CN111669545A - 一种改善视频传输延迟的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种改善视频传输延迟的方法，包括：1)视频发送端根据RTP层的反馈信息，经过带宽估测模块得出带宽估测结果，然后不断动态地调整发向监控用户端的视频流传输速率；2)监控用户端利用QoS监测模块得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数并将这些信息反馈给视频发送端；3)视频发送端根据监控用户端反馈的网络状态信息为视频编码器提供编码速率的控制参数，使视频数据流能够在编码器进行发送速率的自适应编码；4)监控用户端接收视频数据流，然后再通过解码器进行视频解压和解码，还原出图像。本发明还提供了一种改善视频延迟传输装置。本发明能够减小视频数据包丢失率，提高网络带宽利用率，能够降低实时视频传输的传输延迟。

Description

一种改善视频传输延迟的方法及装置
技术领域
本发明涉及视频传输技术领域，具体地说，本发明涉及一种改善视频传输延迟的方法及装置。
背景技术
随着社会的发展，公众安全意识的不断提高，视频监控系统作为安防产业中的重要部分，已经广泛地运用在生活中的许多场所。事实上，公路、公共场所、室内也是已经安装部署了大量的视频监控设备，随之而来的就是联网的需要。近年来随着以国标GB/T28181为代表的一批视频联网标准的公布，各公共部门及跨部门、跨区域的视频联网飞速发展。但是发展也带来了新的问题，由于各种原因，有些监控视频系统的网络结构可能十分复杂，这就不可避免地带来了监控视频质量的下降。
现在社会各行业和部门系统视频监控实时数据的传输对网络的带宽、数据包丢失率和延迟等指标都有严格的要求，但由于系统数据传输网上的视频处理主机的性能不同，以及网络传输带宽的频繁变化，往往不能满足实时视频信号传输对高带宽和低延时要求，以致出现网络拥塞状况，并造成监控视频质量的降低。
为了克服上述问题，提高监控视频服务质量，人们提出了多种对应的解决方案，下面分别介绍这些技术。
一种是现有的通信网络，使网络上的交换机和路由器等设备能对实时应用提供资源预约及服务质量的保证；
另一种就是在维持现有网络的状况下，通过端到端的拥塞控制和差错控制技术来最大程度地改善视频的传输。
常用的端到端的拥塞和差错控制方法是像TCP一样基于窗口的控制方式，它以数据包个数为单位，获取可用网络带宽的匹配主要是采用缓慢增加拥塞窗口的方式，当检测到网络拥塞时，会迅速减少拥塞窗口的大小，避免发生网络冲突。这种技术的一个明显缺点就是不能有效地解决重传时的抖动和延迟长等问题。
因此，当前迫切需要一种能够减小视频数据包丢失率，提高网络带宽利用率，降低视频传输的传输延迟解决方案。
发明内容
本发明要克服现有技术上的缺点，提供一种能够减小视频数据包丢失率、提高网络带宽利用率、降低视频传输的一种改善视频传输延迟的方法及装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种改善视频传输延迟的方法，包括下列步骤：
1)视频发送端根据RTP层的反馈信息，经过带宽估测模块得出带宽估测结果，然后不断动态地调整发向监控用户端的视频流传输速率；
1.1)带宽估测模块根据反馈信息按照伯努利模型估测网络的有效和可用带宽，其中所述带宽估需要预测出下一时刻的有效带宽，然后才能够应用速率控制机制随着有效带宽的变化动态地调整目标传输速率，从而避免网络阻塞的发生；判断网络是否拥塞需要关注两个重要的网络指标：数据包丢失率和传输时间。而当发生网络拥塞时，传输网络负载会较重，则数据包丢失率和传输时间均会增大；当网络拥塞较轻时，数据包丢失率和传输时间相应也较小；
1.2)根据估测带宽结果，速率调整模块负责对编码后的视频数据流进行速率和位率的调整和改进，从而控制输出的比特流，这样可以为避免发生网络拥塞，做到实际输出的视频速率与网络的实际可用带宽资源相匹配；
2)QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块，将RTP层的视频数据包进行分析和处理，并根据数据包的报头进行网络拥塞和服务质量的监测，统计结果，得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数，QoS监测模块再将这些参数，发送到反馈控制模块；
3)视频发送端根据监控用户端反馈的网络状态信息为视频编码器提供编码速率的控制参数，使视频数据流能够在编码器进行发送速率的自适应编码，经过自适应编码后的视频流，按照传输协议定义的打包算法，视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，再交给UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输；
4)监控用户端接收视频数据流，然后再通过解码器进行视频解压和解码，还原出监控图像。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种实施上述改善视频传输延迟的装置，包括：
视频发送端装置，根据监控用户端反馈的网络状态信息为视频编码器提供编码速率的控制参数，使视频数据流能够在编码器进行发送速率的自适应编码，根据带宽估测模块的带宽估测结果，不断动态地调整发向监控用户端的视频流传输速率；
监控用户端装置，利用QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数并将这些信息反馈给视频发送端，接收视频数据流，然后再通过解码器进行视频解压和解码，还原出监控图像；
优选地，所述视频发送端装置包括：
带宽估测模块，根据从RTP层反馈的信息按照伯努利模型估测网络的有效和可用带宽，然后将估测带宽结果信息，传送到速率调整模块。
速率调整模块，根据从带宽估测模块传送的带宽结果信息，利用速率控制传来的控制参数，负责对视频编码器传入的视频数据流进行速率和位率的调整和改进，最后将得到调整和改进的比特流输出到RTP层；
速率控制模块，首先它和RTP层是双向通信，RTP(实时传送协议)层将从监控用户端反馈的网络状态信息传输到速率控制模块，作为速率控制模块的控制参数，速率控制模块将信息传入视频编码器，为视频编码器提供编码速率的控制参数；
视频编码器，根据速率控制模块提供的参数，进行发送速率的自适应编码，编码后的视频数据流传入到速率调整模块，供速率调整模块进行速率和位率的调整和改进；
RTP层，经过速率调整模块编码后的视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，然后通过RTP层，再交给UDP/IP层，RTP层提供反馈的信息给带宽估测模块，还提供控制参数给速率控制模块，UDP/IP层将传输网络中的数据信息传入RTP层供其利用；
UDP/IP层，编码后的视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，UDP/IP层将传输网络中的数据信息传入RTP层供其提取有用信息，UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输，传输网络同时也将监控用户端的信息发送到UDP/IP层。
优选地，所述监控用户端装置包括：
QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块，将RTP层的视频数据包进行分析和处理，并根据数据包的报头进行网络拥塞和服务质量的监测，统计结果，得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数，QoS监测模块再将这些参数，发送到反馈控制模块；
反馈控制模块，将QoS监测模块传入的当前网络状态参数以RTCP(实时传输控制协议)包的形式反馈给RTP层；
RTP层，首先RTP层和UDP/IP层是双向通信，视频数据流通过UDP/IP层发送到UDP/IP层，RTP层对数据包进行分析和处理，视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，RTP层还会接受反馈控制模块传入的RTCP(实时传输控制协议)包，最后将得到控制与处理后的数据包发往视频解码器进行解码；
UDP/IP层，UDP/IP层和RTP层是双向通信，RTP层会将封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，UDP/IP层会将视频发送端的视频数据发送到UDP/IP层，UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输，传输网络同时也将视频发送端的信息发送到UDP/IP层。
视频解码器，对从RTP层传入的视频数据流进行视频解压和解码。
与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：
1、本发明能够能够减小视频数据包丢失率。
2、本发明能够提高网络带宽利用率。
3、本发明能够降低视频传输的传输延迟。
附图说明
图1示出了本发明一个实施例的改善视频传输延迟的方法的时序流程图。
图2示出了本发明一个实施例的改善视频传输延迟传输的装置的方框示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。
图1示出了本发明一个实施例的改善视频传输延迟的方法的时序流程图；
参考图1，本发明方法包括下列步骤：
步骤1：视频发送端根据RTP层的反馈信息，经过带宽估测模块得出带宽估测结果，然后不断动态地调整发向监控用户端的视频流传输速率。带宽估测模块根据反馈信息按照伯努利模型估测网络的有效和可用带宽；根据估测带宽结果，速率调整模块负责对编码后的视频数据流进行速率和位率的调整和改进，从而控制输出的比特流，这样可以为避免发生网络拥塞，做到实际输出的视频速率与网络的实际可用带宽资源相匹配。
本实施例中，带宽估测模块是速率控制的基础。只有先通过带宽估测算法来预测出下一时刻的有效带宽，然后才能够应用速率控制机制随着有效带宽的变化动态地调整目标传输速率，从而避免网络阻塞的发生。这里，判断网络是否拥塞需要关注两个重要的网络指标：数据包丢失率和传输时间。而当发生网络拥塞时，传输网络负载会较重，则数据包丢失率和传输时间均会增大；当网络拥塞较轻时，数据包丢失率和传输时间相应也较小。网络有效带宽的确定可由带宽估测模块通过数据包丢失率和传输时间等指标按一定的算法计算得到。例如，可以使用较为成熟的伯努利模型来估算上述指标，假定数据包的分发是独立和均匀的，伯努利模型定义的数据包丢失率p为，p＝nL/n，式中，n是抽样测试中的全部数据包数量，nL是抽样测试中丢失的数据包数量。因为任何一个视频数据包从视频发送端发出时，会被编上相应的RTP队列号，所以任何视频数据包的丢失或数据包次序的微小改变都会被及时捕捉和发现，因而丢失的数据包的统计监测主要是依据监控用户端检查数据包RTP队列实时位置的编号来完成。
步骤2：监控用户端利用QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数并将这些信息反馈给视频发送端。监控用户端的QoS监测模块负责QoS的统计，主要由RTP/RTCP协议中的RTCP来实现，如果使用RTCP包来计算网络的传输时间，需要在发送和接收端之间传送发送方的报告报文SR(senderreport，发送者报告)，而接收端在设定的计时器单位时间内或超时后，则会周期性地向发送端传送一个包括反馈信息的接受者报告报文RR(receiverreport，接受者报告)，反馈信息中主要包括包丢失率P和传输时间RTT(round—trip time，往返时间)。
步骤3：视频发送端根据监控用户端反馈的网络状态信息为视频编码器提供编码速率的控制参数，使视频数据流能够在编码器进行发送速率的自适应编码。其中速率控制模块，为视频编码器提供编码速率的控制参数，其中控制参数是根据RTP层从监控用户端反馈的网络状态信息来确定，视频编码器，根据速率控制模块提供的参数，进行发送速率的自适应编码，编码后的视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，再交给UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输。
步骤4：监控用户端接收视频数据流，然后再通过解码器进行视频解压和解码，还原出监控图像。
进一步地，图2示出了本发明一个实施例的改善视频传输延迟的装置的方框示意图。
参考图2，该改善视频传输延迟的装置包括视频发送端装置和监控用户端装置。视频发送端装置包括带宽估测模块、速率调整模块、速率控制模块和视频编码器、RTP层、UDP/IP层。下面分别介绍。
带宽估测模块，根据反馈信息按照伯努利模型估测网络的有效和可用带宽；根据估测带宽结果，速率调整模块负责对编码后的视频数据流进行速率和位率的调整和改进，从而控制输出的比特流，这样可以为避免发生网络拥塞，做到实际输出的视频速率与网络的实际可用带宽资源相匹配。带宽估测模块是速率控制的基础。只有先通过带宽估测算法来预测出下一时刻的有效带宽，然后才能够应用速率控制机制随着有效带宽的变化动态地调整目标传输速率，从而避免网络阻塞的发生。这里，判断网络是否拥塞需要关注两个重要的网络指标：数据包丢失率和传输时间。而当发生网络拥塞时，传输网络负载会较重，则数据包丢失率和传输时间均会增大；当网络拥塞较轻时，数据包丢失率和传输时间相应也较小。网络有效带宽的确定可由带宽估测模块通过数据包丢失率和传输时间等指标按一定的算法计算得到。例如，可以使用较为成熟的伯努利模型来估算上述指标，假定数据包的分发是独立和均匀的，伯努利模型定义的数据包丢失率p为，p＝nL/n，式中，n是抽样测试中的全部数据包数量，nL是抽样测试中丢失的数据包数量。因为任何一个视频数据包从视频发送端发出时，会被编上相应的RTP队列号，所以任何视频数据包的丢失或数据包次序的微小改变都会被及时捕捉和发现，因而丢失的数据包的统计监测主要是依据监控用户端检查数据包RTP队列实时位置的编号来完成。
速率调整模块，根据从带宽估测模块传送的带宽结果信息，利用速率控制传来的控制参数，负责对视频编码器传入的视频数据流进行速率和位率的调整和改进，最后将得到调整和改进的比特流输出到RTP层；
速率控制模块，首先它和RTP层是双向通信，RTP(实时传送协议)层将从监控用户端反馈的网络状态信息传输到速率控制模块，作为速率控制模块的控制参数，速率控制模块将信息传入视频编码器，为视频编码器提供编码速率的控制参数；
视频编码器，根据速率控制模块提供的参数，进行发送速率的自适应编码，编码后的视频数据流传入到速率调整模块，供速率调整模块进行速率和位率的调整和改进；
在本发明的一个实施实例中，采用MPEG-4编码标准。MPEG-4本身具有自适应码率编码的算法特点，这为视频传输速率的自适应控制提供了一定条件。系统结构中，速率控制模块需要为视频编码器提供一定的控制参数，从而保证编码器输出质量较好的视频数据流。
监控用户端装置包括QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块、反馈控制模块、视频解码器、RTP层、UDP/IP层。
监控用户端利用QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数并将这些信息反馈给视频发送端。监控用户端的QoS监测模块负责QoS的统计，主要由RTP/RTCP协议中的RTCP来实现，如果使用RTCP包来计算网络的传输时间，需要在发送和接收端之间传送发送方的报告报文SR(senderreport，发送者报告)，而接收端在设定的计时器单位时间内或超时后，则会周期性地向发送端传送一个包括反馈信息的接受者报告报文RR(receiverreport，接受者报告)，反馈信息中主要包括包丢失率P和传输时间RTT(round—trip time，往返时间)。如果接收端收到了发送端的控制包SR，经过一段时延DLSR(delaysincelastSR，自上次SR延时)后，则向发送端发送响应控制包SR的控制包RR，同时在控制包SR中的NTP(network timeprotocol，网络时间协议)时间戳域中，提取中间的32bit作为控制包SR的LSR(1astSR，上一个SR)。接收端如果没有收到发送端发出的SR控制包，则DLSR和LSR都置为0。无论收到与否，DLS和LSR的值会均被填入控制包SR相应的域中。假设时间A为发送端收到控制包RR的时刻，则当前的网络传输时间RTT为RTT＝A-LSR，当前的网络传输延迟Dn为，Dn＝1/2(A-LSR-DLSR)，设RR报文中的包丢失率字段为P，则网络的数据包丢失率p为p＝P/256，p可作为判断网络拥塞程度的一个重要指标，也可以间接地表示网络的有效带宽。
反馈控制模块，将QoS监测模块传入的当前网络状态参数以RTCP(实时传输控制协议)包的形式反馈给RTP层；
RTP层，首先RTP层和UDP/IP层是双向通信，视频数据流通过UDP/IP层发送到UDP/IP层，RTP层对数据包进行分析和处理，视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，RTP层还会接受反馈控制模块传入的RTCP(实时传输控制协议)包，最后将得到控制与处理后的数据包发往视频解码器进行解码；
UDP/IP层，UDP/IP层和RTP层是双向通信，RTP层会将封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，UDP/IP层会将视频发送端的视频数据发送到UDP/IP层，UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输，传输网络同时也将视频发送端的信息发送到UDP/IP层。
视频解码器，对从RTP层传入的视频数据流进行视频解压和解码。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种改善视频传输延迟的方法，包括下列步骤：
1)视频发送端根据RTP层的反馈信息，经过带宽估测模块得出带宽估测结果，然后不断动态地调整发向监控用户端的视频流传输速率；
1.1)带宽估测模块根据反馈信息按照伯努利模型估测网络的有效和可用带宽，其中所述带宽估需要预测出下一时刻的有效带宽，然后才能够应用速率控制机制随着有效带宽的变化动态地调整目标传输速率，从而避免网络阻塞的发生；判断网络是否拥塞需要关注两个重要的网络指标：数据包丢失率和传输时间。而当发生网络拥塞时，传输网络负载会较重，则数据包丢失率和传输时间均会增大；当网络拥塞较轻时，数据包丢失率和传输时间相应也较小；
1.2)根据估测带宽结果，速率调整模块负责对编码后的视频数据流进行速率和位率的调整和改进，从而控制输出的比特流，这样可以为避免发生网络拥塞，做到实际输出的视频速率与网络的实际可用带宽资源相匹配；
2)QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块，将RTP层的视频数据包进行分析和处理，并根据数据包的报头进行网络拥塞和服务质量的监测，统计结果，得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数，QoS监测模块再将这些参数，发送到反馈控制模块；
3)视频发送端根据监控用户端反馈的网络状态信息为视频编码器提供编码速率的控制参数，使视频数据流能够在编码器进行发送速率的自适应编码，经过自适应编码后的视频流，按照传输协议定义的打包算法，视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，再交给UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输；
4)监控用户端接收视频数据流，然后再通过解码器进行视频解压和解码，还原出监控图像。
2.一种改善视频传输延迟的装置，包括：
视频发送端装置，根据监控用户端反馈的网络状态信息为视频编码器提供编码速率的控制参数，使视频数据流能够在编码器进行发送速率的自适应编码，根据系统反馈控制的带宽估测结果，不断动态地调整发向监控用户端的视频流传输速率；
监控用户端装置，利用QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数并将这些信息反馈给视频发送端，接收视频数据流，然后再通过解码器进行视频解压和解码，还原出监控图像。
3.根据权利要求2所述的改善视频延迟传输装置，其特征在于，所述视频发送端装置包括：
带宽估测模块，根据从RTP层反馈的信息按照伯努利模型估测网络的有效和可用带宽，然后将估测带宽结果信息，传送到速率调整模块。
速率调整模块，根据从带宽估测模块传送的带宽结果信息，利用速率控制传来的控制参数，负责对视频编码器传入的视频数据流进行速率和位率的调整和改进，最后将得到调整和改进的比特流输出到RTP层；
速率控制模块，首先它和RTP层是双向通信，RTP(实时传送协议)层将从监控用户端反馈的网络状态信息传输到速率控制模块，作为速率控制模块的控制参数，速率控制模块将信息传入视频编码器，为视频编码器提供编码速率的控制参数；
视频编码器，根据速率控制模块提供的参数，进行发送速率的自适应编码，编码后的视频数据流传入到速率调整模块，供速率调整模块进行速率和位率的调整和改进；
RTP层，经过速率调整模块编码后的视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，然后通过RTP层，再交给UDP/IP层，RTP层提供反馈的信息给带宽估测模块，还提供控制参数给速率控制模块，UDP/IP层将传输网络中的数据信息传入RTP层供其利用；
UDP/IP层，编码后的视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，UDP/IP层将传输网络中的数据信息传入RTP层供其提取有用信息，UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输，传输网络同时也将监控用户端的信息发送到UDP/IP层。
4.根据权利要求2所述的改善视频延迟传输装置，其特征在于，所述监控用户端装置包括：
QoS(qualityofservice，服务质量)监测模块，将RTP层的视频数据包进行分析和处理，并根据数据包的报头进行网络拥塞和服务质量的监测，统计结果，得出包丢失率和传输时间等反映当前网络状态的参数，QoS监测模块再将这些参数，发送到反馈控制模块；
反馈控制模块，将QoS监测模块传入的当前网络状态参数以RTCP(实时传输控制协议)包的形式反馈给RTP层；
RTP层，首先RTP层和UDP/IP层是双向通信，视频数据流通过UDP/IP层发送到UDP/IP层，RTP层对数据包进行分析和处理，视频流在RTP层被封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，RTP层还会接受反馈控制模块传入的RTCP(实时传输控制协议)包，最后将得到控制与处理后的数据包发往视频解码器进行解码；
UDP/IP层，UDP/IP层和RTP层是双向通信，RTP层会将封装成RTP的数据包，交给UDP/IP层，UDP/IP层会将视频发送端的视频数据发送到UDP/IP层，UDP/IP层，以单播或组播方式进入网络进行传输，传输网络同时也将视频发送端的信息发送到UDP/IP层；
视频解码器，对从RTP层传入的视频数据流进行视频解压和解码。
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