基于網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)擁塞控制技術(shù)的視頻處理系統(tǒng)

趙飛 仉樹軍 郭勝楠 洪波

摘要：為解決在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳輸視頻流時，因網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的不穩(wěn)定造成的遠(yuǎn)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(luò)自適應(yīng)擁塞控制機(jī)制，以實現(xiàn)視頻流在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中高效、平滑、穩(wěn)定的傳輸。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；視頻處理系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)擁塞控制機(jī)制

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

0引言

隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于邊境監(jiān)視[1-2]、高速公路及自然保護(hù)區(qū)等領(lǐng)域[3-5]，視頻處理系統(tǒng)設(shè)計組成一般為視頻采集服務(wù)，負(fù)責(zé)從視頻源傳感器采集數(shù)據(jù)；視頻處理中心負(fù)責(zé)視頻圖像的解碼顯示；視頻碼流從視頻采集服務(wù)通過通信網(wǎng)絡(luò)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(jī)制，在傳輸視頻流時，不能自動依據(jù)當(dāng)前傳輸網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬、網(wǎng)絡(luò)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(luò)過載，進(jìn)而導(dǎo)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(luò)自適應(yīng)擁塞控制技術(shù)，實現(xiàn)視頻流在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(luò)數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀分析

隨著網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)以及網(wǎng)絡(luò)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(shè)計時，未考慮擁塞控制機(jī)制，當(dāng)TCP數(shù)據(jù)和UDP數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境時，TCP會根據(jù)當(dāng)前檢測的網(wǎng)絡(luò)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(luò)擁塞，造成網(wǎng)絡(luò)的過載。

目前，研究人員主要從基于網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(luò)傳輸中出現(xiàn)的擁塞問題?；诰W(wǎng)絡(luò)的方法主要由網(wǎng)絡(luò)中的路由器、交換機(jī)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(jī)制和基于數(shù)據(jù)發(fā)送速率的擁塞控制機(jī)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(jìn)行視頻處理系統(tǒng)的設(shè)計。

2關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的實現(xiàn)涉及2種關(guān)鍵技術(shù)。

①網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)擁塞控制技術(shù)：采用網(wǎng)絡(luò)帶寬動態(tài)探測模型，實時獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(yīng)控制技術(shù)：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(shè)計時，采用多種并行的壓縮方式編碼以及視頻流切換技術(shù)，根據(jù)實時更新的網(wǎng)絡(luò)帶寬參數(shù)自動優(yōu)選質(zhì)量最優(yōu)的視頻編碼方式，進(jìn)行視頻流的傳送。

3系統(tǒng)設(shè)計

本視頻處理系統(tǒng)由視頻采集服務(wù)和視頻顯示客戶端兩部分構(gòu)成。

3.1視頻采集服務(wù)

視頻采集服務(wù)主要負(fù)責(zé)完成視頻源數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編碼和自適應(yīng)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(shè)計相應(yīng)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(biāo)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(luò)自適應(yīng)擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)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(luò)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(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(jìn)行壓縮編碼，并自動進(jìn)行視頻流發(fā)送速率的切換，從而實現(xiàn)視頻流自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境。

3.2視頻顯示客戶端

視頻顯示客戶端主要負(fù)責(zé)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(luò)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(shè)計相應(yīng)的視頻解碼插件，根據(jù)每路視頻數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識選擇相應(yīng)的解碼插件對視頻流進(jìn)行解碼顯示；數(shù)據(jù)處理模塊主要完成關(guān)鍵幀提取、圖像拼接等相應(yīng)的業(yè)務(wù)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(luò)狀態(tài)參數(shù)，并自動計算當(dāng)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(wù)[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(dá)、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(wù)封裝視頻數(shù)據(jù)采集插件部署在服務(wù)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(jī)上，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)干預(yù)席位用于控制網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，3類傳感器視頻源、服務(wù)器和客戶端席位計算機(jī)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(wù)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(luò)參數(shù)干預(yù)計算機(jī)，調(diào)節(jié)3個傳輸鏈路的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)擁塞和過載情況。

視頻采集服務(wù)接收視頻流數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)向視頻顯示客戶端推送視頻數(shù)據(jù)，同時通過網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)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(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(jìn)行壓縮編碼，并自動進(jìn)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(dāng)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(biāo)識來選擇相應(yīng)的視頻解碼插件進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼顯示。

視頻顯示客戶端的反饋機(jī)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(luò)狀態(tài)參數(shù)，并自動計算當(dāng)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(wù)[7-8]。

在視頻傳輸過程中，通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)干預(yù)計算機(jī)實時調(diào)節(jié)3個傳輸鏈路的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境下的擁塞情況。

試驗結(jié)果表明，基于網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)擁塞控制技術(shù)的視頻處理系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(luò)傳輸時的基于RTP傳輸協(xié)議和RTCP控制協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)擁塞控制機(jī)制，實現(xiàn)了根據(jù)探測到的網(wǎng)絡(luò)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(luò)擁塞，極大地提高了視頻傳輸質(zhì)量。

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