基于網絡自適應擁塞控制技術的視頻處理系統

趙飛 仉樹軍 郭勝楠 洪波

摘要：為解決在復雜網絡環境下傳輸視頻流時，因網絡可用帶寬的不穩定造成的遠端監控視頻出現模糊、馬賽克及卡頓等問題，在視頻處理系統中增加視頻流傳輸的網絡自適應擁塞控制機制，以實現視頻流在復雜的網絡傳輸環境中高效、平滑、穩定的傳輸。

關鍵詞：復雜網絡環境；視頻處理系統；網絡自適應擁塞控制機制

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）16-56-3

0引言

隨著電子技術和網絡技術的發展，視頻監控技術被廣泛應用于邊境監視[1-2]、高速公路及自然保護區等領域[3-5]，視頻處理系統設計組成一般為視頻采集服務，負責從視頻源傳感器采集數據；視頻處理中心負責視頻圖像的解碼顯示；視頻碼流從視頻采集服務通過通信網絡向視頻處理中心傳遞。視頻流數據的傳輸特點是實時性要求較高，但允許傳輸時有一定的失真，目前通常采用UDP這種輕型協議來傳輸視頻流數據，但UDP協議不具備流量控制機制，在傳輸視頻流時，不能自動依據當前傳輸網絡的可用帶寬、網絡延遲等參數信息實時調整其視頻流發送速率，加劇傳輸網絡過載，進而導致視頻處理中心的視頻圖像出現模糊、馬賽克、卡頓等問題。因此研究網絡自適應擁塞控制技術，實現視頻流在復雜網絡上的高效傳輸，提供平滑穩定可靠的視頻質量是非常必要的。

1網絡數據傳輸現狀分析

隨著網絡通信基礎設施的大規模建設以及網絡帶寬的不斷提高，基于UDP傳輸協議的視頻處理系統開始大量普及，但由于UDP傳輸協議在設計時，未考慮擁塞控制機制，當TCP數據和UDP數據共享網絡傳輸環境時，TCP會根據當前檢測的網絡擁塞情況，實時降低其數據發送速率，而UDP則以恒定的速率發送數據，加劇網絡擁塞，造成網絡的過載。

目前，研究人員主要從基于網絡和基于終端2個層面研究如何獲得相對穩定的UDP數據發送速率以及如何做到復雜網絡環境下UDP數據與TCP數據的和平共處，試圖解決視頻流數據在網絡傳輸中出現的擁塞問題。基于網絡的方法主要由網絡中的路由器、交換機提供QoS支持；基于終端的方法，主要有基于窗口的擁塞控制機制和基于數據發送速率的擁塞控制機制2種。本文主要采用基于數據發送速率的擁塞控制策略，進行視頻處理系統的設計。

2關鍵技術

本系統的實現涉及2種關鍵技術。

①網絡自適應擁塞控制技術：采用網絡帶寬動態探測模型，實時獲取當前網絡環境參數，據此制定數據發送速率調整方案。

②視頻流自適應控制技術：根據數據發送速率調整方案自動切換編碼方式和視頻流發送速率。在本系統設計時，采用多種并行的壓縮方式編碼以及視頻流切換技術，根據實時更新的網絡帶寬參數自動優選質量最優的視頻編碼方式，進行視頻流的傳送。

3系統設計

本視頻處理系統由視頻采集服務和視頻顯示客戶端兩部分構成。

3.1視頻采集服務

視頻采集服務主要負責完成視頻源數據采集、數據編碼和自適應數據發送等，組成示意圖如圖1所示。

3.1.1視頻數據采集

針對不同視頻源傳感器，設計相應的數據采集插件，采集插件將屏蔽不同視頻源的傳輸協議差異，按照統一的格式為每一幀視頻數據加入幀頭，幀頭包括能夠區分每路視頻數據的唯一標識。數據發送模塊封裝多種壓縮方式的編碼單元，由其按照統一的傳輸協議（RTP）將統一封裝的視頻數據幀向后端轉發[1]。

3.1.2網絡自適應擁塞控制

網絡自適應擁塞控制模塊自動接收顯示客戶端周期性回傳的包含包丟失率、網絡延時以及環路時間等信息的實時控制協議（RTCP）報文，根據實時獲取的當前網絡環境參數，制定視頻流數據發送速率調整方案，碼流自適應控制模塊依據制定的視頻流數據發送速率調整方案，自動選擇合適的視頻數據壓縮編碼單元對視頻數據進行壓縮編碼，并自動進行視頻流發送速率的切換，從而實現視頻流自適應網絡傳輸環境。

3.2視頻顯示客戶端

視頻顯示客戶端主要負責完成視頻數據的接收、解碼顯示、數據處理以及視頻質量反饋等，組成示意圖如圖2所示。

（1）視頻數據接收、解碼和處理

使用統一的RTP數據接收接口，接收網絡上的視頻流數據，針對多種視頻源不同的解碼協議，設計相應的視頻解碼插件，根據每路視頻數據的唯一標識選擇相應的解碼插件對視頻流進行解碼顯示；數據處理模塊主要完成關鍵幀提取、圖像拼接等相應的業務操作[6]。

（2）視頻質量反饋

能夠實時監控視頻的傳輸質量，并獲取視頻碼流（RTP）數據中的網絡狀態參數，并自動計算當前數據包丟失率、單位時間的包吞吐量等參數信息，并將上述信息按照實時控制協議（RTCP）格式打包回饋給視頻接入服務[7-8]。

4仿真試驗

仿真試驗中采用回訪傳感器存儲的歷史視頻數據來模擬前端傳感器視頻源，主要包括海康、科達、大華3類，3類傳感器的視頻數據幀定義不同，視頻流傳輸時統一封裝為RTP格式報文，如表1所示。

視頻采集服務封裝視頻數據采集插件部署在服務器上，視頻顯示客戶端封裝視頻解碼插件部署于客戶端席位計算機上，網絡參數干預席位用于控制網絡的擁塞情況，3類傳感器視頻源、服務器和客戶端席位計算機通過以太網相連。仿真環境的物理部署如圖3所示。

本系統使用視頻采集服務中封裝的視頻采集插件引接上述3種視頻源數據，使用視頻顯示客戶端封裝的視頻解碼插件顯示視頻圖像信息，通過網絡參數干預計算機，調節3個傳輸鏈路的網絡參數，模擬復雜網絡傳輸環境下的網絡擁塞和過載情況。

視頻采集服務接收視頻流數據，并通過網絡向視頻顯示客戶端推送視頻數據，同時通過網絡自適應擁塞控制模塊自動接收顯示客戶端周期性回傳的RTCP報文，根據實時獲取的當前網絡環境參數，制定視頻流數據發送速率調整方案，碼流自適應控制模塊依據制定的視頻流數據發送速率調整方案，自動選擇合適的視頻數據壓縮編碼單元對視頻數據進行壓縮編碼，并自動進行視頻流發送速率的切換。

視頻顯示客戶端依據不同視頻源的解碼協議封裝視頻源專用解碼插件，當接收到視頻流時，通過視頻數據幀頭中的視頻數據唯一標識來選擇相應的視頻解碼插件進行數據的解碼顯示。

視頻顯示客戶端的反饋機制能夠實時監控視頻的傳輸質量，并獲取視頻碼流（RTP）數據中的網絡狀態參數，并自動計算當前數據包丟失率、單位時間的包吞吐量等參數信息，并將上述信息按照RTCP格式打包回饋給視頻接入服務[7-8]。

在視頻傳輸過程中，通過網絡參數干預計算機實時調節3個傳輸鏈路的網絡參數，模擬復雜網絡傳輸環境下的擁塞情況。

試驗結果表明，基于網絡自適應擁塞控制技術的視頻處理系統，在網絡傳輸環境出現波動發生擁塞的情況下，視頻接入服務能夠根據視頻顯示處理客戶端周期回傳的反饋信息，動態地調整視頻流的發送速率，使得視頻顯示處理客戶端軟件能夠獲得相對穩定的視頻質量。

5結束語

本文所述的視頻處理系統是在統一架構的視頻處理系統之上，增加了視頻碼流在IP網絡傳輸時的基于RTP傳輸協議和RTCP控制協議的網絡自適應擁塞控制機制，實現了根據探測到的網絡上的擁塞情況，自動調整視頻碼流發送速率，有效緩解網絡擁塞，極大地提高了視頻傳輸質量。

參考文獻

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