基于H.323高性能MCU的設計與實現(xiàn)
摘要： 針對基于H．323協(xié)議的Openh323開源視頻會議系統(tǒng)中源MCU容納終端有限，圖像質(zhì)量差等缺陷，在VC++6．0開發(fā)平臺上，采用基于幀緩沖映射軟交換技術(shù)改進源碼中的MCU，提高其存儲轉(zhuǎn)發(fā)的能力，從而增加參與視頻會議的終端；在占用較少CPU資源的同時，有效提高其傳輸速率，并縮短了傳輸時延，取得了良好的測試結(jié)果。
Abstract：
Key words :
摘要：針對基于H．323協(xié)議的Openh323開源視頻會議系統(tǒng)中源MCU容納終端有限，圖像質(zhì)量差等缺陷，在VC++6．0開發(fā)平臺上，采用基于幀緩沖映射軟交換技術(shù)改進源碼中的MCU，提高其存儲轉(zhuǎn)發(fā)的能力，從而增加參與視頻會議的終端；在占用較少CPU資源的同時，有效提高其傳輸速率，并縮短了傳輸時延，取得了良好的測試結(jié)果。
隨著計算機的硬件，特別是CPU主頻的不斷提升，基于軟件的音、視頻編碼效率也越來越高，因此考慮到成本與各方面的因素，軟件MCU必然成為以后的主流方向。但現(xiàn)今大多的MCU都是軟硬件相結(jié)合，純軟件的MCU很少且效率不高。
當前H．323視頻會議系統(tǒng)大都是以Openh323協(xié)議庫為基礎開發(fā)的視頻和語音傳輸系統(tǒng)軟件。Openh323是由澳大利亞Equivalence Pty Ltd．公司組織開發(fā)的，能實現(xiàn)基本的H．323協(xié)議框架，在Openh323 V4中，基于視頻緩存池的MCU最多只能處理合成4路終端，不能適應現(xiàn)今市場發(fā)展的需要，因此重新設計MCU的架構(gòu)，便成為研發(fā)軟件MCU的關(guān)鍵。
l 源MCU的缺陷和不足
(1)OpenH323中源MCU只能形成不超過4個終端畫面的圖像。其中，4×1為CIF格式(352×288)；l×1為QCIF格式(176×144)，因此視頻混合存在兩種不同方式，包括QCIF格式源圖像混合成CIF格式圖像以及CIF格式源圖像混合成CIF格式圖像，如圖1所示。
當源圖像為QCIF格式時，源圖像大小正好是混合后圖像大小的1／4，這時可以將源圖像整幅地拷貝到混合圖像的相應位置；當源圖像為CIF格式時，源圖像與混合后圖像的大小一樣，因此源圖像3／4的像素必須被丟掉，采用的方法是：對源圖像在水平方向進行隔點采樣，在垂直方向進行隔行采樣。這樣處理之后，源圖像大小也正好是混合后圖像大小的1／4，雖然圖像的分辨率已經(jīng)下降，但是保持了源圖像畫面的完整性；如果將MCU變成可容納16個終端的顯示畫面，在將QCIF源圖像轉(zhuǎn)換為CIF的合成圖像過程中，只能將源圖像的采樣點按倍數(shù)減少。也就是將CIF格式等分為16份，相當于用88×72的像素點去存儲176×144 QCIF圖像，合成圖像顯示的像素點只有源圖像的1／4；如果將MCU可容納的終端數(shù)目擴大為32，甚至更多時，圖像的清晰度將大打折扣。
(2)傳統(tǒng)軟件MCU的架構(gòu)是從硬件MCU繼承過來的，MCU包括MC和MP部分。MC部分對終端進行連接控制以及邏輯通道的管理；MP部分對音頻進行混合，視頻進行合成。傳統(tǒng)MCU的設計如圖2所示，這種架構(gòu)適用于硬件MCU；但對用軟件實現(xiàn)的MCU并不太適合。用軟件實現(xiàn)的MCU的編解碼都是通過CPU來運算的，這樣必然增加CPU的運算負荷。例如：要編碼一路30 f／s的CIF(352×288)圖像，大概編碼后的字節(jié)數(shù)為30×352×288×2=6 MB，CPU要處理如此大的視頻數(shù)據(jù)量，經(jīng)測試，P4-2．6 G的CPU在這種架構(gòu)下，最多支持5路終端，如超過5路，CPU運算負荷過大，其資源基本耗盡，圖像合成的效果嚴重下降。
因此，要實現(xiàn)高性能的MCU，必須把MCU對多路音、視頻編碼的大數(shù)據(jù)量處理的工作環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到各個終端上，讓終端對相應的音、視頻編碼進行處理，而MCU只對各路的音視頻流進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，這樣才能減輕MCU的負荷，從而提高系統(tǒng)的整體效率。
2 幀緩沖映射的軟交換模式的MCU的設計
綜上所述，在此提出采用基于幀緩沖映射軟交換的 MCU系統(tǒng)設計模式，所謂的軟交換模式就是仿照交換機的模式，不對音、視頻流進行編解碼的處理，只對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)與控制。
該MCU也包括MC與MP。基于軟交換的MP，通過幀緩沖映射算法，查找終端對應的緩沖區(qū)，然后到把接收到的音、視頻流存放到該緩沖區(qū)里面，通過MC控制，把音、視頻數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到終端。
2．1 MC部分總體設計思想
MC部分的設計主要包括會議組管理、會議RTP流轉(zhuǎn)發(fā)管理。
(1)會議管理。該系統(tǒng)只默認一組會議，且默認的會議房間為“rooml01”。對一組會議來說，主要管理會議的成員信息，處理與會者的加入與退出等。為了實現(xiàn)這些功能，建立一個會議組類、成員信息類、成員狀態(tài)類、成員身份類和成員視頻緩沖類。會議組類主要記錄終端所選的會議ID；成員信息類主要記錄終端的Token，IP地址等信息；成員類狀態(tài)主要記錄成員是否在線；成員身份類可以確定是主席，還是聽眾；成員視頻緩沖類主要是存放在線各個終端的RTP包，一個緩沖類里面可以存在多個緩沖區(qū)。MC首先通過設定TCP特定的端口，并在端口上建立一個TCP*線程，終端通過這個端口與MCU進行TCP連接，并由MC建立一個H．225呼叫線程，用于*H．225呼叫信令，通過這個H．225通道，終端把自己的會議組ID，IP，Token等身份認證注冊到MC。
圖3為MC的會議管理系統(tǒng)框圖。
(2)會議RTP流轉(zhuǎn)發(fā)管理。MCU對登陸終端進行注冊后，MC建立一個H．245控制信令線程，并與該終端進行連接控制，通過H．245控制信令與Mc進行呼叫、信令處理與能力協(xié)商、主從決定；然后建立音、視頻的接收邏輯通道，通過RTP接收類開始接收終端發(fā)送的RTP幀。把RTP幀保存到分配給該終端緩存區(qū)里。MC為已經(jīng)進行了呼叫連接的終端分配了一一對應的視頻緩沖接收區(qū)．該緩沖區(qū)是一個分配在堆里面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如：在終端A的在線人員列表上，可以看到登陸注冊到MCU的人員名單；通過對終端的人員名單的選擇，例如選擇B，那么終端A可以要求MC轉(zhuǎn)發(fā)終端B的音、視頻，當MC收到終端A提交的要求轉(zhuǎn)發(fā)終端B的信息后，在MC的A終端緩沖池里面，為終端B新建一個緩沖區(qū)，通過MP對終端B的Token的幀緩沖映射查找到終端B的音視頻緩沖池，并在終端A與終端B之間建立一條邏輯通道，用于向終端A傳輸終端B的RTP包，當MC的終端A緩沖類接收到終端B的RTP包后，把RTP包拷貝到原來的接收緩沖區(qū)里；然后同樣把終端B的惟一Token通過哈希函數(shù)映射到這個緩沖區(qū)上。
圖4為MC的RTP管理系統(tǒng)框圖。MC的軟交換模式如圖5所示。
2．2 MP部分總體設計思想
基于軟交換的MP，通過幀緩沖映射算法查找終端對應的緩沖區(qū)，然后把接收到的音、視頻流存放到該緩沖區(qū)里面，通過MC的控制，把音、視頻數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到終端。由于MCU需要處理大量的實時RTP包，效率成為了最主要的問題。因此如何從緩沖區(qū)里面快速搜索相應的數(shù)據(jù)包是MP能否快速處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵?？紤]到MP要處理不同的終端，不同的終端對應不同的緩沖區(qū)，所以采用哈希函數(shù)映射法，它將任意長度的二進制值映射為固定長度的較小二進制值，并把這個哈希表存放到相應的內(nèi)存區(qū)，以便多次的查找，這樣通過這個較小的二進制值就可以以非?？斓乃俣日业奖容^大的數(shù)值。因此把視頻緩沖區(qū)的首地址存放到一個哈希表里面，并通過這個哈希表把終端的Token映射于這個緩沖區(qū)，這樣通過終端的惟一TOken便可以迅速找到其對應的緩沖區(qū)。
實現(xiàn)MP部分幀緩沖映射算法的具體設計步驟是：首先MCU把登陸的在線終端Token(終端的惟一標識)與會議ID默認為roomlol，通過哈希函數(shù)，映射到一個緩沖區(qū)，通過終端的Token和會議ID，就可以直接找到本終端的緩沖區(qū)，當MP收到終端的RTP包后，通過RTP包的邊界分析，把多個RTP合成一個數(shù)據(jù)幀，然后把數(shù)據(jù)幀放到相應的終端緩沖區(qū)里面。幀緩沖映射的查找如圖6所示。假設當終端A要求轉(zhuǎn)發(fā)終端B的音、視頻數(shù)據(jù)流時，MP通過哈希函數(shù)找到相應終端B的緩沖區(qū)域，然后把該緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀出到數(shù)據(jù)幀里面，最后通過RTP包進行發(fā)送到終端A，而終端A在接收到MCU發(fā)送的終端B的音視頻數(shù)據(jù)壓縮包后，再對其進行音視頻進行解碼。
2．3 MCU系統(tǒng)實現(xiàn)
根據(jù)以上的設計思想，得出如圖7所示的MCU系統(tǒng)流程圖。
2．4 測試結(jié)果與結(jié)論
通過重新設計MCU的MC和MP后，MCU的性能有了較大的提高。從性能方面進行測試，由于傳統(tǒng)的MCU在MC上進行編解碼，只能容納4路音、視頻終端，而通過修改的MCU，MC沒有進行編解碼，只對音、視頻進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，因此在9路音、視頻的情況下，系統(tǒng)的CPU只占有5％。從效率、質(zhì)量方面進行比較，由于傳統(tǒng)的MCU進行了4路編解碼，返回到終端的數(shù)據(jù)包延遲比較大，而修改過的MCU沒有進行到編解碼，因此數(shù)據(jù)包的延時很小。傳統(tǒng)的MCU在MC里面進行圖像的混合，圖像的分辨率變?yōu)樵瓉淼?／4，因此圖像質(zhì)量有較大的下降，而基于軟交換的MCU保持了原來圖像的分辨率，因此圖像質(zhì)量較好。從視頻的幀數(shù)來比較，傳統(tǒng)的MCU架構(gòu)不能達到15 f／s，而基于軟交換的MCU能達到30 f／s。由于基于軟交換的MCU的視頻傳輸?shù)氖窃瓉韴D像的分辨率，因此傳輸率比傳統(tǒng)的MCU要高，但可以通過在終端采用傳輸率較低的編碼器來降低傳輸率。表1為MCU改進前與改進后的對比。
終端的6分界面如圖8所示。
3 結(jié)語
從以上的測試證明，基于軟交換的MCU架構(gòu)，使MCU的性能有了很大的提高。本文同時也說明了只要系統(tǒng)程序設計合理，基于軟件的MCU是切實可行的。隨著硬件水平的不斷提高，純軟件的MCU將以其低成本、簡易操作而普及到低端用戶。
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