CN109769140A - 一种基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法 - Google Patents

一种基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法，通过在接收数据缓冲区模块设置高H、低L两个门限值，当缓冲区的队列长度(以帧为单位)在[L，H]之间时，采用正常播放速率，每帧显示时间为正常长度；本方法基于概率模型确定播放时间，当其小于L时，采用较小的播放速率，延长每帧的显示时间；当其大于H时，采用较大的播放速率，缩短每帧的显示时间。本发明解决了在网络不稳定的情况下，网络传递的视频数据传输时间会形成波动，到达接收方的时间会和理想情况下产生差距，并且一般摄像头使用的时钟源精度不高，会产生时间戳漂移，导致实际帧率和理想帧率不一致，网络视频播放不流畅的技术问题。

Description

一种基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法
技术领域
本发明属于视频监控以及多媒体播放技术领域，具体涉及一种网络视频流畅播放控制方法。
背景技术
随着流媒体技术的快速发展，使用移动终端设备浏览网站上的流媒体资源已经非常普遍，极大地丰富了人们的日常生活。
流媒体(Streaming Media)是指采用流式传输的方式在Internet上播放的媒体格式。在采用流式传输方式的系统中，用户不必像非流式播放那样等到整个文件全部下载完毕后才能看到其中的内容，而是只需要经过几秒钟或几十秒的启动延时即可在用户计算机或移动终端设备上利用相应的播放器对压缩的视频或音频等流式媒体文件进行播放，剩余的部分将继续同步进行下载，直至播放完毕。
基于网络的视频传输是典型的QoS(Quality of Service，服务质量)不可靠数据通信，由于带宽不稳定，导致网络传递的视频数据到达接收端的时间会形成比较大的波动，到达接收方的时刻会和理想情况下产生差距。另外，由于一般网络摄像头使用的时钟源——晶振的精度存在局限，甚至时间戳也会产生漂移，导致帧率和理想帧率不一致，从而对正常的接收播放产生干扰。
现代安防监控系统的视频播放模块中，为了实现流畅播放，一般通过设置缓冲区，并且采用单一门限值来控制视频帧显示时间的方法。当缓冲中的帧数大于门限值时，就缩短显示时间，加快播放速度；低于门限值时，就增加显示时间，降低播放速度，但是这种方案对于视频的播放均不能保证流畅。
发明内容
本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，提出一种速率控制和平滑优化方法，可应用于接收视频数据后的排队机制，控制每帧的解码、播放时间，使视频能够流畅播放，并且延时尽可能小。主要通过设定两个门限值，并着重于解决缓冲区动态播放参数的选取，根据接收缓冲区的占用情况动态地调整每帧的显示时间，提供一种在不稳定的网络下，甚至视频源使用了不精确的时钟源时，对视频数据排队解码、播放进行速率控制的方法。经过在多个实际项目中的应用，取得了理想的效果。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是一种基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方方法，具体包括以下步骤：
步骤1：设置接收数据模块，播放库的接收数据模块收到视频数据之后，将视频帧放入接收数据缓冲区模块，在接收数据缓冲区排队等待解码；
步骤2：在接收数据缓冲区模块设置多媒体定时器，设置H、L两个门限值，根据接收数据缓冲区模块的占用情况，动态地调整每个视频帧的解码播放时间；
将系统模型化为服务时间依赖于队长的M/D/1/N排队模型，即视频帧的到达过程是一个泊松过程，到达率为λ，服务时间是常数分布但依赖于队长，数学模型如下：
当缓冲区中有i个帧时，每个帧的服务时间用mi表示，缓冲区中有i个视频帧，若L<i<H，则采用标准播放速率μ；若i<L，则播放速率为max{μmin,max{i,1}*μ/L}；若i>H，则播放速率为min{μmax,min{i,N}*μ/H}，其中，μmin，μmax分别表示最小允许播放速率和最大允许播放速率；
步骤3：设置解码显示模块，使每个视频帧的播放时间满足视觉对视频流畅性的要求，不发生可察觉的卡顿、跳跃。
上述H、L两个门限值的设置是基于缓冲区为空的概率、帧丢失概率、平均服务速率和缓冲区平均队长四个变量进行决定的。
上述帧的丢失概率分以下两种情况：
和
其中，缓冲区中有i帧数据情况下的丢失概率用ELosti表示，缓冲区为空时的丢失概率用ELost0表示。
进一步，上述帧的丢失概率为缓冲区为空的概率为PEmpty＝π0。
作为优选，上述步骤3中，视觉对视频流畅性的要求具体指：正常播放速率μ为25帧每秒，即每帧显示时间是40毫秒，对于电视品质的视频要求显示的时延抖动不超过10毫秒，每帧显示时间在30毫秒到50毫秒之间，即最大播放速率μmax为33帧/秒，最小播放速率μmin为20帧/秒。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益技术效果：
1.本发明通过设定两个门限值，解决缓冲区动态播放参数的选取，根据接收缓冲区的占用情况动态地调整每帧的显示时间，实现流畅播放。
2.本发明提出的速率控制和平滑优化方法，可应用于接收视频数据后的排队机制，控制每帧的解码、播放时间，使视频能够流畅播放，并且延时尽可能小。
附图说明
图1为解码缓冲区的上限和下限示意图。
图2为播放端模块示意图。
图3为双门限播放流程图。
图4为媒体流接受播放流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明方法中，在接收端设置缓冲区，根据缓冲区的占用情况动态调整每帧播放时间(或者说播放速率)。缓冲区模型如图1所示，L是低门限，H是高门限，N是缓冲区的容量。实现本方法的装置的模块划分如图2所示。当缓冲区的队列长度(以帧为单位)在[L，H]之间时，采用正常播放速率，每帧显示时间为正常长度(当达到25帧每秒时，每帧的显示时间为40毫秒)；当缓冲区队列长度小于L时，采用较小的播放速率，适当延长每帧的显示时间，以防止缓冲区播放空造成的播放停顿；当缓冲区队列长度大于H时，采用较大的播放速率，适当缩短每帧的播放时间，以防止缓冲区溢出造成的播放跳跃。
双门限播放流程，如图3所示。假设缓冲区中有i个视频帧(不包括待播放的帧)，若L<i<H，则采用标准播放速率μ；若i<L，则播放速率为max{μmin,max{i,1}*μ/L}；若i>H，则播放速率为min{μmax,min{i,N}*μ/H}。其中μmin，μmax分别表示最小允许播放速率和最大允许播放速率。
由于视频数据在不同网络环境下传送，其到达过程是不一样的，它的到达可假设为泊松过程或是马尔科夫调制的泊松过程。可以将系统模型化为服务时间依赖于队长的M/D/1/N排队模型，即视频帧的到达过程是一个泊松过程，到达率为λ，服务时间是常数分布但依赖于队长。当缓冲区中有i个帧时，每个帧的服务时间用mi表示，则服务时间可以表示成μ，L，H和i的函数：
帧丢失概率分两种情况：缓冲区中有i帧数据情况下的丢失概率(用ELosti表示)和缓冲区为空时的丢失概率(用ELost0表示)。则有：
帧丢失概率为缓冲区为空的概率为PEmpty＝π0。可以看出缓冲区大小的稳态分布是参数L和H的函数。为了选取最合适的L及H，考虑4个变量：缓冲区为空的概率、帧丢失概率(即缓冲区上溢的概率)、平均服务速率和缓冲区平均队长。为了方便，选取H＝N-L，这样就变为如何选择合适的L。而且业务强度是到达速率与最大播放速率的比值，门限L是归一化的(与缓冲区容量N的比值)。当业务强度q≤1时，系统有稳态解。当q＝0.9时，如果要求缓冲区为空的概率效率10-7，数据丢失概率小于10-2，如果选取门限L＝0.25N，此时平均播放速率为1.12μ，缓冲区平均队列为0.83N；如果选取门限L＝0.35N，此时平均播放速率为1.13μ，缓冲区平均队长为0.73N。
如图4所示，本方法及描述的播放器装置的实现流程，按功能划分为：
(1)协议解析：将流媒体协议的数据，解析为标准的相应的复合媒体数据。视音频在网络上传播的时候，常常采用各种流媒体协议，例如HTTP，RTMP，或是MMS等等。这些协议在传输视音频数据的同时，也会传输一些信令数据。这些信令数据包括对播放的控制(播放，暂停，停止)，或者对网络状态的描述等。解协议的过程中会去除掉信令数据而只保留视音频数据。例如，采用RTMP协议传输的数据，经过解协议操作后，输出FLV格式的数据。
(2)复合流解封装：将输入的复用封装格式的数据，通过解复用分离成为音频编码数据和视频流压缩编码数据。封装格式种类很多，例如MP4，MKV，RMVB，TS，FLV，AVI等等，它的作用就是将已经压缩编码的视频数据和音频数据按照一定的格式交织的放到一起。例如，FLV格式的数据，经过解封装操作后，输出H.264编码的视频码流和AAC编码的音频码流。
(3)音视频缓存：为了克服由于网络延时、丢包、乱序等问题造成的数据抖动和数据丢失，避免在播放中出现播放不稳定、画面不连贯的现象，播放器需要使用缓冲区，即使用一块较大的内存空间将接收到的媒体数据缓存起来，并对乱序和丢包进行相应处理，调整为带有播放时戳PTS的音视频帧排列到缓存中，再开始音视频的播放以保证音视频的流畅播放。
(4)音视频解码模块：将音视频压缩编码数据，解码成为非压缩的音视频原始数据。常用的音频的压缩编码格式包含AAC，MP3，AC-3等等，视频的压缩编码有H.264，H.265，MPEG4，VC-1等等。通过解码压缩编码的视频数据输出成为非压缩的颜色数据，例如YUV420P，RGB等等；压缩编码的音频数据输出成为非压缩的音频抽样数据。
(5)音视频播放模块：音视频播放模块是两个分别的模块，它们负责将解码后的原始媒体数据播放出来，包括视频的显示和声音的回放。
本方法描述的播放控制实现是通过音视频缓存和解码模块实现的，声音不仅数据量小，而且连续性对媒体播放质量的影响非常大，人类听觉对音频数据播放的一致性和连续性非常敏感。所以播放过程中以音频作为时基，根据音频播放的时间戳，调整视频数据的缓存帧数与播放时间。
通过前述的帧丢失概率的分析，视频缓存帧门限L直接影响着播放质量，并且给出了门限L的选取依据。在一定的业务强度下，首先考虑的两个重要参数是数据丢失率和缓冲区为空的概率，选择合适的门限，使上述参数满足设计要求。此外还需综合考虑门限对平均播放速率和缓冲区的平均队长的影响，从而得到满意的播放质量，可以有效防止缓冲区下溢造成的播放停顿以及缓冲区上溢造成的播放跳跃。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员工来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润湿也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置接收数据模块，播放库的接收数据模块收到视频数据之后，将视频帧放入接收数据缓冲区模块，在接收数据缓冲区排队等待解码；
步骤2：在接收数据缓冲区模块设置多媒体定时器，设置H、L两个门限值，根据接收数据缓冲区模块的占用情况，动态地调整每个视频帧的解码播放时间；
将系统模型化为服务时间依赖于队长的M/D/1/N排队模型，即视频帧的到达过程是一个泊松过程，到达率为λ，服务时间是常数分布但依赖于队长，数学模型如下：
当缓冲区中有i个帧时，每个帧的服务时间用mi表示，缓冲区中有i个视频帧，若L<i<H，则采用标准播放速率μ；若i<L，则播放速率为max{μmin,max{i,1}*μ/L}；若i>H，则播放速率为min{μmax,min{i,N}*μ/H}，其中，μmin，μmax分别表示最小允许播放速率和最大允许播放速率；
步骤3：设置解码显示模块，使每个视频帧的播放时间满足视觉对视频流畅性的要求，不发生可察觉的卡顿、跳跃。
2.根据权利要求1所述基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法，其特征在于，所述H、L两个门限值的设置是基于缓冲区为空的概率、帧丢失概率、平均服务速率和缓冲区平均队长四个变量进行决定的。
3.根据权利要求1所述基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法，其特征在于：所述帧的丢失概率分两种情况：
和
其中，缓冲区中有i帧数据情况下的丢失概率用ELosti表示，缓冲区为空时的丢失概率用ELost0表示。
4.根据权利要求3所述的基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法，其特征在于：所述帧的丢失概率为缓冲区为空的概率为PEmpty＝π0。
5.根据权利要求1所述的基于流媒体技术的网络视频流畅播放控制方法，其特征在于：所述步骤3中视觉对视频流畅性的要求具体指：正常播放速率μ为25帧每秒，即每帧显示时间是40毫秒，对于电视品质的视频要求显示的时延抖动不超过10毫秒，每帧显示时间在30毫秒到50毫秒之间，即最大播放速率μmax为33帧/秒，最小播放速率μmin为20帧/秒。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190517

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