进行加密和解密,有WEP加密(Wired Equivalent Privacy)和WPA加密
(Wi-Fi Protected Access)。WEP的核心是采用的 RC4算法。加密密钥长度有 64位和 128
位两种。其中有 24Bit的 IV是由系统产生的[11]。WEP加密原理:
1、先产生一个 IV(初始化向量),将其同密钥串接(IV 在前)作为 WEP Seed,采用
RC4算法生成和待加密数据等长(长度为MPDU长度加上 ICV的长度)的密钥序列;
2、计算待加密的MPDU数据校验值 ICV,将其串接在MPDU之后;
3、将上述两步的结果按位异或生成加密数据;
4、加密数据前面有四个字节,存放 IV和 Key ID,IV占前三个字节,Key ID在第四字
节的高两位,其余的位置 0。
传输协议选择
传输层的任务是根据子网的特性最佳地利用网络资源,并以可靠和经济的方式为两端主
机建立传输连接,以透明的方式传送报文,在这一层通常使用传输控制协议用户数据报协议
TCP/UDP。
视频的实时传输要求较低的时延和较小的丢包率。TCP协议是一种将拥塞控制与差错控
制融为一体的端到端传输控制协议,认为绝大部分的丢包由网络拥塞引起,其他导致丢包的
原因忽略不计。由于无线网络中的传输错误、链路/路由中断等因素的影响,则标准 TCP会经
常在网络没有拥塞的情况下启动拥塞控制,造成性能的急剧降低[9]。TCP 协议的这种传输策
略不能满足流媒体传输的要求。尽管有学者在研究这个问题,并提出了一些方法[10],但是
离解决问题还有很大的距离。
UDP 协议是一种简单的无连接传输协议,不要求对丢失的数据包进行重传,这对大多
数的多媒体应用非常适合。但是,当数据的总流量逐渐增加,同时链路总带宽一定的情况下,
数据包在网络传输过程中就会有“拥塞”现象发生,导致数据包不必要的排队时延的发生甚至
是数据包的丢失。因此,在进行实时视频传输时在传输层提供数据流控制功能是十分必要的。
但是由于 UDP本身并不提供数据流控制功能,这种情况使 UDP在大量丢包时不能够做出及
时的反应,会严重影响视频的性能。
为了保证实时视频数据能够在规定的时间内到达接收端,同时保证数据的发送端能够自
适应地适应无线环境的特性,在传输层上需要结合 TCP的流控功能和 UDP的实时性两个方
面优点的传输协议。实时传输协议 RTP(Real-Time Protocol)协议作为最具有代表性的传输
协议提供了这两方面的功能。
RTP协议是专用于多媒体数据流的一种传输协议,被定义为在一对一或一对多的传输情
况下工作,可以提供时间信息和实现流同步[12] [13]。RTP 通常使用 UDP 来传送数据,依靠
RTCP(Real-time Control Protocol)提供流控制。
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应用层
RTP打包
要通过 RTP进行 视频传输,必须把 视频数据封装成 RTP包。文献[14]中提
到了 RTP荷载格式和组包规则、组包算法。
RTP头信息包括时间戳、重要事件标记(标识图像的最后一个数据包)、序列号等信息。
编码器接口产生的 视频数据流分别被封装上 RTP 头、UDP 包头和 IP 包头,然后 IP
数据包通过无线传输网络传输给接收端。接收端收到 IP 包后按相反的序列号进行排后将视
频数据传入解码器,解码器对数据解码后进行播放,在解码的过程中可能还需要进行差错处
理(如果有数据丢失)。
打包的设计要求有:具有较低的开销;无需解开包中携带的比特流的情况下能区分该
RTP包的重要性,能够检测出由于误码所造成的无法解码。
本文涉及的系统中,视频数据是实时获取、传输并实时解码播放的,根据要求,组包模
式采用了文献[14]中提出的非交错组包模式,即按照编码出来的视频流的顺序进行组包。非
交错模式组包适用于低延迟的实时系统。
码率控制
通过前面的设计已经基本可以保证无线视频传输的带宽、吞吐量、安全性等。还需要解
决差错率和延迟控制问题。在实时传输中,视频服务对包的延迟非常敏感,但却可以容忍一
些丢帧和传输错误。因此下面重点考虑传输的延迟,适当考虑丢包问题。
在实时视频无线传输中,一般会根据需要采用自适应的编码方法,即编码器根据获得的
信道状态信息自动调整编码参数(包括量化参数、帧率和空间分辨率参数等),生成适合当
前无线传输的码流-即码率控制。码率控制的目的是根据网络吞吐量的约束条件,在视频序
列的编码单位,如图像组(GOP)、帧、条(slice)、宏块和块之间进行适当的码率分配,以确
保解码端获得较好的图像质量和较短的系统延时。
视频码率控制用图 7描述。原始视频输入编码器进行编码,当第 1帧编码结束后,相应
的压缩码流 Ri 被输入到缓存器,用户网络接口选择适当的信道码率,然后将经编码器平滑
后的码流送到网络。压缩后的视频码流经过网络到达解码缓冲器,经过 L帧的系统延时后,
第 i帧的压缩流到达解码器进行还原视频编码时,用户网络接口会先选择信道码率。
图 7 码率控制流程 图 8 传输模型
码率控制算法[15]一般是通过调整 DCT变换系数的量化参数,来实现达到控制输出码流
速率的目的。在 视频编码中,码率控制主要在三个层次上进行:GOP层的码率控制、
Frame层的码率控制和基本单元层的码率控制。具体过程如下:
首先是 GOP的目标比特数 TGOP分配,如公式(1)所示,
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(1) BN
Rf
RbT GOPGOP −×=
式(1)中,Rb表示视频的比特速率(bit rate),Rf表示视频的帧速率(frame rate),NGOP表
示一个 GOP中的帧数,B则表示当前缓存区的充满度。然后要分配当前帧的目标比特数 Tb。
Tb要考虑缓存区充满度 B和剩余视频编码帧平均比特数 Tr两方面的影响,B一般取决于帧
速率、比特速率和信道可用带宽,如公式(2)所示,
(2) Trβ)(1BβTb ×−+×=
β是权重常数。当前编码帧的量化参数 QPc由二次模型计算求得,如公式(3)所示,
(3) m
QPc
MADb
QPc
MADaTb 2 −×+×=
式(3)中,a、b是随时更新的系数,MAD表示图像复杂度,m则表示编码头信息和运动
矢量所用的比特数。最后,为了保证图像的视觉平滑性,要尽量避免相邻帧之间的量化参数
激增,用公式(4)对 QPc进行调整,QPp表示前一个 P帧的量化参数,
(4) QPc)}2,max(QPp2,min{QPpQPc −+=
经过以上的分析,得到如图 8的针对无线显示适配器的无线传输模型。
3. 实验与结论
第一部分实验主要完成 TCP协议和 RTP协议的对比实验。实验环境是一台台式机,一
台笔记本,主频 2GHz。两块 Netgear WG111 v2(芯片组 Realtek8187),支持
标准。视频测试序列是 mobile(300帧,CIF格式)和 foreman(300帧,CIF格式)。由于系统主
要面向家庭用户,环境中的其他无线信号干扰较小,因此实验环境中没有设置无线干扰信号。
实验结果如下表。
表 2 TCP协议传输视频-mobile 表 3 RTP协议传输视频-mobile
传输条件 速度均值 速度方差
4米(无障碍)
8米(不完全遮挡)
10米(不完全遮挡)
10米(两个房间)
传输条件 速度均值 速度方差
4米(无障碍)
8米(不完全遮挡)
10米(部分遮挡)
10米(两个房间)
表 4 TCP协议传输视频-foreman
表 5 RTP协议传输视频-foreman
传输条件 速度均值 速度方差
4米(无障碍)
8米(不完全遮挡)
10米(不完全遮挡)
10米(两个房间)
传输条件 速度均值 速度方差
4米(无障碍)
8米(不完全遮挡)
10米(不完全遮挡)
10米(两个房间)
实验表明,虽然在无线环境比较好的时候 TCP和 RTP的传输速度接近,但是当无线环境
由于有障碍物等原因,传输条件下降时,TCP 的传输速度比 RTP 慢。为保证无线显示的实
时性,本系统采用 RTP传输方式。
第二部分完成自适应码率控制算法对比实验。采用 mobile 和 foreman 视频序列。其中
PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)是峰值信噪比,衡量经过处理的影像品质,PSNR值越大,
表示失真越少。
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图 9 foreman的性能 图 10 mobile的性能
图 9、10是分别对给定的视频序列采用自适应码率控制算法,和没有采用控制算法的视
频信噪比的对比图。从图中可得,在码率控制下,视频效果有所提高,码率控制算法是有效
的。因此系统中,码率控制是传输模型的一部分。
本文提出了针对无线显示器的适用于 视频流实时传输的 RTP 传输模型。通过实
验证明,本文提出的方案可以获得良好的视觉质量。
4. 结束语
无线视频实时传输是当前的一个技术热点,本文针对无线显示适配器的特点(实时、点
对点传输)和现实要求,在现有的各项技术的基础上提出了一套高效、实用的视频无线通信
方案。利用本文所提方案,成功地将计算机主机的显示数据实时地无线传输到显示器上,实
验验效果很好。表明了本方案的可行性和实用性。
参考文献
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Wireless transmission methods research for wireless display
adapter
Yun Jing,Yang Dali
School of Computer Science, Beijing Information Science & Technology University Beijing
(100101)
Abstract
The display adapter for wireless video transmission system is proposed. Based on analysis of a variety
of wireless transmission protocol, is selected as a system of wireless transmission.
Scheme of wireless video transmission is its structure and work flow
system, key technologies are outlined.
Keywords: Wireless transmission, real-time video transmission,
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