CN109889847A - 低延时无线传输编解码系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低延时无线传输编解码系统，包括：图像采集设备、预处理器、编码器、收发器、解码器、以及渲染设备；预处理器用于对图像进行格式转换处理，并将格式转换后的图像发送给编码器；编码器用于将接收到的每帧图像进行压缩编码，并生成相应的编码序列；收发器用于发送编码器生成的编码序列，或者接收外界设备发送的编码序列；解码器用于对接收到的编码序列进行解码处理，得到该编码序列对应的解码帧图像；渲染设备，用于对解码帧图像进行显示。本发明可以实现视频的渐进式刷新，不会产生突然增大的码流，有利于码流在传输过程中的管理，对于多媒体压缩系统和实时压缩系统比较有意义，可以有效地降低传输延迟。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体地，涉及低延时无线传输编解码系统。
背景技术
随着网络技术的发展，数据的传输量也变得越来越大，为了保证数据的传输效率，一般会对待传输的数据进行压缩处理。目前，几乎所有的多媒体内容都会按照预设的标准进行压缩处理。常见的压缩标准包括：MPEG1标准、MPEG2标准、H.261标准、H.263标准、H.264标准、AVC标准、AVS标准、HEVC标准等等。
现有技术中，压缩的有效性主要依靠：压缩比特率、压缩多媒体质量、压缩技术实现复杂度、压缩延时这四个特征来评定。在主要的市场应用中，低延迟比其他三个特征具有更低的优先级。因此，市场上使用的大多数压缩技术，都会考虑牺牲延迟性能来换取更高的压缩质量。但是，对于实时性要求高的数据(例如实时广播、实时控制等场景)，则需要尽可能地降低数据传输的延迟时间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低延时无线传输编解码系统。
根据本发明提供的一种低延时无线传输编解码系统，包括：图像采集设备、预处理器、编码器、收发器、解码器、以及渲染设备；其中：
所述视图像采集设备，用于采集视频源中的图像，并将所述图像发送给所述预处理器；
所述预处理器，用于对所述图像进行格式转换处理，并将格式转换后的图像发送给编码器；所述格式转换处理包括：颜色格式转换、色度格式转换、尺寸格式转换、帧裁剪；
所述编码器，用于将接收到的每帧图像进行压缩编码，并生成相应的编码序列；
所述收发器，用于发送编码器生成的编码序列，或者接收外界设备发送的编码序列；
所述解码器，用于对接收到的编码序列进行解码处理，得到该编码序列对应的解码帧图像；
所述渲染设备，用于对所述解码帧图像进行显示。
可选地，当所述图像采集设备为相机时；设置所述相机的帧率为240fps；所述相机采集到的每一帧图像在预设的时间内发送给所述预处理器。
可选地，所述预处理器将在接收到的每4帧图像中去掉其中的3帧图像，以使得预处理后的图像帧率下降至60fps。
可选地，所述编码器，具体用于：
将接收到的每帧图像，编码到12个图像片段内，其中，每个水平方向的图像片段包含有1280×60个像素；所述12个图像片段中包括有1个I片段和11个P片段；其中，I片段的索引号表征每帧图像的顺序；
将所述图像片段转换为数字格式，得到相应的编码序列。
可选地，所述收发器包括：编码端网络路由和解码端网络路由；所述编码器生成的编码序列通过所述编码端网络路由，以无线网络的方式发送给其他的收发器；
所述解码端路由用于接收其他的收发器发送的编码序列。
可选地，所述解码器包括：软件解码器FFMPEG，所述解码器具体用于：
将编码序列依次转换为对应的图像片段，并将预设数量的图像片段组合为解码帧图像；其中，每个图像片段的解码延迟时间小于或等于2ms。
可选地，所述渲染设备包括：显示器和至少两个缓冲器，其中一个缓冲器用于从所述解码器中加载解码帧图像，另一个用于提取解码帧图像中的像素；所述显示器用于串行显示解码帧图像中的像素，得到完整图像。
可选地，所述渲染设备还用于：
在每个预设周期内去除所述解码器发送的一个解码帧图像；以使得解码器的平滑缓冲器FIFO始终处于溢出状态。
可选地，还包括：封装器和解封装器；所述封装器用于对编码器输出的编码序列进行封装处理后再转发给所述收发器；当外界设备发送的编码序列为封装后的编码序列，则通过解封装器对所述收发器接收到的封装后的编码序列进行解封装处理之后，再发送给所述收发器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的低延时无线传输编解码系统，可以实现视频的渐进式刷新，不会产生突然增大的码流，有利于码流在传输过程中的管理，对于多媒体压缩系统和实时压缩系统比较有意义，可以有效地降低传输延迟。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的一种低延时无线传输编解码系统的原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的一种低延时无线传输编解码系统的原理示意图，如图1所示，本发明中的系统可以包括：图像采集设备10、预处理器20、编码器30、收发器40、解码器50、以及渲染设备60；其中：视图像采集设备10，用于采集视频源中的图像，并将图像发送给预处理器；预处理器20，用于对图像进行格式转换处理，并将格式转换后的图像发送给编码器；其中，格式转换处理包括：颜色格式转换、色度格式转换、尺寸格式转换、帧裁剪；编码器30，用于将接收到的每帧图像进行压缩编码，并生成相应的编码序列；收发器40，用于发送编码器生成的编码序列，或者接收外界设备发送的编码序列；解码器50，用于对接收到的编码序列进行解码处理，得到该编码序列对应的解码帧图像；渲染设备，用于对解码帧图像进行显示。
本实施例中，图像采集设备用于捕捉视频源的图像，该图像采集设备可以是摄像机、相机、具有图像采集功能的终端设备等等。具体地，当图像采集设备为相机时；可以设置相机的帧率为240fps；相机采集到的每一帧图像在预设的时间内发送给预处理器。
在一种可选的实施方式中，预处理器将在接收到的每4帧图像中去掉其中的3帧图像，以使得预处理后的图像帧率下降至60fps。
具体地，以ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)平台为例，ASIC平台只能在捕获到完整的视频帧之后才能提供完整的图像帧。为了最小化延迟的影响，供应商可以将相机的帧率提高到240fps。这种方法可以用较低的光性能，来换取更好的低延迟。视频捕捉设备通常被设置为工作在720p@240fps。这么做的目的是为了尽可能快地获得视频数据，并送入编码器的缓存区中。在240fps的帧率情况下，每一帧会在4.16ms的时间内送入预处理器中。一旦收到这些数据，预处理器会每4帧去掉3帧，这样帧率会下降到60fps。在低延迟的需求下，编码器供应商需要重新配置预处理器，禁用所有的预处理器功能，包括EIS(Electric Image Stabilization电子防抖)。为了实现全旁路，ASIC供应商通过第二条编码通路来编码低延时码流，这条编码通路禁用了所有的格式缩放功能。这种禁用和第二通路的使用是由供应商修改专有的微代码来实现的。
本实施例中，编码器可以将接收到的每帧图像，编码到12个图像片段内，其中，每个水平方向的图像片段包含有1280×60个像素；12个图像片段中包括有1个I片段和11个P片段；其中，I片段的索引号表征每帧图像的顺序；然后将图像片段转换为数字格式，得到相应的编码序列。
具体地，以ASIC平台为例，ASIC平台的编码能力要快于实时的要求。测试发现最大的编码时间是12ms。因此，从视频图像的捕捉到编码完成，最大的延迟是4.16ms+12ms＝16.16ms。为了解决大数据的帧内帧的问题，编码器将每帧编码到12个slice(图像片段)内，每个水平方向的slice有1280x60个像素。对于每个编码帧来说，只有一个slice会被编码成I slice，其他的slice都会被编码成P slice。I slice的索引号在每帧内顺序的改变。这种算法引入了渐进刷新，会在12帧内刷新整个屏幕。每个GOP都由12帧组成，当中没有IDR帧，也不会有突然变大的I帧。不利的一点是它降低了压缩效率，并且在大运动情况下，需要多个GOP才能完全得到更新后的数据。
本实施例中，收发器包括：编码端网络路由和解码端网络路由；编码器生成的编码序列通过编码端网络路由，以无线网络的方式发送给其他的收发器；解码端路由用于接收其他的收发器发送的编码序列。
具体地，当采用WIFI进行数据传输时，12个slice的解码在解码端提供了额外的用途。考虑到WIFI带宽被限制在最大6Mbps的范围内，对于长距离来说，进一步被限制在3Mbps以下。这种帧的分段结构使得在整个帧全部到达解码器之前，这些分段数据可以尽早地被传递给解码器。通过分析发现，在良好的无线链路条件下，发送端的MAC层将会引入平均3ms的延迟。如果一个编码比特率为2Mbps，I slice的大小为22kbs(这里假定I slice的大小是P slice大小的8倍)，那么I slice的传输时间为11ms。接收端的MAC层路由也会产生3ms的延迟。
本实施例中，解码器包括：软件解码器FFMPEG，其目的是将编码序列依次转换为对应的图像片段，并将预设数量的图像片段组合为解码帧图像；其中，每个图像片段的解码延迟时间小于或等于2ms。
具体地，FFMPEG不需要任何传输或网络层的开销，并且解码可以在slice层立即进行，同时去除任何不必要的缓冲区预处理延迟。这样解码器可以在每个slice进入解码器的时候就立即开始解码。实际测量中发现，对slice进行解码的延迟的峰值是2ms，一般是出现在解码I slice时，对其他的slice而言，一般这个延迟会小一些。每个slice解码后被立即传输到渲染缓冲区。因此如果考虑到移动设备CPU的动态负载，解码器的最大延迟可以估计为4ms。在安卓和IOS平台上都可以观察到，集成的硬件解码器无法实现这种低延迟解码。在进行评估时，我们有试图优化集成的硬件解码器，但是由于解码器及其硬件加速器的高度集成，所以无法获得和在FFMPEG上同样的效果。
本实施例中，渲染设备包括：显示器和至少两个缓冲器，其中一个缓冲器用于从解码器中加载解码帧图像，另一个用于提取解码帧图像中的像素；显示器用于串行显示解码帧图像中的像素，得到完整图像。在每个预设周期内去除解码器发送的一个解码帧图像；以使得解码器的平滑缓冲器FIFO始终处于溢出状态。
具体地，可以通过渲染引擎进行像素提取和显示。为了保持视频缓冲器和像素数据的串行显示的一致性，底层的缓冲区使用了很复杂的格式，并且由硬件来实现。从概念上讲，它将至少需要两个缓冲器：一个从解码器加载当前图像，另一个用于串行接口(例如，MIPI)提取像素。由于变化的解码负载数据造成的网络抖动，在乒乓缓冲区之间通常存在平滑FIFO，这样解码器就能有很大的灵活性。但是，这样的灵活性就很有可能引入一帧的缓冲延迟。为了确保这个平滑帧缓冲引入的延迟最小，我们会有意周期性地(例如，每5秒)去掉一个解码帧不显示，以确保平滑FIFO总是处于下溢的状态。
另外，本实施例中的系统还可以包括：封装器和解封装器；封装器用于对编码器输出的编码序列进行封装处理后再转发给收发器；当外界设备发送的编码序列为封装后的编码序列，则通过解封装器对收发器接收到的封装后的编码序列进行解封装处理之后，再发送给收发器。
应用上述系统，其估算的延迟如表1所示。
表1
根据表1可知，估计的最小延迟为4.16+1+3+11+3+4+16+32+16＝90ms。其中，源端/目标端时钟偏移是随着时间而变化的，因此当实际测量时，会存在从90ms到74ms的延迟漂移。
进一步地，可以通过手机进行延迟测量。使用手机定时器和手机照相机进行测量会额外引入16ms的延迟，这是由于手机计数器和照相机设备捕获时钟之间的时钟是异步的。假设拍摄图片的手机相机被设置为具有高速捕获能力的慢速模式，而相机侧的定时器手机是IPHONE8。测试显示所有Android手机都表现出高度不稳定的计数性能，抖动可以高达100ms。而最好的计数器是用硬件工程培训开发板构建的LED计数器。
经过验证，本实施例提供的低延时无线传输编解码系统，可以实现视频的渐进式刷新，不会产生突然增大的码流，有利于码流在传输过程中的管理，对于多媒体压缩系统和实时压缩系统比较有意义，可以有效地降低传输延迟。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种低延时无线传输编解码系统，其特征在于，包括：图像采集设备、预处理器、编码器、收发器、解码器、以及渲染设备；其中：
所述视图像采集设备，用于采集视频源中的图像，并将所述图像发送给所述预处理器；
所述预处理器，用于对所述图像进行格式转换处理，并将格式转换后的图像发送给编码器；所述格式转换处理包括：颜色格式转换、色度格式转换、尺寸格式转换、帧裁剪；
所述编码器，用于将接收到的每帧图像进行压缩编码，并生成相应的编码序列；
所述收发器，用于发送编码器生成的编码序列，或者接收外界设备发送的编码序列；
所述解码器，用于对接收到的编码序列进行解码处理，得到该编码序列对应的解码帧图像；
所述渲染设备，用于对所述解码帧图像进行显示。
2.根据权利要求1所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，当所述图像采集设备为相机时；设置所述相机的帧率为240fps；所述相机采集到的每一帧图像在预设的时间内发送给所述预处理器。
3.根据权利要求1所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，所述预处理器将在接收到的每4帧图像中去掉其中的3帧图像，以使得预处理后的图像帧率下降至60fps。
4.根据权利要求1所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，所述编码器，具体用于：
将接收到的每帧图像，编码到12个图像片段内，其中，每个水平方向的图像片段包含有1280×60个像素；所述12个图像片段中包括有1个I片段和11个P片段；其中，I片段的索引号表征每帧图像的顺序；
将所述图像片段转换为数字格式，得到相应的编码序列。
5.根据权利要求1所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，所述收发器包括：编码端网络路由和解码端网络路由；所述编码器生成的编码序列通过所述编码端网络路由，以无线网络的方式发送给其他的收发器；
所述解码端路由用于接收其他的收发器发送的编码序列。
6.根据权利要求1所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，所述解码器包括：软件解码器FFMPEG，所述解码器具体用于：
将编码序列依次转换为对应的图像片段，并将预设数量的图像片段组合为解码帧图像；其中，每个图像片段的解码延迟时间小于或等于2ms。
7.根据权利要求1所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，所述渲染设备包括：显示器和至少两个缓冲器，其中一个缓冲器用于从所述解码器中加载解码帧图像，另一个用于提取解码帧图像中的像素；所述显示器用于串行显示解码帧图像中的像素，得到完整图像。
8.根据权利要求1所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，所述渲染设备还用于：
在每个预设周期内去除所述解码器发送的一个解码帧图像；以使得解码器的平滑缓冲器FIFO始终处于溢出状态。
9.根据权利要求1-9中任一项所述的低延时无线传输编解码系统，其特征在于，还包括：封装器和解封装器；所述封装器用于对编码器输出的编码序列进行封装处理后再转发给所述收发器；当外界设备发送的编码序列为封装后的编码序列，则通过解封装器对所述收发器接收到的封装后的编码序列进行解封装处理之后，再发送给所述收发器。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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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 | ||
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Application publication date: 20190614 |