趙飛 仉樹軍 郭勝楠 洪波

摘要：為解決在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下傳輸視頻流時，因網(wǎng)絡可用帶寬的不穩(wěn)定造成的遠端監(jiān)控視頻出現(xiàn)模糊、馬賽克及卡頓等問題，在視頻處理系統(tǒng)中增加視頻流傳輸?shù)木W(wǎng)絡自適應擁塞控制機制，以實現(xiàn)視頻流在復雜的網(wǎng)絡傳輸環(huán)境中高效、平滑、穩(wěn)定的傳輸。

關鍵詞：復雜網(wǎng)絡環(huán)境；視頻處理系統(tǒng)；網(wǎng)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(wǎng)絡技術的發(fā)展，視頻監(jiān)控技術被廣泛應用于邊境監(jiān)視[1-2]、高速公路及自然保護區(qū)等領域[3-5]，視頻處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)；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(wǎng)絡向視頻處理中心傳遞。視頻流數(shù)據(jù)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(xié)議來傳輸視頻流數(shù)據(jù)，但UDP協(xié)議不具備流量控制機制，在傳輸視頻流時，不能自動依據(jù)當前傳輸網(wǎng)絡的可用帶寬、網(wǎng)絡延遲等參數(shù)信息實時調(diào)整其視頻流發(fā)送速率，加劇傳輸網(wǎng)絡過載，進而導致視頻處理中心的視頻圖像出現(xiàn)模糊、馬賽克、卡頓等問題。因此研究網(wǎng)絡自適應擁塞控制技術，實現(xiàn)視頻流在復雜網(wǎng)絡上的高效傳輸，提供平滑穩(wěn)定可靠的視頻質(zhì)量是非常必要的。

1網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀分析

隨著網(wǎng)絡通信基礎設施的大規(guī)模建設以及網(wǎng)絡帶寬的不斷提高，基于UDP傳輸協(xié)議的視頻處理系統(tǒng)開始大量普及，但由于UDP傳輸協(xié)議在設計時，未考慮擁塞控制機制，當TCP數(shù)據(jù)和UDP數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡傳輸環(huán)境時，TCP會根據(jù)當前檢測的網(wǎng)絡擁塞情況，實時降低其數(shù)據(jù)發(fā)送速率，而UDP則以恒定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，加劇網(wǎng)絡擁塞，造成網(wǎng)絡的過載。

目前，研究人員主要從基于網(wǎng)絡和基于終端2個層面研究如何獲得相對穩(wěn)定的UDP數(shù)據(jù)發(fā)送速率以及如何做到復雜網(wǎng)絡環(huán)境下UDP數(shù)據(jù)與TCP數(shù)據(jù)的和平共處，試圖解決視頻流數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸中出現(xiàn)的擁塞問題?；诰W(wǎng)絡的方法主要由網(wǎng)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(shù)據(jù)發(fā)送速率的擁塞控制機制2種。本文主要采用基于數(shù)據(jù)發(fā)送速率的擁塞控制策略，進行視頻處理系統(tǒng)的設計。

2關鍵技術

本系統(tǒng)的實現(xiàn)涉及2種關鍵技術。

①網(wǎng)絡自適應擁塞控制技術：采用網(wǎng)絡帶寬動態(tài)探測模型，實時獲取當前網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)，據(jù)此制定數(shù)據(jù)發(fā)送速率調(diào)整方案。

②視頻流自適應控制技術：根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送速率調(diào)整方案自動切換編碼方式和視頻流發(fā)送速率。在本系統(tǒng)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(jù)實時更新的網(wǎng)絡帶寬參數(shù)自動優(yōu)選質(zhì)量最優(yōu)的視頻編碼方式，進行視頻流的傳送。

3系統(tǒng)設計

本視頻處理系統(tǒng)由視頻采集服務和視頻顯示客戶端兩部分構(gòu)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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編碼和自適應數(shù)據(jù)發(fā)送等，組成示意圖如圖1所示。

3.1.1視頻數(shù)據(jù)采集

針對不同視頻源傳感器，設計相應的數(shù)據(jù)采集插件，采集插件將屏蔽不同視頻源的傳輸協(xié)議差異，按照統(tǒng)一的格式為每一幀視頻數(shù)據(jù)加入幀頭，幀頭包括能夠區(qū)分每路視頻數(shù)據(jù)的唯一標識。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊封裝多種壓縮方式的編碼單元，由其按照統(tǒng)一的傳輸協(xié)議（RTP）將統(tǒng)一封裝的視頻數(shù)據(jù)幀向后端轉(zhuǎn)發(fā)[1]。

3.1.2網(wǎng)絡自適應擁塞控制

網(wǎng)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(wǎng)絡延時以及環(huán)路時間等信息的實時控制協(xié)議（RTCP）報文，根據(jù)實時獲取的當前網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)，制定視頻流數(shù)據(jù)發(fā)送速率調(diào)整方案，碼流自適應控制模塊依據(jù)制定的視頻流數(shù)據(jù)發(fā)送速率調(diào)整方案，自動選擇合適的視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼單元對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，并自動進行視頻流發(fā)送速率的切換，從而實現(xiàn)視頻流自適應網(wǎng)絡傳輸環(huán)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(shù)據(jù)的接收、解碼顯示、數(shù)據(jù)處理以及視頻質(zhì)量反饋等，組成示意圖如圖2所示。

（1）視頻數(shù)據(jù)接收、解碼和處理

使用統(tǒng)一的RTP數(shù)據(jù)接收接口，接收網(wǎng)絡上的視頻流數(shù)據(jù)，針對多種視頻源不同的解碼協(xié)議，設計相應的視頻解碼插件，根據(jù)每路視頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊主要完成關鍵幀提取、圖像拼接等相應的業(yè)務操作[6]。

（2）視頻質(zhì)量反饋

能夠?qū)崟r監(jiān)控視頻的傳輸質(zhì)量，并獲取視頻碼流（RTP）數(shù)據(jù)中的網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)，并自動計算當前數(shù)據(jù)包丟失率、單位時間的包吞吐量等參數(shù)信息，并將上述信息按照實時控制協(xié)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(shù)據(jù)來模擬前端傳感器視頻源，主要包括?？?、科達、大華3類，3類傳感器的視頻數(shù)據(jù)幀定義不同，視頻流傳輸時統(tǒng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡參數(shù)干預席位用于控制網(wǎng)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(wǎng)相連。仿真環(huán)境的物理部署如圖3所示。

本系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(wǎng)絡參數(shù)干預計算機，調(diào)節(jié)3個傳輸鏈路的網(wǎng)絡參數(shù)，模擬復雜網(wǎng)絡傳輸環(huán)境下的網(wǎng)絡擁塞和過載情況。

視頻采集服務接收視頻流數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡向視頻顯示客戶端推送視頻數(shù)據(jù)，同時通過網(wǎng)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(jù)實時獲取的當前網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)，制定視頻流數(shù)據(jù)發(fā)送速率調(diào)整方案，碼流自適應控制模塊依據(jù)制定的視頻流數(shù)據(jù)發(fā)送速率調(diào)整方案，自動選擇合適的視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼單元對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，并自動進行視頻流發(fā)送速率的切換。

視頻顯示客戶端依據(jù)不同視頻源的解碼協(xié)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(shù)據(jù)幀頭中的視頻數(shù)據(jù)唯一標識來選擇相應的視頻解碼插件進行數(shù)據(jù)的解碼顯示。

視頻顯示客戶端的反饋機制能夠?qū)崟r監(jiān)控視頻的傳輸質(zhì)量，并獲取視頻碼流（RTP）數(shù)據(jù)中的網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)，并自動計算當前數(shù)據(jù)包丟失率、單位時間的包吞吐量等參數(shù)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(wǎng)絡參數(shù)干預計算機實時調(diào)節(jié)3個傳輸鏈路的網(wǎng)絡參數(shù)，模擬復雜網(wǎng)絡傳輸環(huán)境下的擁塞情況。

試驗結(jié)果表明，基于網(wǎng)絡自適應擁塞控制技術的視頻處理系統(tǒng)，在網(wǎng)絡傳輸環(huán)境出現(xiàn)波動發(fā)生擁塞的情況下，視頻接入服務能夠根據(jù)視頻顯示處理客戶端周期回傳的反饋信息，動態(tài)地調(diào)整視頻流的發(fā)送速率，使得視頻顯示處理客戶端軟件能夠獲得相對穩(wěn)定的視頻質(zhì)量。

5結(jié)束語

本文所述的視頻處理系統(tǒng)是在統(tǒng)一架構(gòu)的視頻處理系統(tǒng)之上，增加了視頻碼流在IP網(wǎng)絡傳輸時的基于RTP傳輸協(xié)議和RTCP控制協(xié)議的網(wǎng)絡自適應擁塞控制機制，實現(xiàn)了根據(jù)探測到的網(wǎng)絡上的擁塞情況，自動調(diào)整視頻碼流發(fā)送速率，有效緩解網(wǎng)絡擁塞，極大地提高了視頻傳輸質(zhì)量。

參考文獻

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