基于RUDP的无线视频传输技术

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.34MB 46 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 课题研究背景及意义
采用有线线缆的传统的模拟视频传输系统、数字传输系统已不能满足人们对
数据传输的要求：视频监控的使用范围从办公室、写字楼、车间等便于布线的简
单环境拓展到了海上、山地、矿井、野外等区域，在这些复杂的环境条件下实现
有线网络传输具有局限性，如需铺设大量的地上、地下设备线缆，成本高，施工
周期长等，这使得有线的点对点或多点对点的实时视频传输系统的使用受到限制。
与有线网络相比，无线网络具有可移动性、联网方便、成本低廉等优点[1]，而且视
频压缩技术的发展使得传输视频信号需要的带宽越来越小，因此在山地、矿井、
等需要安装视频监控的恶劣环境中，可以使用无线网络实现视频的监控。由于技
术方面的不足，无线通信技术目前广泛应用于数据、语音传输，在视频传输应用
方面较少，有待进一步发展。
近几年计算机处理能力和存储容量的大幅度提高， 无线网络传输技术以及多
媒体处理技术的迅速发展，使得无线大数据（视频、音频数据）传输的研究和应
用得到了越来越多人的关注：可视电话，电视电话会议，工厂车间、交通管制的
监测和监控等。
采用无线传输的嵌入式视频传输系统把视频采集、数据压缩解码、传输功能
集中到质量轻、体积小的微处理器中，处理速度快、可靠性高、成本低、使用简
单方便。
§1.2 研究现状及发展
§1.2.1 视频传输系统的现状
根据传输媒质的不同，视频传输技术分为两种：基于有线网络的视频传输技
术和基于无线网络的视频传输技术[2]。基于有线网络的视频传输技术的传输媒质为
光纤、同轴电缆等，它的优点是传输质量好、容量大，但成本高、维修困难；基
于无线网络的视频传输技术的传输媒质为微波等，具有可移动性、联网方便、成
本低廉等优点。
在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频传输系统和数字视频传
输系统两类产品[3]。前者已发展成熟、性能稳定，并广泛应用于实际工程中。尤其
基于 RUDP 的无线视频传输技术的研究
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是在大、中型视频监控工程中。后者则是以计算机技术及视频压缩技术为核心的
新型视频传输系统，该系统由于克服了模拟系统的部分弊端而迅速崛起，但仍然
需要进一步发展。目前，视频传输系统正处在数控模拟系统与数字系统的混合应
用阶段，逐渐向数字系统发展。
数字信号控制的模拟视频传输系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集
总方式的信息采集网络，有很多局限性。如：适合于小范围的区域传输、系统扩
展能力差等。
90 年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展，数
字视频传输系统迅速崛起，目前市场上有两种数字视频传输系统类型，一种是以
数字录像设备为核心的传输系统，另一种是以嵌入式 web 服务器为核心的视频传
输系统。以数字录像设备为核心的传输系统主要是嵌入式的视频传输系统，该系
统实时性好、性能稳定、适合于大量的视频数据，但是在网络功能、音频、视频
同步等方面欠缺。嵌入式 web 服务器是将摄像机送来的数字信号经过压缩，通过
内部总线送到内置的 web 服务器，用户可以通过网络用浏览器观看 web 服务器上
的图像。该系统具有布控局域广阔、无线的扩展能力、可以组成复杂的监控网络、
性能稳定可靠、无需专人管理等优点，但是对网络带宽要求较高。
§1.2.2 传输协议的现状
目前采用的传输协议主要有以下几种：
（1）传输控制协议[4][5]
传输控制协议（TCP）是目前应用最广泛的传输层协议，它在不可靠的网络上
通过发送端和接收端的相互协作和重传机制提供了可靠的数据流传输服务和面向
连接的数据流协议，并可进行拥塞控制和流量控制。
TCP 的“面向连接”是指：在数据通信之前，基于 TCP 的两端必须先建立连
接，而且只有连接的两端才可以在该条连接上进行数据通信。
TCP 的可靠性：当 TCP 向另一端发送数据时，它要求对端返回一个确认。如
果确认没有收到，TCP 会自动重传数据并等待更长时间。多次重传失败后，TCP
才会放弃数据传输（重传数据所用时间根据具体情况由开发者来决定）。但 TCP 并
不保证对端一定接收数据，它提供的只是数据的可靠投递或故障的可靠通知。
TCP 的流量控制服务：TCP 的“滑动窗口”总是告诉对端它能够接收多少字
节的数据。该窗口在任何时候都可以告诉发送端接收缓冲区的可用空间，从而保
证发送端发送的数据不会溢出接收缓冲区。该“窗口”在时时刻刻变化，当接收
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到数据时，窗口便会缩小，当接收端应用进程从缓冲区中读取数据时，窗口增大。
TCP 也有其局限性：首先，TCP 将所传输的数据严格按序提交给用户。但对
于某些不需要严格的按序甚至允许部分报文丢失的数据传输，比如实时流媒体业
务等。如果采用 TCP 则会导致不必要的延时。其次，TCP 是面向比特流的传输，
用户必须自己处理消息的边界问题，开销较大。
（2）用户数据报协议[4][5]
用户数据报协议(UDP)是基于消息的传输协议，具有传输速率快、开销小等优
点。主要用来进行无连接的大数据量的传输，它支持那些需要在计算机之间传输
大数据的网络应用，但它提供的传输服务是不可靠的，因此，比较适合用于时延
敏感的业务，如网络视频会议系统。
UDP 使用报头中的校验值来保证数据的安全。首先在数据发送端通过特定的
方法计算得出校验值，当接收方接收到数据后，再用相同的方法重新计算校验码，
并将发送端和接收端的校验值进行比较，根据发送端和接收端的校验值是否相同
来判断数据在传输过程中是否受到损坏。由于 UDP 本身不提供可靠数据传输服务，
也没有流量控制、差错控制和分组顺序控制，这些只能由上层应用来完成。
（3）流控制传输协议[4][5]
流控制传输协议（SCTP）是一种面向消息的可靠的传输层协议，运行于不可
靠传递的网络上，主要用于在 IP 网络上传输 PSTN 信令信息。SCTP 在客户和服
务器之间提供关联，并像 TCP 那样给应用层提供可靠性、排序、流量控制以及全
双工的数据传输服务。
SCTP 用于解决 TCP 在传输实时的信令和数据时存在的局限性和复杂性问题。
它可以为用户提供下列服务：用户数据无错误无重复的确认传输；为避免 IP 层的
分段，根据检测到的 MTU 长度进行用户数据分段处理；用户信息可按到达顺序发
送；可以选择性的将多个用户信息绑定到单个 SCTP 包；通过关联的一个终端或两
个终端多重宿主支持来为网络故障规定容度。
目前，摩托罗拉、思科、西门子、北电、诺基亚等公司已完成了 SCTP 协议的
实现和互连测试，但对其性能还未做出仿真评估，因此，SCTP 协议在互联网中的
应用还有待进一步研究。
（4）可靠用户报传输协议
可靠用户报传输协议（RUDP），是一种基于 RFC908 和RFC1151（第二版）
的包传输协议。 RUDP 在传输层 UDP 协议的基础上添加了与 TCP 协议相类似的
某些功能，以确保数据进行可靠、高效的收发。它兼具 UDP 和TCP 的优点，改善
了UDP 的不可靠性，提高了 TCP 的传输效率。
基于 RUDP 的无线视频传输技术的研究
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目前，RUDP 协议主要应用在以下几方面：在由机器人远程控制的视频传输中，
使用 RUDP 技术来满足网络视频实时传输中对时延和丢包率的要求；在商用
WCDMA 标准的 3G 网络管理系统中，使用 RUDP 协议来解决同时与 5000 个以上
的NodeB 网元进行连接、通信的问题；在 VxWorks 的基础上建立起的稳定可靠的
通信支撑系统中，用 RUDP 协议实现前台单板之间的通信；在嵌入式系统的研究
中，开始用 RUDP 协议作为通信协议的案例也越来越多[6]。
§1.2.3 视频传输系统的发展
视频传输系统向视频数字化、传输网络化、系统集成化方向发展是必然的，
系统集成化以网络化为基础，网络化又以数字化为前提。因此，视频传输发展的
两个最大的特点就是数字化和网络化[7]。
视频传输系统数字化的目的是使视频传输系统与安防系统中其他各子系统能
够在统一的平台实现管理和控制，其实现过程是首先将系统中的信息由模拟状态
转换为数字状态，然后使用开放式的协议、高效率的编码压缩、数字化的信息流
使得视频传输系统与安防系统中的其他子系统实现无缝连接，以达到有效的管理
和控制。
视频传输系统的网络化打破了布控区域和设备扩展的地域和数量限制。视频
传输系统的网络化就是系统的结构由集总式向采用多层分级结构的集散式系统过
渡。集散式系统能够实现抢险任务调度算法的快速响应，具有实时多任务、多用
户、分布式操作系统。组成此类系统的硬件和软件均是标准化、模块化和系列化
的设计，系统设备的配置具有通用性强，开放性好，系统组态灵活，控制功能完
善，数据处理方便，人机界面友好，系统运行互为热备份，容错可靠以及系统安
装、调试和维修简单化等优点。
§1.3 本文的研究内容
本文的目标是在无线网络环境下，使用 RUDP 协议实现视频传输。作者的工
作：
1、开发环境的选择，包括硬件开发环境和软件开发环境的选择。
2、传输协议 RUDP 的分析和研究，包括 RUDP 的数据结构、状态机和实现机
制。
3、视频采集程序、视频传输程序、视频显示程序的设计与实现。
第一章 绪论
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§1.4 本文的结构安排
本文共分为六章。
第一章 绪论。介绍了课题的研究背景及意义，以及视频传输系统和传输协议
的现状。最后给出了本文的主要研究内容和结构安排。
第二章 视频传输系统总体方案设计。给出了视频传输系统的整体方案，分别
从硬件和软件两方面进行介绍，并介绍了硬件平台的选择依据。
第三章 系统软件开发环境的建立。对几种嵌入式操作系统进行比较，选出了
系统软件开发所使用的操作系统。接着重点介绍了开发环境的搭建，包括
Bootloader 的引导、内核启动、宿主机配置、交叉编译环境搭建。
第四章 视频数据采集。给出了基于 Video4Linux 的视频采集流程及程序的实
现，并对数据采集进行了测试。最后分析和研究了 H.264 编码技术。
第五章 无线网络视频传输。详细的分析和研究了 RUDP 协议的实现机制，在
此基础上实现了基于 RUDP 协议的传输程序，并进行了测试。
第六章 总结与展望。总结全文，指出了本文的不足，并对本课题的进一步研
究和发展方向提出了展望。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题研究背景及意义采用有线线缆的传统的模拟视频传输系统、数字传输系统已不能满足人们对数据传输的要求：视频监控的使用范围从办公室、写字楼、车间等便于布线的简单环境拓展到了海上、山地、矿井、野外等区域，在这些复杂的环境条件下实现有线网络传输具有局限性，如需铺设大量的地上、地下设备线缆，成本高，施工周期长等，这使得有线的点对点或多点对点的实时视频传输系统的使用受到限制。与有线网络相比，无线网络具有可移动性、联网方便、成本低廉等优点[1]，而且视频压缩技术的发展使得传输视频信号需要的带宽越来越小，因此在山地、矿井、等需要安装视频监控的恶劣环境中，可以使用无线网络实现视频的...

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