CN108600758A - 基于城市轨道乘客信息系统的i帧高突发码流整形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法：建立一个环形缓冲区；在第i+1个GOP周期内计算接收的直播音视频数据在第i个GOP周期内的平均输入码率后将直播音视频数据写入环形缓冲区，其中i表示GOP周期编号，初始值为0；在第i+1个GOP周期从环形缓冲区中读出直播音视频数据并以计算的第i个GOP周期内直播音视频数据的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据输出到网络；用i+1替代i,重复步骤2～步骤3，直到直播音视频数据的所有GOP周期结束。本发明能将直播码流平缓化，经过整形后的直播码流即使遇到I帧画面，瞬时码率也不超过允许的带宽，使得直播数据可以有效可靠的传输通过LTE网络，克服了现有技术中遇到I帧时突发码率会非常高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及音视频编码中的码流整形技术，尤其涉及音视频编码中的I帧高突发码流整形方法。
背景技术
在城市轨道交通系统中乘客信息系统(Passenger Information System，以下简称PIS)的一个重要功能是地铁列车上的音视频直播。要实现该功能，首先需要在PIS控制中心将直播信号进行音视频编码，编码方式一般采用H264、MPEG2等。编码器在对直播信号编码后，按照DVB标准将直播数据打包成UDP包，并以组播的方式输入到PIS网络。音视频直播数据包通过LTE车地无线网络传输到列车，并由车载播放控制器解码播放。建设1.8GHz频段20M频宽的LTE车地无线网络能够提供的总数据带宽大约为8Mbps，包括上下行，但是需要同时承载信号系统、视频监控系统、PIS三个业务。音视频编码数据的特点是数据量很大，按照PIS的功能要求，列车音视频直播的编码码率一般要求达到平均码率2～6Mbps，而LTE车地无线网络承载的三个业务中，除了信号系统的数据码率较低外(Kbps量级)，其他两个业务都是音视频业务，都要求较高的带宽来传输。信号系统是列车行进控制的安全保障系统，在三个业务中优先级是最高的，视频监控系统则是安防反恐的重要辅助手段，优先级次之，PIS业务是三个业务中优先级最低的。
视频编码技术中，通常将编码画面划分为I、B、P三种帧类型。现有技术通常在编码器中对I帧采用帧内编码，即在发送端采用帧内编码的方式进行编码，编码后的数据很大，对B帧通常采用双向预测帧间编码，编码后的数据量是三种帧类型中最小的，P帧采用前向预测帧间编码，编码后的数据量比B帧大，但是比I帧小。因此，对I帧、B帧、P帧采用不同的编码方式虽然能够在一定程度上平滑视频码流，但是由于LTE的带宽有限，以及PIS业务的低优先级设定，LTE在传输直播码流时，编码器持续产生的直播码流中，遇到B帧时，码率比平均码率低很多，由于码率较低，不存在承载压力；但是遇到I帧时突发码率会非常高，很可能高达平均码率的多倍以上，瞬时突发码率很可能超过LTE能够提供给PIS的带宽，这将导致LTE网络处于超负荷状态，严重情况下LTE网络将无法正常工作，最终导致直播数据丢失，音视频直播出现卡顿和马赛克现象，影响乘客的观感体验，数据丢的越多，画面卡顿和马赛克现象就越严重。
发明内容
本发明旨在解决I帧瞬时突发码率可能超过LTE能够提供给PIS的带宽而使数据丢失，音视频卡顿和马赛克现象就越严重的问题。
为了实现上述目标，本发明采用以下的技术方案：
基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在编码器中建立一个环形缓冲区；
步骤2：在第i+1个GOP周期内计算接收的直播音视频数据在第i个GOP周期内的平均输入码率后将直播音视频数据写入环形缓冲区，其中i表示GOP周期编号，初始值为0；
步骤3：在第i+1个GOP周期从环形缓冲区中读出直播音视频数据并以计算的第i个GOP周期内直播音视频数据的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据输出到网络；
步骤4：用i+1替代i,重复步骤2～步骤3，直到直播音视频数据的所有GOP周期结束。
进一步地，在步骤2中包括：在第i+1个GOP周期内判断接收的直播音视频数据是否是I帧音视频：
若是I帧音视频：判断是否存在上一个GOP周期，若存在上一个GOP周期，则计算接收的直播音视频数据在上一个GOP周期内的平均输入码率后将直播音视频数据写入到环形缓冲区；若不存在上一个GOP周期则表示新GOP周期开始，初始化变量，将直播音视频数据写入到环形缓冲区；
若不是I帧音视频，直接将接收的直播音视频数据写入到环形缓冲区。
进一步地，在步骤3中包括：在第i+1个GOP周期内从环形缓冲区内读出一帧视频数据以及对应的音频数据并判断是否是I帧音视频：
若是I帧音视频，获取I帧音视频数据所属GOP的输入码率并以上一个GOP周期内的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据恒定输出到网络；
若不是I帧音视频，直接将直播音视频数据以上一个GOP周期内的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据输出到网络。
本发明所达到的有益效果：本发明方法一个GOP为单位进行码流整形不会带来额外的解码延时，能够将直播码流平缓化，经过整形后的直播码流即使遇到I帧画面，瞬时码率也不超过允许的带宽，使得直播数据可以有效可靠的传输通过LTE网络，克服了现有技术中遇到I帧时突发码率会非常高，瞬时突发码率很可能超过LTE能够提供给PIS的带宽而使音视频直播出现卡顿和马赛克现象，从而提高了乘客的观感体验。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明实施例环形缓冲区示意图；
图3为本发明实施例输入直播音视频数据过程的示意图；
图4为本发明实施例输出直播音视频数据过程的示意图；
图5为本发明实施例中使用本发明方法之前的20ms的码率变化图；
图6为本发明实施例中使用本发明方法之后的20ms的码率变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面对本发明作进一步描述。应当理解，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在编码器中建立一个环形缓冲区；
图2为本发明实施例环形缓冲区示意图；如图2所示，环形缓冲区是在内存中申请一段固定大小的区域，所有的写和读操作都是在这个固定的存储空间内进行，写满缓冲区后又回到原始点从头开始；对于读操作，也是相同的处理方式。
步骤2：在第i+1个GOP周期内计算接收的直播音视频数据在第i个GOP周期内的平均输入码率后将直播音视频数据写入环形缓冲区，其中i表示GOP周期编号，初始值为0；
对于正常的节目播放来说，时延是不能太长的。进行码流整形时，不能因此大幅增加解码延时。在视频编码中，每两个I帧之间构成一个GOP(Group Of Picture：图像组)，一个GOP只包含一个I帧，一个视频节目由一系列的GOP构成，对于帧率为25帧的视频节目来说，一个GOP通常为12帧，持续时长接近500ms，因此以一个GOP为单位进行码流整形是最恰当的，也不会带来额外的解码延时。
图3为本发明实施例输入直播音视频数据过程的示意图；在图3中进一步地所述步骤2具体包括以下步骤：在第i+1个GOP周期内判断接收的直播音视频数据是否是I帧音视频：
若是I帧音视频：判断是否存在上一个GOP周期，若存在上一个GOP周期，则计算接收的直播音视频数据在上一个GOP周期内的平均输入码率后将直播音视频数据写入到环形缓冲区；若不存在上一个GOP周期则表示新GOP周期开始，初始化变量，将直播音视频数据写入到环形缓冲区；
若不是I帧音视频，直接将接收的直播音视频数据写入到环形缓冲区。
在步骤2中所述的以一个GOP为周期计算接收的直播音视频数据的平均输入码率的方法如下：
br＝(video_data_size+audio_data_size)/(gop_size*frame_interval)；
平均码率的单位为字节/秒(Bps)，其中video_data_size为一个GOP周期内产生的视频编码数据量，audio_data_size为一个GOP周期内产生的音频编码数据量，gop_size为GOP大小，一般为12，frame_interval为帧间隔，对于25的帧率来说，帧间隔为0.04s(40ms)。
图4为本发明实施例输出直播音视频数据过程的示意图；在图4中，进一步地，在步骤3中具体包括：在第i+1个GOP周期内从环形缓冲区内读出一帧视频数据以及对应的音频数据直播音视频数据并判断是否是I帧音视频：
若是I帧音视频，则说明进入到新的GOP周期，需要获取该I帧对应GOP周期内的输入速率，并以上一个GOP周期内的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据恒定输出到网络；
若不是I帧音视频，说明还是老的GOP周期，以上一个GOP周期内的平均输入码率为输出码率直接将直播音视频数据输出到网络。
假设有一个水池，它有一个水龙头入口和一个管道出口，水龙头往水池加水的速度是不一样的，一会大，一会小，但是平均后基本上是一样的。管道出口以恒定的速度出水，如果入水和出水的速度构成平衡的话，那么水池就会固定在一个相对稳定的水位上。要达到此目的，首先需要知道水龙头在一个周期内的平均加水速度，然后在去控制出口的出水速度。如果入水速度在不同的周期内也不一样，出水速度也需要跟随变化才能维持相对固定的水位。这正是码流整形的模型。这正是码流整形的模型。在编码器具体实现中，先建立一个环形缓冲区，直播数据包输出到网络之前，先进入该缓冲区，然后再以恒定的速率将直播数据包取出并输出到网络。因此，要实现码流整形，首先需要解决两个问题：
(1)直播数据包进入缓冲区的平均码率计算：平均码率需要随时重新计算，以一个GOP为周期进行计算；
(2)直播数据包的恒定码率输出：获取到一个GOP周期的平均输入码率后，在下一个GOP周期内以该码率将直播数据包恒定输出到网络。
确定了数据输入码率后，剩下的就是按照该码率输出指定GOP组的直播数据。在实际实现中，为了避免数据输入和输出之间的干扰，数据输出采用独立的线程实现。
通过网络发送直播数据包时，为了提高数据传输的效率，通常以固定的包大小对直播数据包进行重新打包，并最大限度的利用MTU特性，使得一个数据包发出后不会被网络设备拆分。
通常，TS流的包大小固定为188个字节(也有别的包大小，这里不予考虑)，重新封装为UDP网络数据包后，如果网络MTU为1500，则最适合的UDP直播数据包大小为1316个字节(由7个TS流的包构成)。在实际应用中，还需要将以上输入码率转换为固定时间间隔内发送的UDP数据包的个数。
在步骤3)的过程中将所述平均输入码率转换为固定时间间隔内发送的UDP数据包的个数。
所述将平均输入码率转换为固定时间间隔内发送的UDP数据包的个数的计算方法如下：
SumDataSize＝video_data_size+audio_data_size；
PacketNum＝(SumDataSize/PacketSize)；
SendRate＝PacketNum*SendInterval/(gop_size*frame_interval)；
其中video_data_size为一个GOP周期内产生的视频编码数据量，audio_data_size为一个GOP周期内产生的音频编码数据量，SumDataSize为一个GOP周期内产生的视频和音频的数据量总和，SendInterval为间隔时间，SendRate为每间隔SendInterval时间需要发送的数据包个数。进一步地，在实际操作中SendInterval时间一般为4～10ms。
步骤4：用i+1替代i,重复步骤2～步骤3，直到直播音视频数据的所有GOP周期结束。
由于音频视频编码的数据量跟画面和声音的特征密切相关，一般来说，画面变化越快的，编码后的数据量就会越大，因此上述计算出的输入码率是动态的，必须针对每一个GOP都重新计算，针对一个GOP周期操作完成后进入下一个GOP周期，直到直播音视频数据的所有GOP周期结束。
输出码率的控制精度关系到直播数据水池的水位恒定，输出码率偏低，会导致水池溢出，造成数据丢失，而数据码率偏高，虽然不会丢失数据，但是会导致输出码流不够平缓，可能达不到最初的目的。
Windows和linux操作系统都不是实时操作系统，算法要求的每间隔SendInterval时间发送指定的数据包个数，但是这个间隔可能会不够精准，因此必须要有矫正机制，一旦发现缓冲区有溢出的危险，就必须将输出码率调高，然后等缓冲区水位正常的时候再回调输出码率。
在一个实施例中，编码器采用H264编码，码率9Mbps，编码器中没有采用本发明的整形方法时，20ms为单位的突发码率最高达到55Mbps，相当于平均码流的6倍，见图5；在编码器的软件部分采用了本发明方法，经过整形后，20ms为单位的突发码率最高只有17Mbps，不到平均码流的2倍，见图6，相对于未经过整形的突发码率来说，有了大幅度的降低。
本发明通过计算直播直播音视频数据包在一个GOP周期的平均输入码率后在下一个GOP周期内以该码率将全部直播音视频数据以平均速率输出恒定输出到网络。本发明方法能够将直播码流平缓化，经过整形后的直播码流即使遇到I帧画面，瞬时码率也不超过允许的带宽，使得直播数据可以有效可靠的传输通过LTE网络，克服了现有技术中遇到I帧时突发码率会非常高，瞬时突发码率很可能超过LTE能够提供给PIS的带宽而使音视频直播出现卡顿和马赛克现象，从而提高了乘客的观感体验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在编码器中建立一个环形缓冲区；
步骤2：在第i+1个GOP周期内计算接收的直播音视频数据在第i个GOP周期内的平均输入码率后将直播音视频数据写入环形缓冲区，其中i表示GOP周期编号，初始值为0；
步骤3：在第i+1个GOP周期从环形缓冲区中读出直播音视频数据并以计算的第i个GOP周期内直播音视频数据的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据输出到网络；
步骤4：用i+1替代i,重复步骤2～步骤3，直到直播音视频数据的所有GOP周期结束。
2.根据权利要求1所述的基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于：步骤2具体包括以下步骤：
在第i+1个GOP周期内判断接收的直播音视频数据是否是I帧音视频：
若是I帧音视频：判断是否存在上一个GOP周期，若存在上一个GOP周期，则计算接收的直播音视频数据在上一个GOP周期内的平均输入码率后将直播音视频数据写入到环形缓冲区；若不存在上一个GOP周期则表示新GOP周期开始，初始化变量，将直播音视频数据写入到环形缓冲区；
若不是I帧音视频，直接将接收的直播音视频数据写入到环形缓冲区。
3.根据权利要求1所述的基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于：步骤3具体包括以下步骤：
在第i+1个GOP周期内从环形缓冲区内读出一帧视频数据以及对应的音频数据并判断是否是I帧音视频：
若是I帧音视频，获取I帧音视频数据所属GOP的输入码率并以上一个GOP周期内的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据恒定输出到网络；
若不是I帧音视频，直接将直播音视频数据以上一个GOP周期内的平均输入码率为输出码率将直播音视频数据输出到网络。
4.根据权利要求1所述的基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于：在步骤2中所述的计算接收的直播音视频数据在第i个GOP周期内的平均输入码率的表达式如下：
br＝(video_data_size+audio_data_size)/(gop_size*frame_interval)；
平均码率的单位为字节/秒，其中，br为一个GOP为周期进行计算直播音视频数据包进入缓冲区的平均码率，video_data_size为一个GOP周期内产生的视频编码数据量，audio_data_size为一个GOP周期内产生的音频编码数据量，gop_size为GOP大小，frame_interval为帧间隔。
5.根据权利要求1所述的基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于：在步骤3的过程中将所述平均输入码率转换为固定时间间隔内发送的UDP数据包的个数。
6.根据权利要求5所述的基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于：所述将平均输入码率转换为固定时间间隔内发送的UDP数据包的个数的计算方法如下：
SumDataSize＝video_data_size+audio_data_size；
PacketNum＝(SumDataSize/PacketSize)；
SendRate＝PacketNum*SendInterval/(gop_size*frame_interval)；
其中video_data_size为一个GOP周期内产生的视频编码数据量，audio_data_size为一个GOP周期内产生的音频编码数据量，SumDataSize为一个GOP周期内产生的视频和音频的数据量总和，SendInterval为间隔时间，SendRate为每间隔SendInterval时间需要发送的数据包个数。
7.根据权利要求1～6所述的基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于：包括矫正机制。
8.根据权利要求7所述的基于城市轨道乘客信息系统的I帧高突发码流整形方法，其特征在于：所述矫正机制是当发现缓冲区有溢出的危险，将输出码率调高，等缓冲区码率正常时再回调输出码率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180928 |