基于网络自适应拥塞控制技术的视频处理系统

赵飞 仉树军 郭胜楠 洪波

摘要：为解决在复杂网络环境下传输视频流时，因网络可用带宽的不稳定造成的远端监控视频出现模糊、马赛克及卡顿等问题，在视频处理系统中增加视频流传输的网络自适应拥塞控制机制，以实现视频流在复杂的网络传输环境中高效、平滑、稳定的传输。

关键词：复杂网络环境；视频处理系统；网络自适应拥塞控制机制

中图分类号：TP311文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）16-56-3

0引言

随着电子技术和网络技术的发展，视频监控技术被广泛应用于边境监视[1-2]、高速公路及自然保护区等领域[3-5]，视频处理系统设计组成一般为视频采集服务，负责从视频源传感器采集数据；视频处理中心负责视频图像的解码显示；视频码流从视频采集服务通过通信网络向视频处理中心传递。视频流数据的传输特点是实时性要求较高，但允许传输时有一定的失真，目前通常采用UDP这种轻型协议来传输视频流数据，但UDP协议不具备流量控制机制，在传输视频流时，不能自动依据当前传输网络的可用带宽、网络延迟等参数信息实时调整其视频流发送速率，加剧传输网络过载，进而导致视频处理中心的视频图像出现模糊、马赛克、卡顿等问题。因此研究网络自适应拥塞控制技术，实现视频流在复杂网络上的高效传输，提供平滑稳定可靠的视频质量是非常必要的。

1网络数据传输现状分析

随着网络通信基础设施的大规模建设以及网络带宽的不断提高，基于UDP传输协议的视频处理系统开始大量普及，但由于UDP传输协议在设计时，未考虑拥塞控制机制，当TCP数据和UDP数据共享网络传输环境时，TCP会根据当前检测的网络拥塞情况，实时降低其数据发送速率，而UDP则以恒定的速率发送数据，加剧网络拥塞，造成网络的过载。

目前，研究人员主要从基于网络和基于终端2个层面研究如何获得相对稳定的UDP数据发送速率以及如何做到复杂网络环境下UDP数据与TCP数据的和平共处，试图解决视频流数据在网络传输中出现的拥塞问题。基于网络的方法主要由网络中的路由器、交换机提供QoS支持；基于终端的方法，主要有基于窗口的拥塞控制机制和基于数据发送速率的拥塞控制机制2种。本文主要采用基于数据发送速率的拥塞控制策略，进行视频处理系统的设计。

2关键技术

本系统的实现涉及2种关键技术。

①网络自适应拥塞控制技术：采用网络带宽动态探测模型，实时获取当前网络环境参数，据此制定数据发送速率调整方案。

②视频流自适应控制技术：根据数据发送速率调整方案自动切换编码方式和视频流发送速率。在本系统设计时，采用多种并行的压缩方式编码以及视频流切换技术，根据实时更新的网络带宽参数自动优选质量最优的视频编码方式，进行视频流的传送。

3系统设计

本视频处理系统由视频采集服务和视频显示客户端两部分构成。

3.1视频采集服务

视频采集服务主要负责完成视频源数据采集、数据编码和自适应数据发送等，组成示意图如图1所示。

3.1.1视频数据采集

针对不同视频源传感器，设计相应的数据采集插件，采集插件将屏蔽不同视频源的传输协议差异，按照统一的格式为每一帧视频数据加入帧头，帧头包括能够区分每路视频数据的唯一标识。数据发送模块封装多种压缩方式的编码单元，由其按照统一的传输协议（RTP）将统一封装的视频数据帧向后端转发[1]。

3.1.2网络自适应拥塞控制

网络自适应拥塞控制模块自动接收显示客户端周期性回传的包含包丢失率、网络延时以及环路时间等信息的实时控制协议（RTCP）报文，根据实时获取的当前网络环境参数，制定视频流数据发送速率调整方案，码流自适应控制模块依据制定的视频流数据发送速率调整方案，自动选择合适的视频数据压缩编码单元对视频数据进行压缩编码，并自动进行视频流发送速率的切换，从而实现视频流自适应网络传输环境。

3.2视频显示客户端

视频显示客户端主要负责完成视频数据的接收、解码显示、数据处理以及视频质量反馈等，组成示意图如图2所示。

（1）視频数据接收、解码和处理

使用统一的RTP数据接收接口，接收网络上的视频流数据，针对多种视频源不同的解码协议，设计相应的视频解码插件，根据每路视频数据的唯一标识选择相应的解码插件对视频流进行解码显示；数据处理模块主要完成关键帧提取、图像拼接等相应的业务操作[6]。

（2）视频质量反馈

能够实时监控视频的传输质量，并获取视频码流（RTP）数据中的网络状态参数，并自动计算当前数据包丢失率、单位时间的包吞吐量等参数信息，并将上述信息按照实时控制协议（RTCP）格式打包回馈给视频接入服务[7-8]。

4仿真试验

仿真试验中采用回访传感器存储的历史视频数据来模拟前端传感器视频源，主要包括海康、科达、大华3类，3类传感器的视频数据帧定义不同，视频流传输时统一封装为RTP格式报文，如表1所示。

视频采集服务封装视频数据采集插件部署在服务器上，视频显示客户端封装视频解码插件部署于客户端席位计算机上，网络参数干预席位用于控制网络的拥塞情况，3类传感器视频源、服务器和客户端席位计算机通过以太网相连。仿真环境的物理部署如图3所示。

本系统使用视频采集服务中封装的视频采集插件引接上述3种视频源数据，使用视频显示客户端封装的视频解码插件显示视频图像信息，通过网络参数干预计算机，调节3个传输链路的网络参数，模拟复杂网络传输环境下的网络拥塞和过载情况。

视频采集服务接收视频流数据，并通过网络向视频显示客户端推送视频数据，同时通过网络自适应拥塞控制模块自动接收显示客户端周期性回传的RTCP报文，根据实时获取的当前网络环境参数，制定视频流数据发送速率调整方案，码流自适应控制模块依据制定的视频流数据发送速率调整方案，自动选择合适的视频数据压缩编码单元对视频数据进行压缩编码，并自动进行视频流发送速率的切换。

视频显示客户端依据不同视频源的解码协议封装视频源专用解码插件，当接收到视频流时，通过视频数据帧头中的视频数据唯一标识来选择相应的视频解码插件进行数据的解码显示。

视频显示客户端的反馈机制能够实时监控视频的传输质量，并获取视频码流（RTP）数据中的网络状态参数，并自动计算当前数据包丢失率、单位时间的包吞吐量等参数信息，并将上述信息按照RTCP格式打包回馈给视频接入服务[7-8]。

在视频传输过程中，通过网络参数干预计算机实时调节3个传输链路的网络参数，模拟复杂网络传输环境下的拥塞情况。

试验结果表明，基于网络自适应拥塞控制技术的视频处理系统，在网络传输环境出现波动发生拥塞的情况下，视频接入服务能够根据视频显示处理客户端周期回传的反馈信息，动态地调整视频流的发送速率，使得视频显示处理客户端软件能够获得相对稳定的视频质量。

5结束语

本文所述的视频处理系统是在统一架构的视频处理系统之上，增加了视频码流在IP网络传输时的基于RTP传输协议和RTCP控制协议的网络自适应拥塞控制机制，实现了根据探测到的网络上的擁塞情况，自动调整视频码流发送速率，有效缓解网络拥塞，极大地提高了视频传输质量。

参考文献

[1]郑庆红.基于H.264的视频传输系统的设计与实现[J].无线电工程，2011，41（8）：12-14，40.

[2]胡礼勇，李钊，李建军，等.基于投影变换与轨迹关联的目标检测算法[J].无线电工程，2011，41（6）：29-31.

[3]张瑞.粒子滤波和均值漂移相结合目标跟踪算法[J].无线电通信技术，2011，37（2）：29-31.

[4]谢宝虹.基于GPRS和CDMA1X无线网络高速公路监控系统[J].可编程控制器与工厂自动化，2005（5）：85-88.

[5]白保良.自然保护区无线数字化监控系统设计研究[J].现代商贸工业，2012，24（12）：159-160.

[6]赵飞，刘新.基于统一架构的视频处理系统[J].计算机与网络，2019，45（5）：60-62.

[7]李志杰.IP组播技术在视频信息传输中的应用[J].中国科技信息，2005（9）：58.

[8]洪波，赵鹏，沈永玲.基于流媒体技术的自适应性视频监控系统[J].计算机与网络，2009，35（13）：41-43.