基于H.323高性能MCU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要： 針對(duì)基于H．323協(xié)議的Openh323開源視頻會(huì)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(tái)上，采用基于幀緩沖映射軟交換技術(shù)改進(jìn)源碼中的MCU，提高其存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的能力，從而增加參與視頻會(huì)議的終端；在占用較少CPU資源的同時(shí)，有效提高其傳輸速率，并縮短了傳輸時(shí)延，取得了良好的測(cè)試結(jié)果。
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摘要：針對(duì)基于H．323協(xié)議的Openh323開源視頻會(huì)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(tái)上，采用基于幀緩沖映射軟交換技術(shù)改進(jìn)源碼中的MCU，提高其存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的能力，從而增加參與視頻會(huì)議的終端；在占用較少CPU資源的同時(shí)，有效提高其傳輸速率，并縮短了傳輸時(shí)延，取得了良好的測(cè)試結(jié)果。
隨著計(jì)算機(jī)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(dāng)前H．323視頻會(huì)議系統(tǒng)大都是以O(shè)penh323協(xié)議庫(kù)為基礎(chǔ)開發(fā)的視頻和語(yǔ)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(shí)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(yīng)現(xiàn)今市場(chǎng)發(fā)展的需要，因此重新設(shè)計(jì)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(gè)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(dāng)源圖像為QCIF格式時(shí)，源圖像大小正好是混合后圖像大小的1／4，這時(shí)可以將源圖像整幅地拷貝到混合圖像的相應(yīng)位置；當(dāng)源圖像為CIF格式時(shí)，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(duì)源圖像在水平方向進(jìn)行隔點(diǎn)采樣，在垂直方向進(jìn)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(gè)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(diǎn)按倍數(shù)減少。也就是將CIF格式等分為16份，相當(dāng)于用88×72的像素點(diǎn)去存儲(chǔ)176×144 QCIF圖像，合成圖像顯示的像素點(diǎn)只有源圖像的1／4；如果將MCU可容納的終端數(shù)目擴(kuò)大為32，甚至更多時(shí)，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(duì)終端進(jìn)行連接控制以及邏輯通道的管理；MP部分對(duì)音頻進(jìn)行混合，視頻進(jìn)行合成。傳統(tǒng)MCU的設(shè)計(jì)如圖2所示，這種架構(gòu)適用于硬件MCU；但對(duì)用軟件實(shí)現(xiàn)的MCU并不太適合。用軟件實(shí)現(xiàn)的MCU的編解碼都是通過CPU來運(yùn)算的，這樣必然增加CPU的運(yùn)算負(fù)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(cè)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(yùn)算負(fù)荷過大，其資源基本耗盡，圖像合成的效果嚴(yán)重下降。
因此，要實(shí)現(xiàn)高性能的MCU，必須把MCU對(duì)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(gè)終端上，讓終端對(duì)相應(yīng)的音、視頻編碼進(jìn)行處理，而MCU只對(duì)各路的音視頻流進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，這樣才能減輕MCU的負(fù)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(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)模式，所謂的軟交換模式就是仿照交換機(jī)的模式，不對(duì)音、視頻流進(jìn)行編解碼的處理，只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)思想
MC部分的設(shè)計(jì)主要包括會(huì)議組管理、會(huì)議RTP流轉(zhuǎn)發(fā)管理。
(1)會(huì)議管理。該系統(tǒng)只默認(rèn)一組會(huì)議，且默認(rèn)的會(huì)議房間為“rooml01”。對(duì)一組會(huì)議來說，主要管理會(huì)議的成員信息，處理與會(huì)者的加入與退出等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，建立一個(gè)會(huì)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(huì)議組類主要記錄終端所選的會(huì)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(gè)終端的RTP包，一個(gè)緩沖類里面可以存在多個(gè)緩沖區(qū)。MC首先通過設(shè)定TCP特定的端口，并在端口上建立一個(gè)TCP*線程，終端通過這個(gè)端口與MCU進(jìn)行TCP連接，并由MC建立一個(gè)H．225呼叫線程，用于*H．225呼叫信令，通過這個(gè)H．225通道，終端把自己的會(huì)議組ID，IP，Token等身份認(rèn)證注冊(cè)到MC。
圖3為MC的會(huì)議管理系統(tǒng)框圖。
(2)會(huì)議RTP流轉(zhuǎn)發(fā)管理。MCU對(duì)登陸終端進(jìn)行注冊(cè)后，MC建立一個(gè)H．245控制信令線程，并與該終端進(jìn)行連接控制，通過H．245控制信令與Mc進(jìn)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(jìn)行了呼叫連接的終端分配了一一對(duì)應(yīng)的視頻緩沖接收區(qū)．該緩沖區(qū)是一個(gè)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(cè)到MCU的人員名單；通過對(duì)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(dāng)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(gè)緩沖區(qū)，通過MP對(duì)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(dāng)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(gè)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(shè)計(jì)思想
基于軟交換的MP，通過幀緩沖映射算法查找終端對(duì)應(yīng)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(shí)時(shí)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(yīng)的數(shù)據(jù)包是MP能否快速處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。考慮到MP要處理不同的終端，不同的終端對(duì)應(yīng)不同的緩沖區(qū)，所以采用哈希函數(shù)映射法，它將任意長(zhǎng)度的二進(jìn)制值映射為固定長(zhǎng)度的較小二進(jìn)制值，并把這個(gè)哈希表存放到相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)，以便多次的查找，這樣通過這個(gè)較小的二進(jìn)制值就可以以非常快的速度找到比較大的數(shù)值。因此把視頻緩沖區(qū)的首地址存放到一個(gè)哈希表里面，并通過這個(gè)哈希表把終端的Token映射于這個(gè)緩沖區(qū)，這樣通過終端的惟一TOken便可以迅速找到其對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)。
實(shí)現(xiàn)MP部分幀緩沖映射算法的具體設(shè)計(jì)步驟是：首先MCU把登陸的在線終端Token(終端的惟一標(biāo)識(shí))與會(huì)議ID默認(rèn)為roomlol，通過哈希函數(shù)，映射到一個(gè)緩沖區(qū)，通過終端的Token和會(huì)議ID，就可以直接找到本終端的緩沖區(qū)，當(dāng)MP收到終端的RTP包后，通過RTP包的邊界分析，把多個(gè)RTP合成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，然后把數(shù)據(jù)幀放到相應(yīng)的終端緩沖區(qū)里面。幀緩沖映射的查找如圖6所示。假設(shè)當(dāng)終端A要求轉(zhuǎn)發(fā)終端B的音、視頻數(shù)據(jù)流時(shí)，MP通過哈希函數(shù)找到相應(yīng)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(jìn)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(duì)其進(jìn)行音視頻進(jìn)行解碼。
2．3 MCU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思想，得出如圖7所示的MCU系統(tǒng)流程圖。
2．4 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論
通過重新設(shè)計(jì)MCU的MC和MP后，MCU的性能有了較大的提高。從性能方面進(jìn)行測(cè)試，由于傳統(tǒng)的MCU在MC上進(jìn)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(jìn)行編解碼，只對(duì)音、視頻進(jìn)行存儲(chǔ)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(jìn)行比較，由于傳統(tǒng)的MCU進(jìn)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(jìn)行到編解碼，因此數(shù)據(jù)包的延時(shí)很小。傳統(tǒng)的MCU在MC里面進(jìn)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(dá)到15 f／s，而基于軟交換的MCU能達(dá)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(jìn)前與改進(jìn)后的對(duì)比。
終端的6分界面如圖8所示。
3 結(jié)語(yǔ)
從以上的測(cè)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(shí)也說明了只要系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)合理，基于軟件的MCU是切實(shí)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(jiǎn)易操作而普及到低端用戶。
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