CN110012363B - 一种基于sip协议的视频聊天系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于SIP协议的视频聊天系统，包括SIP模块、视频采集模块、视频编码模块、视频传输模块、视频接收模块以及解码播放模块。通过SIP模块接收来自SIP终端的请求消息，包含了注册、心跳保活、视频请求等接口。SIP终端首先会发送SIP消息向SIP模块进行注册请求，SIP模块会进行一系列加密认证流程；SIP终端发起视频请求时，SIP模块根据终端注册的信息将请求转发到指定目的地并转发回复的操作信息。若被呼叫端拒绝视频请求则马上中止并等待下次请求的发起，若同意视频请求则准备开启视频连接。当接收端各部分做好准备后就从二级缓存中稳定读取数据利用MediaCodec进行解码并将解码后的数据输出到Surface显示。设备两端既作为发送端，同时也是接收端，以此来实现视频聊天。
Description
技术领域
本发明涉及Android视频聊天技术领域，尤其涉及一种基于SIP(SessionInitiation Protocol，会话初始协议)协议的视频聊天系统。
背景技术
随着互联网和通信技术的高速发展，从几年前只能通过电话聊天到现在的语音视频聊天，人们之间的距离被不断拉近。视频聊天成为具有通讯功能软件上必不可少的一个功能。与此同时，Android手机凭借着其开源系统、应用广泛、价格实惠等优点已经占据了国内绝大部分市场。
目前的视频聊天大多采用从服务器拉流的模式，这样手机不需要对视频做过多的处理，但是这样对于服务器处理数据的要求会很高，服务器的成本会增加很多，基于SIP协议的视频聊天方法将视频数据在手机上进行处理，由服务器进行转发，适用于服务器不具备处理视频数据的项目开发。然而在视频聊天时，随着Android设备型号版本的不断更新，视频采集过程中很容易出现崩溃的现象，同时视频的实时性以及马赛克问题也是影响用户体验的重要因素。因此如何让视频采集适配各种不同型号不同系统版本的设备以及减少视频画面中的马赛克是亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，降低对服务器的要求与开发成本且能实现较高质量的视频聊天，本发明提供一种基于SIP协议的视频聊天系统，将视频数据放在手机上进行处理并通过对安卓设备进行视频采集适配防止视频崩溃，除此之外，还设置了码率自适应和二级缓存来解决视频马赛克问题以提高视频画面质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于SIP协议的视频聊天系统，包括SIP模块、视频采集模块、视频编码模块、视频传输模块、视频接收模块以及解码播放模块。
通过SIP模块接收来自SIP终端的请求消息，主要包含了注册、心跳保活、视频请求等接口。SIP终端首先会发送SIP消息向SIP模块进行注册请求，SIP模块会进行一系列加密认证流程，如果注册成功，则SIP模块会将该SIP终端的用户名作为键，与该SIP终端之间的Session作为值，以键-值对的形式保存在内存中；在响应SIP终端消息时，通过用户名查找到Session，再通过该Session响应消息。为了保证与SIP终端一直处于相连状态，SIP终端每隔一段时间需要向SIP模块发送方法为Register，内容为heartbeat的消息，若SIP模块接收到后会回复200OK消息。如果超过20s时间(该时间在SIP模块可自行设置修改)未收到来自SIP终端的heartbeat消息，在SIP模块上会注销与当前SIP终端的会话。
SIP终端发起视频请求时，SIP模块根据终端注册的信息将请求转发到指定目的地并转发回复的操作信息。若被呼叫端拒绝视频请求则马上中止并等待下次请求的发起，若同意视频请求则准备开启视频连接。
Android设备收到同意回复后准备调用Camera进行视频数据的采集，采集的原始数据分为两种格式，分别为YV12和NV21。然而由于Android设备型号以及系统版本不一，在进行视频采集之前需要对设备进行适配以防止崩溃。首先设备会检测自己的型号，查询是否存在相应的方案，如果有则直接使用对应的方案进行采集，如果没有则分别对该型号手机所支持的帧率、预览格式、分辨率、编码格式等参数进行检测并保存形成满足该型号设备的方案，然后进行视频采集。
Android设备将摄像头采集的原始数据进行H264硬编码，编码的分辨率目前设置了三种，其中包括CIF(352*288)格式、D1(720*576)以及720P(1280*720)，设备会根据不同的网络状况选择合适的分辨率。为了能在网络波动情况下保证清晰度，需要在编码时根据网络环境变化相应调整码率，该方法可通过调整采集模块输入图像的帧率P进行码率控制。帧率控制与像素时钟、图像的高度以及图像宽有关，具体关系如下式所示：
T＝W*H*P (1)
式(1)中T、W、H分别表示像素时钟、图像高以及图像宽。
因此，可通过调整图像的宽、高来间接达到调整码率的目的。针对不同的分辨率需要设置不同的媒体格式：以720P为例，帧率为25帧，关键帧(KEY_I_FRAME_INTERVAL)为1，KEY_COLOR_FORMAT为YUV420SP，由于摄像头采集的时候默认横向采集，因此还需要对画面进行旋转和镜像处理，最终得到编码后的H264裸数据。
发送端将编码出来的H264裸数据进行RTP封装发送。由于编码后有些帧长度过长，因此需要对过长的帧数据进行分片，设置分片长度为1000，大于该长度的数据进行分片打包成RTP包。另外，开启一个线程将封装好的RTP包存入队列，开启另外一个线程按照一定的速率从队列中取出RTP包发送，来实现稳定的RTP包发送。数据包的发送采用速度更快的UDP传输协议。
由于视频数据采用UDP传输，在保障了传输速度的同时也容易造成RTP包顺序混乱以及丢包等状况的出现。较好地，我们在视频接收端设计了一个二级缓存，先将收到的完整一帧的RTP包根据其序列号进行重新排序，排序好后存入一级缓存，当缓存长度达到阈值后取出一级缓存中的数据根据其序列号的连续性判断丢包情况并进行处理。关键帧I帧是完整图像经过压缩后的数据帧，辅帧P帧则表示这一帧与前一帧的差别，若丢失的为辅帧，则将下一个关键帧之前包括该帧在内的全部辅帧都丢弃；若丢失的是关键帧，则需要将相关的辅帧都丢弃，避免误差被不断放大。最后将处理完毕的数据组包存入二级缓存。另外，在接收数据的时候会对存入一级缓存数据的丢包率进行统计并反馈给编码端。丢包率l指的是一段时间内丢失的RTP数据包个数n1在期望接收RTP包个数n2中所占的百分比，即
l＝n1/n2*100％ (2)
由于网络的随机性导致实际丢包率出现突变状况，将丢包率作为码率调整依据时需要对实际丢包率进行处理得到丢包率预测值
如下式所示：
式(3)中
表示第i-1次丢包率处理后的值，li表示第i次丢包率实际值。
当接收端各部分做好准备后就从二级缓存中稳定读取数据利用MediaCodec进行解码并将解码后的数据输出到Surface显示。设备两端既作为发送端，同时也是接收端，以此来实现视频聊天。
本发明的技术构思为：Android作为一种Linux自由及开源代码的操作系统为定制化提供了良好的基础，而且随着移动网络的发展以及Android设备的硬件处理能力不断提升使得在设备上处理大量数据越来越简单。如今，视频通话成为互相联系的重要方式，现有的很多以推拉流形式的视频服务器平台使用成本过高并不适用。本发明实现了在手机上进行视频聊天数据处理，在保证聊天质量以及用户体验的同时降低了服务器的开发成本。
本发明的SIP终端支持多种分辨率码流，通话时可根据设备所处的环境网络状况选择不同的分辨率并根据丢包率相应调整码率，另外视频采集端的适配使得在不同型号不同系统版本的安卓设备上都能进行视频采集，二级缓存的设计也使得视频画面更加地流畅。
本发明的有益效果主要表现在：(1)目前很多视频聊天采用从服务器拉流的模式，相应服务器的开发以及商用的SDK不适用于低成本的开发与使用，本发明利用Android设备自带的编解码器进行编解码，利用服务器进行数据转发，降低了对于服务器的要求。(2)视频采集端对于各种设备的适配以及二级缓存、码率自适应的设置使得在提高用户体验的情况下节约了成本。(3)多种分辨率的数字码流满足用户在不同网络环境下的流畅体验。
附图说明
图1是由本发明SIP终端以及视频处理部分组成的系统框架图。
图2是本发明的设备注册流程图。
图3是本发明的视频采集适配的流程图。
图4是本发明的视频发送端分片打包流程图。
图5是本发明的二级缓存对于丢包情况的处理流程图。
图6是本发明的视频聊天时SIP终端与SIP模块交互流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
参照图1～图6，一种基于SIP协议的视频聊天系统，其架构参照图1，本发明即为其中的视频处理部分，核心分为六大模块，分别为SIP模块、视频采集模块、视频编码模块、视频传输模块、视频接收模块以及解码播放模块。
SIP信令控制方法主要有性能查询(OPTIONS)、注册(REGISTER)、请求(INVITE)、结束会话(BYE)等，具体解释如表1所示：
表1
| 请求消息 | 消息含义 |
| OPTIONS | 查询端对端支持的能力集 |
| REGISTER | 客户端向服务端注册 |
| INVITE | 发起会话请求，邀请用户加入 |
| BYE | 结束会话 |
参照图2，SIP终端首先需要进行设备注册，设备端发送Register消息给SIP模块，SIP模块收到消息后对该消息进行解析，回复200ok给SIP终端并将第二步注册时需要的加密种子放于消息体中。SIP终端收到200ok后，将消息体中的加密种子解析出来经过MD5算法得到加密后的密码并通过Register的消息体发送给SIP模块，SIP模块收到消息后对其进行解析验证，若密码正确，则回复200ok给终端表示登陆成功；反之，则回复401表示登录失败。为了随时获取终端的在线状况，SIP终端会每隔20s通过Register消息的消息体给SIP模块发送一次心跳包(Heartbeat)，SIP模块收到该消息则判断该设备在线并回复200ok作为响应。
参照图3，由SIP终端发起视频请求一旦接通，则视频发送端准备调用摄像头进行视频采集，因为Android设备型号系统版本不一，需要先对设备进行适配。设备会先对自己的型号进行检测，将该型号与原本储存的各种型号的采集方案进行匹配，若找到相匹配的型号则调用Camera使用该方案进行视频采集；若没有找到相对应的匹配型号则将设置的原始方案各参数与该设备支持的参数做比对。首先对该设备支持的帧率进行检测，若支持原始方案中设定的帧率则检测其所支持的浏览格式，否则替换原始方案设置的帧率；同理，若检测结果支持原始设定的预览格式则继续检测分辨率、编码格式，若支持原始设定的参数则保留，否则替换相应参数，最终形成匹配该型号设备的新的方案并用该方案进行视频采集。
参照图4，发送端采集上来的原始数据经过H264硬编码得到H264裸数据，如果数据长度超过阈值，则在发送之前需要对其进行分片打包成RTP包。首先需要获取NALU包长度len，如果len小于阈值(阈值设置为1000)，则将该单片包添加标识后发送出去，序列号加1；否则，按照规则发送首包，长度len更新为len-阈值；若更新后的len仍然大于阈值，则发送中包并将序列号加1直至len小于阈值，最后将尾包打包发送。为了实现平稳的RTP包发送，一共开启了两个线程，其中一个线程将封装好的RTP包存入队列，开启另外一个线程按照一定的速率从队列中取出RTP包发送，同时为了保证更好的实时性，数据采用UDP进行传输。
参照图5，为了提高视频质量，视频接收端需要对接收到的数据进行相应的处理。接收端设置了二级缓存，首先获取接收的RTP的序列号，然后根据序列号将RTP进行重新排序并存入一级缓存，当一级缓存中存储的数据达到阈值，根据RTP序列号是否连续对丢包情况进行判断。若存在丢包且丢失的为辅帧P帧，则将该帧以及之后的其他P帧全部人为地丢掉直至下个I帧到来；如果丢失的是主帧I帧，则将该I帧相关的后续P帧全部丢掉，防止误差逐级放大。最后，将RTP包进行组包存入二级缓存准备进行解码播放。另外，会对存入一级缓存数据进行丢包率分析并反馈给编码端。丢包率l指的是一段时间内丢失的RTP数据包个数n1在期望接收RTP包个数n2中所占的百分比，即l＝n1/n2*100％，由于网络的随机性导致实际丢包率出现突变状况，将丢包率作为码率调整依据时需要对实际丢包率进行处理得到丢包率预测值
即
式子中
表示第i-1次丢包率处理后的值，li表示第i次丢包率实际值。
参照图6，用户端通过SIP模块向设备端发送OPTIONS请求，OPTIONS请求的消息体中包含用于查询视频参数的query等XML节点，设备端收到OPTIONS请求后，回复200OK并将视频参数放在query_response的消息体中通过SIP模块反馈给用户端，随后，用户端通过SIP模块向设备端发送INVITE请求，该请求的消息体添加了实时视频请求和视频参数的media等XML节点。客户端收到INVITE请求后，将分辨率、视频压缩格式、码率、转发服务器IP、端口等信息放在200OK的消息体中回复给用户端，至此一端开启结束，用户设备双方互换角色按上述流程再开启一次便实现了双向视频连接。最后当需要关闭视频聊天时，只需一端挂断便由SIP模块将结束信息Bye发送到另一方，收到Bye后回复200OK关闭窗口结束聊天。
Claims (1)
1.一种基于SIP协议的视频聊天系统，包括SIP模块、视频采集模块、视频编码模块、视频传输模块、视频接收模块以及解码播放模块；
通过SIP模块接收来自SIP终端的请求消息，包含了注册、心跳保活、视频请求的接口；SIP终端首先会发送SIP消息向SIP模块进行注册请求，SIP模块会进行一系列加密认证流程，如果注册成功，则SIP模块会将该SIP终端的用户名作为键，与该SIP终端之间的Session作为值，以键-值对的形式保存在内存中；在响应SIP终端消息时，通过用户名查找到Session，再通过该Session响应消息；为了保证与SIP终端一直处于相连状态，SIP终端每隔一段时间需要向SIP模块发送方法为Register，内容为heartbeat的消息，若SIP模块接收到后会回复200OK消息；如果超过20s时间未收到来自SIP终端的heartbeat消息，在SIP模块上会注销与当前SIP终端的会话；其中，超过的时间在SIP模块可自行设置修改；
SIP终端发起视频请求时，SIP模块根据终端注册的信息将请求转发到指定目的地并转发回复的操作信息；若被呼叫端拒绝视频请求则马上中止并等待下次请求的发起，若同意视频请求则准备开启视频连接；
Android设备收到同意回复后准备调用Camera进行视频数据的采集，采集的原始数据分为两种格式，分别为YV12和NV21；然而由于Android设备型号以及系统版本不一，在进行视频采集之前需要对设备进行适配以防止崩溃；首先设备检测自己的型号，查询是否存在相应的方案，如果有则直接使用对应的方案进行采集，如果没有则分别对该型号手机所支持的帧率、预览格式、分辨率、编码格式的参数进行检测并保存形成满足该型号设备的方案，然后进行视频采集；
Android设备将摄像头采集的原始数据进行H264硬编码，编码的分辨率目前设置了三种，其中包括CIF格式、D1以及720P，设备会根据不同的网络状况选择合适的分辨率；为了能在网络波动情况下保证清晰度，需要在编码时根据网络环境变化相应调整码率，通过调整采集模块输入图像的帧率P进行码率控制；帧率控制与像素时钟、图像的高度以及图像宽有关，具体关系如下式所示：
T＝W*H*P (1)
式(1)中T、W、H分别表示像素时钟、图像高以及图像宽；
因此，通过调整图像的宽、高来间接达到调整码率的目的；针对不同的分辨率需要设置不同的媒体格式，由于摄像头采集的时候默认横向采集，因此还需要对画面进行旋转和镜像处理，最终得到编码后的H264裸数据；
发送端将编码出来的H264裸数据进行RTP封装发送；由于编码后有些帧长度过长，因此需要对过长的帧数据进行分片，设置分片长度为1000，大于该长度的数据进行分片打包成RTP包；另外，开启一个线程将封装好的RTP包存入队列，开启另外一个线程按照一定的速率从队列中取出RTP包发送，来实现稳定的RTP包发送；数据包的发送采用速度更快的UDP传输协议；
由于视频数据采用UDP传输，在保障了传输速度的同时也容易造成RTP包顺序混乱以及丢包状况的出现；在视频接收端设计了一个二级缓存，先将收到的完整一帧的RTP包根据其序列号进行重新排序，排序好后存入一级缓存，当缓存长度达到阈值后取出一级缓存中的数据根据其序列号的连续性判断丢包情况并进行处理；关键帧I帧是完整图像经过压缩后的数据帧，辅帧P帧则表示这一帧与前一帧的差别，若丢失的为辅帧，则将下一个关键帧之前包括该帧在内的全部辅帧都丢弃；若丢失的是关键帧，则需要将相关的辅帧都丢弃，避免误差被不断放大；最后将处理完毕的数据组包存入二级缓存；另外，在接收数据的时候会对存入一级缓存数据的丢包率进行统计并反馈给编码端；丢包率l指的是一段时间内丢失的RTP数据包个数n1在期望接收RTP包个数n2中所占的百分比，即
l＝n1/n2*100％ (2)
由于网络的随机性导致实际丢包率出现突变状况，将丢包率作为码率调整依据时需要对实际丢包率进行处理得到丢包率预测值
如下式所示：
式(3)中
表示第i-1次丢包率处理后的值，li表示第i次丢包率实际值；k表示在不同码率下实际丢包率对丢包率预测值的影响因子；
表示第i次处理后的丢包率预测值；
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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