□胡耀民 晏細(xì)蘭

一、分散式全景視頻系統(tǒng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與節(jié)點配置

(一)系統(tǒng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于全景視頻系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，并且通信量大，無法承受過高的通信代價[1]，這時必須為分散式視頻全景系統(tǒng)提供一個高速通信的環(huán)境。本系統(tǒng)搭建高速局域網(wǎng)如圖1所示。

圖1 24路視頻全景系統(tǒng)物理拓?fù)?/p>

為了方便攝像機的統(tǒng)一管理，攝像機均連接到固定在攝像機陣列上的一個千兆交互機，而各個計算節(jié)點統(tǒng)一連接另一個千兆交換機，最后將兩個交換機通過交換機專用高速接口連接在一起[2～3]。由于計算節(jié)點與攝像機通信時交互次數(shù)只要兩次，使得實測網(wǎng)絡(luò)延時<1ms。

(二)分散式全景視頻系統(tǒng)需求與配置。本系統(tǒng)所需設(shè)備：24路網(wǎng)絡(luò)攝像頭陣列，能輸出幀率達到25fps的標(biāo)清視頻；千兆交互機2臺。計算機節(jié)點如表1所示。在本次系統(tǒng)設(shè)計中選用3臺性能差異較大的計算機作為計算節(jié)點以驗證分散式系統(tǒng)在異構(gòu)環(huán)境下仍然能夠發(fā)揮作用。此外配置1同時擔(dān)任系統(tǒng)控制節(jié)點。

二、分散式全景視頻系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本分散式系統(tǒng)需要對管理系統(tǒng)和計算節(jié)點分布實現(xiàn)應(yīng)用

表1 節(jié)點配置

程序的接口，管理服務(wù)器主要完成參數(shù)學(xué)習(xí)、多分辨瀏覽控制、全景數(shù)據(jù)融合和節(jié)點任務(wù)管理；計算節(jié)點應(yīng)用接口負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)采集、局部全景視頻投影與存儲和多分辨瀏覽數(shù)據(jù)提取。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

三、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分析

數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)節(jié)點的串行方式可以分為節(jié)點間網(wǎng)絡(luò)傳輸和節(jié)點內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)傳輸方面本系統(tǒng)使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，該協(xié)議提供無邊界數(shù)據(jù)傳輸，帶有糾錯功能，能實現(xiàn)無丟失的數(shù)據(jù)交換，傳輸能力主要由網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換能力決定。本系統(tǒng)使用的是千兆交互機和千兆網(wǎng)卡，交換機能實現(xiàn)線路的自動開關(guān)，使得端與端之間的數(shù)據(jù)交換互不影響，也就是說各個計算節(jié)點都能實現(xiàn)1,000Kb/s的數(shù)據(jù)交換能力。節(jié)點內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通過數(shù)據(jù)總線決定，其數(shù)據(jù)交換能力非常大，相對于網(wǎng)絡(luò)傳輸其數(shù)據(jù)交換代價可以忽略不計。根據(jù)串行任務(wù)中交換數(shù)據(jù)的不同，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需求主要模塊作出如下分析。

(一)攝像機至采集模塊。攝像機輸出數(shù)據(jù)采用H.264的MPG4編碼方式，該方式通過設(shè)定關(guān)鍵幀與幀間差分的方式去除視頻中的冗余信息，實現(xiàn)高壓縮比的視頻壓縮。由于本系統(tǒng)中全景目標(biāo)幀率為10fps，所以把攝像機的物理采集幀率與關(guān)鍵幀隔設(shè)定為10fps，這時視頻碼率設(shè)定為2Mb/s時視頻圖像能保持較好質(zhì)量。24路視頻數(shù)據(jù)均在一個交換機出口輸出，輸出帶寬需求為24×2Mb/s=48Mb/s，遠(yuǎn)低于交換機的帶寬容量。

(二)采集模塊至投影模塊。如果該兩個模塊被分配到了不同的節(jié)點，必須通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。采集模塊通過解碼后，把每幀圖片提取出來，對于720p圖像，其原始大小為1,280×720×3×8bit≈21Mbit，對于視頻為10fps的處理速度其帶寬需求為210Mb/s，雖然網(wǎng)絡(luò)帶寬能滿足需求，但是也會造成每幀在網(wǎng)絡(luò)傳輸上花費21ms，由于串行流水線操作中數(shù)據(jù)傳輸是必要開支，對本系統(tǒng)中流水線單步執(zhí)行時間限制在100ms以內(nèi)的需求來說網(wǎng)絡(luò)傳輸花費時間太多。為了減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，必須對圖像進行壓縮，本系統(tǒng)利用JPEG圖像壓縮，在壓縮比在15∶1時，一幀圖像大小約在1.4Mbit，網(wǎng)絡(luò)傳輸時間為1.4ms，另外壓縮圖像也會增加另外的編解碼計算成本，實際測試中，不同計算能力的計算機對720p圖像進行JPGE編碼和解碼時間為2～6ms內(nèi)，所以采用圖像壓縮后傳輸圖像顯得更加效率。

(三)投影模塊至壓縮模塊。由于本系統(tǒng)中攝像機除了角度參數(shù)外其他參數(shù)基本相同，所以圖像在投影變換后畸變一般很小，大小與原始圖像相仿，其網(wǎng)絡(luò)要求與(2)是一樣的。

以上分析是根據(jù)理論值計算的，實際測試中根據(jù)圖像內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)瞬時狀態(tài)存在10%～20%左右的浮動。可以看出，數(shù)據(jù)傳輸是流水線操作上的產(chǎn)品傳遞時間，該時間由各個傳輸過程中最慢的一塊決定，即裁剪模塊至融合模塊，也就是說提供給各個模塊的最大計算時間為75ms，大于該時間會出現(xiàn)流水線不同步，任務(wù)堆積在某一個模塊。

四、系統(tǒng)任務(wù)測試與分配

(一)任務(wù)功耗需求計算。以配置3為任務(wù)測試環(huán)境，測試各個任務(wù)1,024次，其中t3以其最大值(視窗分辨率和圖像分辨率一致并包含整個圖像)計算結(jié)果如表2所示。

表2 任務(wù)需求

從表2可以看出，其通信消耗非常大，說明優(yōu)秀的分配結(jié)果基本上會是把任務(wù)直接本地串行以減少傳輸消耗，只有在考慮任務(wù)均衡時才會引入少量傳輸消耗。

表3 節(jié)點測試

五、結(jié)語

綜上所述，可以看出本系統(tǒng)對24路全景視頻的處理還是有一定的負(fù)荷余量，通過調(diào)節(jié)幀率或擴大陣列規(guī)模，系統(tǒng)效率還可以提高。分散式系統(tǒng)對實時和異構(gòu)系統(tǒng)都有很好的適用性。通過繼續(xù)擴大節(jié)點規(guī)模，各個節(jié)點的負(fù)荷率將會減少，當(dāng)規(guī)模達到一定程度時，基本可以達到在不影響各個節(jié)點用戶本身的使用需求下，仍然保證系統(tǒng)的流暢運行。