洪 濤，黃永峰，陳從華

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建 廈門361008）

一種車載視頻監(jiān)控終端流量控制方法的設(shè)計(jì)

洪 濤1，2，黃永峰1，陳從華2

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建 廈門361008）

針對(duì)車載實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控終端的應(yīng)用特點(diǎn)，為了提高視頻傳輸?shù)目煽啃?，避免各傳輸鏈路因帶寬搶占而陷入擁塞狀態(tài)，設(shè)計(jì)一種基于視頻通道優(yōu)先級(jí)的流量控制方法。該方法以RTP-RTCP協(xié)議為基礎(chǔ)，以視頻通道的優(yōu)先級(jí)為條件，結(jié)合各傳輸通道丟包率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，監(jiān)測(cè)各視頻通道數(shù)據(jù)的傳輸狀況，進(jìn)而控制不同優(yōu)先級(jí)的視頻通道的碼率等級(jí)，盡量保證高優(yōu)先級(jí)視頻通道的傳輸質(zhì)量，以達(dá)到在帶寬下降時(shí)，還能提供對(duì)車輛重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)控的目的。

車載終端；實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控；通道優(yōu)先級(jí)；流量控制；RTP-RTCP；丟包率

車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)在交通運(yùn)輸行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，它能夠提供位置服務(wù)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)音視頻監(jiān)控、本地音視頻存儲(chǔ)和行駛記錄等功能，在智能交通建設(shè)的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用［1］。近年來(lái)，各移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商相繼推出第3代第4代移動(dòng)通信技術(shù)，極大的提高了移動(dòng)通信速率，為實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。而實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控作為管理者遠(yuǎn)程監(jiān)視車輛運(yùn)行狀況的直接手段，也因其具有直觀性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，逐漸成為了智能交通領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

在車載實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控終端的應(yīng)用中，因其基于帶寬有限且信道時(shí)刻變化的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，且視頻數(shù)據(jù)量大，視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率高，流量控制就顯的至關(guān)重要。車載終端往往需要將多個(gè)通道的視頻數(shù)據(jù)同時(shí)上傳至視頻服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)帶寬充足的情況下，各通道的數(shù)據(jù)可以互不干擾的傳輸，但當(dāng)車輛處于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱的區(qū)域（如基站覆蓋的邊緣），帶寬下降明顯，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)多通道搶占帶寬資源的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致多路視頻畫面同時(shí)處于卡頓或停滯狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)崩潰。但如果在帶寬下降的情況下，通過(guò)基于通道優(yōu)先級(jí)的流量控制，降低甚至關(guān)閉相對(duì)不重要的視頻通道的數(shù)據(jù)，從而保證相對(duì)重要的視頻通道能夠呈現(xiàn)流暢的畫面，則可以有效的提升用戶體驗(yàn)。

1　流量控制方法概述

在實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控領(lǐng)域，人們通常使用RTP-RTCP協(xié)議組［2］來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量控制。RTP即實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，它通常是基于UDP協(xié)議的，只負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，不保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量；RTCP即實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議，它在數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端之間定時(shí)傳輸，通過(guò)攜帶丟包率等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況的檢測(cè)，進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)狀況反饋給RTP會(huì)話，RTP作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。利用RTCP攜帶的丟包率變化進(jìn)行RTP發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載調(diào)整是當(dāng)前該領(lǐng)域內(nèi)用來(lái)進(jìn)行流量控制的有效方法。

由此，文中設(shè)計(jì)一種流量控制方法，該方法以預(yù)先設(shè)定的視頻通道優(yōu)先級(jí)和通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到的RTP數(shù)據(jù)包丟包率為依據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)多通道碼率自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制，該機(jī)制能協(xié)調(diào)控制每個(gè)通道的碼率［3］等級(jí)，依次保證優(yōu)先級(jí)較高的視頻通道的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。該方法分別針對(duì)每個(gè)視頻通道建立一個(gè)RTP-RTCP會(huì)話組，該會(huì)話組中的RTP會(huì)話負(fù)責(zé)將該通道的視頻數(shù)據(jù)從車載終端傳輸至視頻服務(wù)器，而RTCP會(huì)話則負(fù)責(zé)將視頻服務(wù)器統(tǒng)計(jì)得到的該通道RTP數(shù)據(jù)包的丟包率反饋至車載終端。車載終端收到各通道的丟包率數(shù)據(jù)后，分析判斷當(dāng)前各通道的網(wǎng)絡(luò)狀況，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的視頻通道的丟包率大于某一閥值時(shí)，啟動(dòng)自適應(yīng)編碼碼率調(diào)整機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)，逐步逆向調(diào)整。為了形成反饋控制回路，需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)關(guān)鍵模塊：

1）視頻通道優(yōu)先級(jí)的分配模塊。通常，在車載終端和視頻服務(wù)器之間，維持著一條TCP鏈路，用于傳輸視頻監(jiān)控操作指令。用戶通過(guò)視頻監(jiān)控操作界面，選擇好要監(jiān)控的視頻通道后，操作界面會(huì)根據(jù)用戶所選擇的通道數(shù)量自動(dòng)生成同數(shù)量的優(yōu)先級(jí)級(jí)別，比如車載終端總共有4個(gè)視頻通道，用戶選擇了其中的通道1、通道2和通道3，操作界面就會(huì)從高到低依次生成優(yōu)先級(jí)1、優(yōu)先級(jí)2和優(yōu)先級(jí)3，用戶可以為每個(gè)視頻通道指定優(yōu)先級(jí)，然后通過(guò)監(jiān)控指令下發(fā)至車載終端。視頻通道優(yōu)先級(jí)分配的示意圖如圖1所示。

圖1　視頻通道優(yōu)先級(jí)分配示意圖

可以為多個(gè)視頻通道指定相同的優(yōu)先級(jí)，擁有相同優(yōu)先級(jí)的通道在流量控制過(guò)程中相互獨(dú)立。

2）RTP會(huì)話模塊。為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)視頻通道的數(shù)據(jù)能夠獨(dú)立傳輸，并將每個(gè)通道RTP數(shù)據(jù)包的丟包率及時(shí)反饋回發(fā)送端，需要在每個(gè)視頻通道和視頻服務(wù)器之間建立獨(dú)占的RTP-RTCP會(huì)話組［4］。車載終端將采集到的視頻數(shù)據(jù)，封裝成RTP數(shù)據(jù)包，發(fā)送給視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器收到RTP數(shù)據(jù)包的同時(shí)，開(kāi)始根據(jù)RTP數(shù)據(jù)包的包序號(hào)統(tǒng)計(jì)丟包率，并定期（通常為5秒）將統(tǒng)計(jì)得到的丟包率封裝成RTCP包，發(fā)送至車載終端，這個(gè)交互過(guò)程一直維持至實(shí)時(shí)監(jiān)控退出。以視頻通道1為例，建立RTP會(huì)話交互圖如圖2所示。

圖2　RTP會(huì)話交互圖

即，車載終端通道1產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)包，通過(guò)圖2中的RTP鏈路發(fā)送至視頻服務(wù)器，同時(shí)，視頻服務(wù)器將統(tǒng)計(jì)得到的丟包率等信息，通過(guò)圖2中的RTCP鏈路反饋至發(fā)送端。

3）視頻編碼碼率分層模塊。為了實(shí)現(xiàn)基于視頻通道的流量控制，需要時(shí)常調(diào)整各通道所處的碼率層次，故建立碼率分層模型。該模型將實(shí)時(shí)視頻編碼碼率分成零碼流（LA）、基本（LB）、流暢（LC）和清晰（LD）4個(gè)等級(jí)，LA表示關(guān)閉該通道，LB提供基本的視頻畫面，LC是基本畫面的增強(qiáng)版，LD則能保證清晰的畫面，各通道遵循于流量控制方法在這4個(gè)碼率層次游離。各碼率等級(jí)對(duì)應(yīng)的碼率值需要根據(jù)車載終端移動(dòng)通信模塊（指運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)、聯(lián)通或電信）的類型和所處的網(wǎng)絡(luò)類型（指2G、3G或4G）具體定義，比如聯(lián)通的3G網(wǎng)絡(luò)上行速度大概為120 kB/s，以此定義的碼率層次如表1所示。

表1　聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)碼率分層表

4）流量控制模塊。流量控制模塊負(fù)責(zé)收集來(lái)自視頻服務(wù)器的每個(gè)視頻通道數(shù)據(jù)的丟包率信息來(lái)監(jiān)測(cè)每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸狀況，并結(jié)合各通道的優(yōu)先級(jí)和當(dāng)前所處的碼率層次做出流量控制決策［5］。該模塊運(yùn)行一個(gè)流量控制算法，該算法是本文的核心內(nèi)容，在下節(jié)討論。

2　流量控制算法的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)流量控制算法的基礎(chǔ)是各視頻通道的優(yōu)先級(jí)、RTP數(shù)據(jù)包的丟包率和碼率等級(jí)，由 “視頻通道優(yōu)先級(jí)分配模塊”、“RTP會(huì)話模塊”和“視頻編碼碼率分層模塊”分別獲得。以擁有4個(gè)視頻通道的車載終端為例，假設(shè)通道1至通道4的優(yōu)先級(jí)分別為P1、P2、P3、P4，丟包率為F1、F2、F3、F4，所處的碼率等級(jí)為L(zhǎng)1、L2、L3、L4。同時(shí)定義最小丟包率Fmin，表示當(dāng)前通道數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)極好，有剩余帶寬，定義最大丟包率Fmax，表示當(dāng)前通道已經(jīng)陷入阻塞，而各通道的丟包率維持在Fmin到Fmax之間時(shí)，表示該通道處于可接受的丟包率范圍內(nèi)，則流量控制算法可描述為：

1）只監(jiān)控一個(gè)通道時(shí)，預(yù)置L1等于LD，然后進(jìn)行如下判斷：

①當(dāng)F1大于Fmax，如果L1不等于LA，L1下降一個(gè)等級(jí)，否則不做調(diào)整；

②當(dāng)F1小于Fmin，如果L1不等于LD，L1上升一個(gè)等級(jí)，否則不做調(diào)整。

圖3　一個(gè)通道的流量控制流程圖

2）監(jiān)控兩個(gè)通道時(shí)，預(yù)置L1等于LD，L2等于LD，然后進(jìn)行如下判斷：

①當(dāng)P1大于P2時(shí)：

當(dāng)F1大于Fmax時(shí)，如果L2不等于LA，L2下降一個(gè)等級(jí)；否則判斷L1是否等于LA，如果不等于，L1下降一個(gè)等級(jí)，否則不做調(diào)整。

當(dāng)F1小于Fmin時(shí)，如果L2小于L1，L2上升一個(gè)等級(jí)；否則判斷L1是否等于LD，如果不等于，L1上升一個(gè)等級(jí)，否則不做調(diào)整。

②當(dāng)P2大于P1時(shí)：

當(dāng)F2大于Fmax時(shí)，如果L1不等于LA，L1下降一個(gè)等級(jí)；否則判斷L2是否等于LA，如果不等于，L2下降一個(gè)等級(jí)，否則不做調(diào)整。

當(dāng)F2小于Fmin時(shí)，如果L1小于L2，L1上升一個(gè)等級(jí)；否則判斷L2是否等于LD，如果不等于，L2上升一個(gè)等級(jí)，否則不做調(diào)整。

③當(dāng)P1等于P2時(shí)，兩個(gè)通道相互獨(dú)立，分別按照一個(gè)通道的流量控制流程處理。

圖4　兩個(gè)通道的流量控制流程圖

3）監(jiān)控3個(gè)通道時(shí)，預(yù)置L1、L2和L3都等于LD，然后進(jìn)行如下判斷：

①當(dāng)P1同時(shí)大于P2和P3時(shí)：

當(dāng)F1大于 Fmax，又P2大于P3時(shí)，判斷 L3是否等于LA，不等就將L3下降一級(jí)，等于時(shí)判斷L2是否等于LA，不等就將L2下降一級(jí)，等于時(shí)再判斷L1是否等于LA，不等就將L1下降一級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

當(dāng)F1大于 Fmax，又P3大于P2時(shí)，判斷 L2是否等于LA，不等就將L2下降一級(jí)，等于時(shí)判斷L3是否等于LA，不等就將L3下降一級(jí)，等于時(shí)再判斷L1是否等于LA，不等就將L1下降一級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)F1小于 Fmin，又 P2大于P3時(shí)，判斷 L1是否等于LD，不等就將L1上升一級(jí)，否則判斷L2是否小于L1，小于時(shí)將L2上升一級(jí)，否則再判斷L3是否小于L2，小于時(shí)將L3上升一個(gè)等級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

當(dāng)F1小于 Fmin，又 P3大于P2時(shí)，判斷 L1是否等于LD，不等就將L1上升一級(jí)，否則判斷L3是否小于L1，小于時(shí)將L3上升一級(jí)，否則再判斷L2是否小于L3，小于時(shí)將L2上升一個(gè)等級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

②當(dāng)P2同時(shí)大于P1和P3時(shí)：

當(dāng)F2大于Fmax，又P1大于P3時(shí)，判斷L3是否等于LA，不等就將L3下降一級(jí)，等于時(shí)判斷L1是否等于LA，不等就將L1下降一級(jí)，等于時(shí)再判斷L2是否等于LA，不等就將L2下降一級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

當(dāng)F2大于Fmax，又P3大于P1時(shí)，判斷L1是否等于LA，不等就將L1下降一級(jí)，等于時(shí)判斷L3是否等于LA，不等就將L3下降一級(jí)，等于時(shí)再判斷L2是否等于LA，不等就將L2下降一級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)F2小于Fmin，又P1大于 P3時(shí)，判斷L2是否等于LD，不等就將L2上升一級(jí)，否則判斷L1是否小于L2，小于時(shí)將L1上升一級(jí)，否則再判斷L3是否小于L1，小于時(shí)將L3上升一個(gè)等級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

當(dāng)F2小于Fmin，又P3大于 P1時(shí)，判斷L2是否等于LD，不等就將L2上升一級(jí)，否則判斷L3是否小于L2，小于時(shí)將L3上升一級(jí)，否則再判斷L1是否小于L3，小于時(shí)將L1上升一個(gè)等級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

③當(dāng)P3同時(shí)大于P1和P2時(shí)：

當(dāng)F3大于 Fmax，又P1大于P2時(shí)，判斷L2是否等于LA，不等就將L2下降一級(jí)，等于時(shí)判斷L1是否等于LA，不等就將L1下降一級(jí)，等于時(shí)再判斷L3是否等于LA，不等就將L3下降一級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

當(dāng)F3大于 Fmax，又P2大于P1時(shí)，判斷L1是否等于LA，不等就將L1下降一級(jí)，等于時(shí)判斷L2是否等于LA，不等就將L2下降一級(jí)，等于時(shí)再判斷L3是否等于LA，不等就將L3下降一級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)F3小于 Fmin，又P1大于 P2時(shí)，判斷L3是否等于LD，不等就將L3上升一級(jí)，否則判斷L1是否小于L3，小于時(shí)將L1上升一級(jí)，否則再判斷L2是否小于L1，小于時(shí)將L2上升一個(gè)等級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

當(dāng)F3小于 Fmin，又P2大于 P1時(shí)，判斷L3是否等于LD，不等就將L3上升一級(jí)，否則判斷L2是否小于L3，小于時(shí)將L2上升一級(jí)，否則再判斷L1是否小于L2，小于時(shí)將L1上升一個(gè)等級(jí)，否則不進(jìn)行調(diào)整；

④當(dāng)P1等于P2等于P3時(shí)，3個(gè)通道相互獨(dú)立，分別按照一個(gè)通道的流量控制流程處理。

按照以上流程，作P1大于P2、P3條件下的流程圖如圖5，同理可畫P2大于P1、P3和P3大于 P1、P3條件下的流程圖，此處省略。

監(jiān)控4個(gè)及4個(gè)以上通道的流量控制流程的類似監(jiān)控3個(gè)通道的情況，核心內(nèi)容是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況變差時(shí)，以犧牲低優(yōu)先級(jí)的視頻通道的畫面質(zhì)量來(lái)保證高優(yōu)先級(jí)的視頻通道能夠提供清晰可靠的畫面；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況好轉(zhuǎn)時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)從高到低逐步提升各通道的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)的流量控制策略［6］。

圖5　兩個(gè)通道的流量控制流程圖

3　結(jié)　論

在實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，流量控制方法很多，但多是針對(duì)整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)，本方法將流量控制細(xì)化到單個(gè)視頻通道，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)在通道之間進(jìn)行帶寬分配，能在網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量下降時(shí)做到“舍輕保重”，避免多通道實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)因帶寬競(jìng)爭(zhēng)而直接陷入癱瘓的境地，符合車載實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

［1］梁篤國(guó).網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)與智能應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［2］The Internet Engineering Task Force.RFC3550.RTP:A Transport Protocol for Real-Time Applications［S］.NewYork: Columbia University，2003.

［3］陳靖，劉京，曹喜信.深入理解視頻編解碼技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［4］張海軍，楊印根，吳克捷，等.基于RTP/RTCP協(xié)議的擁塞控制策略研究［D］.南昌：江西師范大學(xué)，2008.

［5］徐昌彪，鮮永菊.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制與流量控制［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［6］蔣建國(guó)，蘇兆品，李 援，等.RTP/RTCP自適應(yīng)流量控制算法［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

A flow controlmethod for the video surveillance term inal of vehicle

HONG Tao1，2，HUANG Yong-feng1，CHEN Cong-hua2
（1.Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Xiamen Yaxon Network Co.，Ltd.，Xiamen 361008，China）

According to the featuresof the real-time video surveillance terminalofvehicle，amethod of flow control is designed to improve the reliability of video data transmission and prevent transmission channels from falling into the state of congestion which caused by bandwidth preemption，which is based on priority of video channel.In thismethod，the RTP-RTCP protocol was used，video channel′s priority was considered.It combineswith the packet loss rate statistical results of the transmission channel，itmonitors the transmission status of each video channel data，thus it controls the bitrate levelof different priorities video channels.It try to ensure the high-priority video channel′s transmission quality，and provide high-priority video channel with high-quality transmission data servicewhen the bandwidth is dropping.

terminal of vehicle；real-time video surveillance；channel′s priority；flow control；RTP-RTCP；packet fraction

TN91

A

1674-6236（2016）19-0047-04

2015-08-08稿件編號(hào)：201508035

洪 濤（1986—），男，福建廈門人，碩士研究生，工程師。研究方向：音視頻編解碼、存儲(chǔ)、傳輸。