CN104702987B - 一种高兼容性服务多种不同终端的带宽自适应流媒体系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及兼容服务多种不同终端的带宽自适应流媒体系统，包括按需转码引擎、缓存引擎、按需格式转换引擎和自适应分发引擎；自适应分发引擎提供单码率播放列表，向缓存引擎请求单码率的视频片段，并将该视频片段封装成自适应视频片段；缓存引擎从缓存区搜取对应单码率视频片段，或向按需转码引擎发出获取新视频片段请求，并对获取的新视频片段缓存并同时转发给自适应分发引擎；按需转码引擎从视频源获取新视频片段，将获取的任意格式输入视频片段实时转码成所请求码率的视频片段并返回给缓存引擎；按需格式转换引擎将非播放列表请求转换为播放列表请求，并将获取的自适应视频片段转换为非播放列表终端播放的视频。使各终端带宽自适应。
Description
技术领域
本发明涉及流媒体技术，尤其涉及一种高兼容性服务多种不同终端的带宽自适应流媒体系统及方法。
背景技术
目前在消费电子市场上存在多种不同的流媒体播放终端，比如有在广电系统中普遍使用的基于RTSP协议的机顶盒,苹果公司生产的iOS终端,基于Google的安卓操作系统的手机和机端盒等等。
这些不同的终端由于使用场景不同,所处的网络环境复杂,比如机顶盒通常使用固网宽带,手机和PAD在家的时候很可能是使用WiFi,外出旅行时则很可能是使用3G/4G网络,网络环境复杂意味着终端在流媒体播放过程中,带宽可能变化很大,尤其是3G/4G网络,由于地形和基站覆盖的因素,带宽会随着环境的变化呈现快速的波动，因此现有流媒体系统存在随网络环境的变化播放质量会随之有很大波动的缺陷。
不同终端由于面向的消费群体不一样,其解码和显示能力也有很大差别,高档手机如iPhone其解码能力和显示分辨率就很高,可以处理720P精度的H264视频,相比之下,一些低端安卓设备就可能解720P精度的H264视频就勉为其难.因此现有流媒体系统存在随终端能力变化播放质量会随之有很大波动的缺陷。
现有的自适应流媒体系统很多是基于多码率的播放列表技术，由客户端根据自身解码能力和当前带宽情况，自行请求相应码率的视频片段。但是客户端进行流畅的码率切换，需要设计较为复杂的算法。现有终端设备对不同码率视频片段的切换支持的不够完善，由于不同片段音视频参数的变化，可能造成切换时的卡顿、黑屏、中断、爆音、无声、音视不同步等各类播放问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术之缺陷，提供的一种能支持处于不同网络环境和不同操作系统的多种不同终端的一种服务多终端的高兼容带宽自适应流媒体系统。
为实现上述目的，所述带宽自适应流媒体系统，包括按需转码引擎、缓存引擎、按需格式转换引擎和自适应分发引擎；按需转码引擎接收终端对应单码率的播放列表视频片段请求，将任意格式输入视频的对应片段实时转码成所请求码率的视频片段并发送给缓存引擎；缓存引擎从缓存区获取对应单码率视频片段，或向按需转码引擎发出获取新视频片段请求，对获取的新视频片段缓存并同时发送给自适应分发引擎；按需格式转换引擎接收终端对应单码率的非播放列表视频请求，将该请求转换为对应单码率的播放列表视频片段请求并转发给自适应分发引擎，并将获取的单码率播放列表视频片段转换为视频，以供非播放列表请求终端播放；自适应分发引擎向缓存引擎请求所述单码率视频片段并同时提供单码率播放列表，以供播放列表请求终端播放。
所述缓存引擎将视频的不同片段分布于多个缓存设备，同一视频片段可以保存多份,以增强容错性和提升分发效率。
所述按需格式转换引擎是按需转码引擎中的一种,只完成转协议或是文件封装格式转换的轻量级的操作。
所述自适应流媒体系统设置在CDN系统中，所述缓存引擎包括分节点缓存引擎和中心节点缓存引擎；将所述分节点缓存引擎、自适应分发引擎和按需格式转换引擎设置在CDN系统的分节点，并将所述中心节点缓存引擎和按需转码引擎设置在CDN系统的中心节点。
所述自适应流媒体系统的自适应方法，包括下述流程：
终端发出播放列表请求或非播放列表请求，非播放列表请求被按需格式转换引擎接收并转换为播放列表请求；
自适应分发引擎接收到播放列表请求后，向终端或向按需格式转换引擎返回单码率播放列表；
终端或按需格式转换引擎在接收到单码率播放列表后，向自适应分发引擎发出视频片段请求；
自适应分发引擎接收所述视频片段请求并转发给缓存引擎；
缓存引擎首先从缓存区搜取对应单码率视频片段，在缓存区搜取未果时向按需转码引擎请求新视频，按需转码引擎将从视频源获取的新视频并实时转码成对应码率的视频片段，在转码的同时返回给缓存引擎缓存；
缓存引擎缓将搜取的视频片段返回给自适应分发引擎；
自适应分发引擎将接收的视频片段封装成自适应视频片段返回给播放列表终端播放，或返回给按需格式转换引擎，由按需格式转换引擎转换为视频返回给非播放列表终端播放。
所述自适应分发引擎收到所述视频片段请求时，根据终端可用带宽，向缓存引擎请求对应码率的视频，并在每个片段的分发过程中更新带宽信息；在检测到分发速度的大幅度变化，支持片段内切换到合适的码率；所述切换到合适的码率包括：在不能实时分发完对应片段当前码率的剩余数据时，可切换到更低码率，在能实时下载完更高码率片段的数据时，可切换到更高码率。
所述按需转码引擎转码时根据视频片段请求中的终端类型信息，从参数范围数据库中获取视频片段的音视频参数可变范围进行相应转码，使生成的对应码率视频片段在对应终端播放时平滑的进行片段切换。
所述参数范围数据库包括对各类终端在播放流媒体时对音视频参数片段间的切换平滑性进行的统计数据、已知各类终端的特定参数支持范围及依据所述统计数据而设置的对应音视频参数变化最小的默认范围。
所述按需转码引擎在各码率下编码时音视频参数均采用变化最小的默认范围，同一码率，不同类型终端的视频片段使用同一版本的缓存片段，以提高缓存效率；或按所述需转码引擎根据不同终端类型，编码时音视频参数在参数范围数据库的相应参数范围内，针对不同码率进行优化，同一码率，不同终端类型的视频片段使用不同版本的缓存片段，以提高画质音质。
所述按需转码引擎从视频源获取新视频时的输出链接是个虚链接，通过至少一个虚链接搜索到请求的视频，并一边实时从视频源下载该视频的对应数据，一边实时转码并封装。
本发明通过按需转码引擎和按需格式转换引擎及对应的缓存引擎、自适应分发引擎构成了一种全新的自适应流媒体系统，系统不但通过按需转码引擎和按需格式转换引擎来实现流媒体格式的自适应，通过按需转码引擎和自适应分发引擎来实现流媒体带宽的自适应，而且通过缓存引擎的配合来最大程度地从缓存中服务用户，以减少转码请求，例如按需转码引擎将转码内容缓存于缓存引擎，当被再次访问请求相同的视频片段时，不需要再向源端去请求视频并转码，而是直接从缓存引擎中找出内容进行分发；此外本发明的流媒体系统对于较大的服务区域还可将其设置于CDN系统，可为CDN服务提供商和流媒体服务提供商进一步提供更高质量流媒体服务给出了重要的途径。
本发明还通过按需转码引擎依据相关音视频参数可变范围进行转码(如视频帧率不低于15，视频分辨率不高于D1，音频采样率保持和源视频一致等)，使生成的视频片段在对应终端播放时能平滑地在不同码率的片段间切换(无卡顿、黑屏、中断、爆音、无声、音视不同步等播放不正常现象)，使流媒体播放保持流畅且具有更好画质音质的效果。
附图说明
图1是本发明自适应流媒体系统的构架示意图。
图2是本发明系统播放流程的示意图。
图3是本发明应用于CDN分发的系统构架示意图。
具体实施方式
如图1，本发明的自适应流媒体系统由主要按需转码引擎、缓存引擎、按需格式转换引擎和自适应分发引擎构成。其中的按需转码引擎接收播放列表终端所发出的对应单码率的播放列表视频片段请求，将任意格式输入视频的对应片段实时转码成所请求码率的视频片段并发送给缓存引擎。缓存引擎从缓存区获取对应单码率视频片段，或向按需转码引擎发出获取新视频片段请求，对获取的新视频片段缓存并同时发送给自适应分发引擎；按需格式转换引擎接收终端对应单码率的非播放列表视频请求，将该请求转换为对应单码率的播放列表视频片段请求并转发给自适应分发引擎，并将获取的单码率播放列表视频片段转换为视频，以供非播放列表请求终端播放；自适应分发引擎向缓存引擎请求所述单码率视频片段并同时提供单码率播放列表，以供播放列表请求终端播放。
结合图2，上述的自适应流媒体系统工作时，终端发出播放列表请求或非播放列表请求，其中非播放列表请求被按需格式转换引擎接收并转换为播放列表请求，由终端直接发出播放列表请求或由按需格式转换引擎接转换为播放列表请求被自适应分发引擎接收，自适应分发引擎向发出播放列表请求终端或按需格式转换引擎返回单码率播放列表，该终端或按需格式转换引擎在接收到单码率播放列表后，向自适应分发引擎发出视频片段请求，自适应分发引擎接收该视频片段请求并转发给缓存引擎，缓存引擎接收到该请求后先从缓存区搜取对应单码率视频片段，在缓存区搜取未果时向按需转码引擎请求新视频片段，按需转码引擎将从视频源获取的新视频片段并实时转码成对应码率的视频片段，在转码的同时返回给缓存引擎缓存；缓存引擎缓将获取的该视频片段返回给自适应分发引擎；自适应分发引擎将接收的视频片段封装成自适应视频片段返回给播放列表终端播放，或返回给按需格式转换引擎，由按需格式转换引擎转换为视频返回给非播放列表终端播放。
本发明的自适应分发引擎收到视频片段请求时，是根据该终端以往的片段平均下载速度等历史信息统计来估计终端当前可用带宽，向缓存引擎请求对应码率的视频，并在每个片段的分发过程中不断更新带宽信息，并在分发片段的过程中，持续检测分发速度，检测到分发速度变化幅度较大时，支持片段内切换到合适的码率。例如：分发速度慢，不能实时分发完对应片段当前码率的剩余数据时，可切换到更低码率；分发速度快，能实时下载完更高码率片段的数据时，可切换到更高码率。
本发明的按需格式转换引擎是按需转码引擎中的一种,该按需格式转换引擎只完成转协议或是文件封装格式转换的轻量级的操作。
同时，按需转码引擎从视频源获取新视频片段时的输出链接是个虚链接，当这个链接被点击的时候,转码引擎立即根据这个链接到后台找到对应的真实文件或文件列表,或者后台找到的仍然是个虚链接,在这种情况下需要再到上一级或多级服务端取数据,在把文件或数据流取到以后,再按要求转码并封装出去,一边实时下数据一边实时转码并封装数据。例如：前台接收终端可以点的链接是rtsp://192.168.1.6/transcode.ts，对应后台找到的是:http://192.168.8.9/tangiable.flv,按需转码引擎实时一边下载tangiable.flv文件内容,一边进行转码工作，并以TS形式封装好,然后用RTSP协议来服务。
为增强容错性和提升分发效率，本发明的缓存引擎使用动态分布式缓存机制，缓存的片段无需永久保存，视频的不同片段分布于多个缓存设备，同一片段可以保存多份。
本发明为确保播放时片段间平滑切换，按需转码引擎在转码时，访问参数范围数据库，以获取相关参数范围，对影响音视频质量的参数进行相应调整，这些参数包括分辨率、帧率、采样率、声道数等。其参数范围数据库是包括对各类终端在播放流媒体时对音视频参数片段间的切换平滑性进行的统计数据、已知各类终端的特定参数支持范围及依据所述统计数据而设置的对应音视频参数变化最小的默认范围的数据集合，该参数数据库根据新获取的数据，不断被扩充。按需转码引擎转码时采用参数范围数据库的音视频参数变化最小的默认范围进行编码，同一码率，不同终端类型的视频片段使用同一版本的缓存片段，以提高缓存效率。或按需转码引擎转码时根据不同的终端类型，采用参数范围数据库内的对应经优化的音视频参数范围进行编码，例如，有些终端要求各码率下保持帧率不变，有些要求特定的分辨率或者采样率等，转码时则依据各类终端对应的帧率或采样率的参数范围进行编码，因此对于不同的终端类型，限制的参数和范围会不同，同一码率，不同终端类型的视频片段使用不同版本的缓存片段，由此提高画质音质。
如图3，本发明的自适应流媒体系统可用于CDN系统中，这样缓存引擎可包括分节点缓存引擎和中心节点缓存引擎；将所述分节点缓存引擎、自适应分发引擎和按需格式转换引擎设置在CDN系统的分节点，并将所述中心节点缓存引擎和按需转码引擎设置在CDN系统的中心节点。按需转码引擎从视频源获取并实时转码成对应码率的视频片段，该视频片段通过自适应分发引擎返回给中心节点缓存引擎，分节点缓存引擎缓存从中心节点缓存引擎获取的对应码率的视频片段，自适应分发引擎根据检测到的终端带宽信息，并从分节点缓存引擎中选取与当前终端带宽匹配的单码率视频片段分发给播放列表终端播放，使该终端的播放实现带宽自适应，或分发给按需格式转换引擎，由按需格式转换引擎进行转换并分发给非播放列表终端播放，使非播放列表终端实现带宽自适应。
同样的，为了提高系统工作效率，在应用于CDN系统的自适应流媒体系统中，按需格式转换引擎在接收到终端视频请求后，首先从本地的缓存引擎(分节点缓存引擎)中获取，只有在分节点缓存引擎搜索未果的情况下，才会向中心节点请求，中心节点请求也首先从本节点的缓存引擎(中心节点缓存引擎)中获取，只有在中心节点缓存引擎搜索未果的情况下，才向按需转码引擎发起请求，按需转码引擎从视频源获取源视频，把任意格式的视频按需转码成与播放终端带宽相匹配的单码率视频片段，由中心节点缓存引擎缓存，并分发到分节点缓存引擎进行缓存。CDN系统的自适应流媒体的流程原理可参见图2。
Claims (9)
1.一种高兼容性服务多种不同终端的带宽自适应流媒体系统，其特征在于：包括按需转码引擎、缓存引擎、按需格式转换引擎和自适应分发引擎；自适应分发引擎提供单码率播放列表，并根据支持播放列表的播放列表终端的带宽信息向缓存引擎请求对应单码率的视频片段，且将该视频片段封装成与终端带宽自适应视频片段；缓存引擎从缓存区搜取对应单码率视频片段，或向按需转码引擎发出获取新视频片段请求，并对获取的新视频片段缓存并同时转发给自适应分发引擎；按需转码引擎从视频源获取新视频片段且从视频源获取新视频片段转码输出时的输出链接是个虚链接，将获取的任意格式输入视频片段实时转码成所请求码率的视频片段并返回给缓存引擎；按需格式转换引擎将非播放列表请求转换为播放列表请求，并将获取的自适应视频片段转换为不支持播放列表的非播放列表终端播放的视频。
2.根据权利要求1所述的一种高兼容性服务多种不同终端的带宽自适应流媒体系统，其特征在于：所述缓存引擎将视频的不同片段分布存储于多个缓存设备，同一视频片段保存一份或多份。
3.根据权利要求1所述的一种高兼容性服务多种不同终端的带宽自适应流媒体系统，其特征在于：所述按需格式转换引擎是按需转码引擎中的一种， 只完成转协议或是文件封装格式转换的轻量级的操作。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高兼容性服务多种不同终端的带宽自适应流媒体系统， 其特征在于：所述自适应流媒体系统设置在CDN系统中，所述缓存引擎包括分节点缓存引擎和中心节点缓存引擎；将所述分节点缓存引擎、自适应分发引擎和按需格式转换引擎设置在CDN系统的分节点，并将所述中心节点缓存引擎和按需转码引擎设置在CDN系统的中心节点。
5.如权利要求1-3任一项所述自适应流媒体系统的自适应方法，其特征在于：包括下述流程：
终端发出播放列表请求或非播放列表请求，非播放列表请求被按需格式转换引擎接收并转换为播放列表请求；
自适应分发引擎接收到播放列表请求后，向终端或向按需格式转换引擎返回单码率播放列表；
终端或按需格式转换引擎在接收到单码率播放列表后，向自适应分发引擎发出视频片段请求；
自适应分发引擎接收所述视频片段请求并转发给缓存引擎；
缓存引擎首先从缓存区搜取对应单码率视频片段，在缓存区搜取未果时向按需转码引擎请求新视频片段，按需转码引擎将从视频源获取的新视频片段并实时转码成对应码率的视频片段，在转码的同时返回给缓存引擎缓存；
缓存引擎缓将搜取的视频片段返回给自适应分发引擎；
自适应分发引擎将接收的视频片段封装成自适应视频片段返回给支持播放列表的播放列表终端播放，或返回给按需格式转换引擎，由按需格式转换引擎转换为视频返回给不支持播放列表的非播放列表终端播放。
6.根据权利要求5所述自适应流媒体系统的自适应方法，其特征在于：自适应分发引擎收到所述视频片段请求时，根据终端可用带宽，向缓存引擎请求对应码率的视频，并在每个片段的分发过程中更新带宽信息；在检测到分发速度的大幅度变化，支持片段内切换到合适的码率；所述切换到合适的码率包括：在不能实时分发完对应片段当前码率的剩余数据时，可切换到更低码率，在能实时下载完更高码率片段的数据时，可切换到更高码率。
7.根据权利要求5所述自适应流媒体系统的自适应方法，其特征在于：所述按需转码引擎转码时根据视频片段请求中的终端类型信息，从参数范围数据库中获取视频片段的音视频参数可变范围进行相应转码，使生成的对应码率视频片段在对应终端播放时平滑的进行片段切换。
8.根据权利要求7所述自适应流媒体系统的自适应方法，其特征在于：所述参数范围数据库包括对各类终端在播放流媒体时对音视频参数片段间的切换平滑性进行的统计数据、已知各类终端的特定参数支持范围及依据所述统计数据而设置的对应音视频参数变化最小的默认范围。
9.根据权利要求8所述自适应流媒体系统的自适应方法，其特征在于：所述按需转码引擎在各码率下编码时音视频参数均采用变化最小的默认范围，同一码率，不同类型终端的视频片段使用同一版本的缓存片段，以提高缓存效率；或按所述需转码引擎根据不同终端类型，编码时音视频参数在参数范围数据库的相应参数范围内，针对不同码率进行优化，同一码率，不同终端类型的视频片段使用不同版本的缓存片段，以提高画质音质。
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2015
- 2015-03-27 CN CN201510138862.5A patent/CN104702987B/zh active Active
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