CN111901678A - 一种面向tcp实时视频流的抗抖动平滑方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法，包括：将视频流数据转换成视频帧数据；所述视频帧数据含有视频帧大小和帧传输时间；对视频帧数据进行解码，得到解码抖动数据，并记录抖动解码的解码延迟抖动时间；根据视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间进行线性拟合，得到当前的网络吞吐量；根据网络吞吐量、视频帧大小和帧传输时间构建抖动延迟模型，求得网络延迟抖动时间；叠加网络延迟抖动时间和解码延迟抖动时间，得到抖动缓冲延迟时间；根据视频流数据的当前时间和抖动缓冲延迟时间，更新并输出视频帧数据。通过上述方案，本发明具有逻辑简单、平滑流畅播放、直播延迟最小化等优点。

Description

一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法及其系统
技术领域
本发明涉及实时视频流的抗抖动平滑优化技术领域，尤其是一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法及其系统。
背景技术
目前，现有技术中的TCP视频流抖动缓冲区的设计主要分为固定视频缓冲区和基于卡尔曼滤波的动态抖动缓冲区两类技术。其中，固定视频缓冲区的缓冲区大小是相对固定的，引入视频流的延迟非常大，不适用于实时视频流场景的应用，且无法有效应对网络的变化。如专利申请号为“200510100670.1”、专利名称为“流媒体去抖动方法”的中国发明专利，其通过：申请一段固定长度的内存作为缓冲区；接收数据包并提取数据包的相关信息，根据相关信息在缓冲区内对数据包进行排序；若经过最小延迟值，则检查缓冲区内的数据包是否符合提交条件，如果符合提交条件则向应用程序提交缓冲区内的数据包；否则继续收包，直到缓冲区内的数据包符合提交条件才提交缓冲区内的数据包；若经过最大延迟值，则强制提交缓冲区内的数据包。但是，该技术存在以下问题：
当网络抖动比较大，甚至存在丢包时，固定大小的缓冲区并不能满足去除抖动的要求；而当网络抖动比较小时，固定大小的缓冲区又会带来额外的播放延迟和内存消耗。
另外，基于卡尔曼滤波的动态抖动缓冲区主要应用于基于UDP协议的WebRTC会话接收端。而在TCP协议的视频传输下，由于TCP的ACK机制,数据包大小与传输时间不成正比。当直接使用卡尔曼滤波时，延迟抖动(Delay Jitter)模型的噪声过大而使得卡尔曼滤波无法完全去除噪声，无法精确地估计当前网络吞吐量，造成延迟抖动估计频繁变化和震荡，在应用于实时视频场景时不能达到良好效果，其正如专利申请号为“201810478342.2”、专利名称为“一种去除网络抖动的方法及装置”的中国发明专利。
因此，急需要提出一种逻辑简单、视频平滑流程、延迟时间短的面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法及其系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法及其系统，其针对现有技术和方法无法解决高抖动网络环境下，TCP实时视频流难以达到保证最低播放延迟的情况下，平滑流畅播放视频的问题，本发明采用的技术方案如下：
一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法，包括：
采集获得实时的视频流数据，并将视频流数据转换成视频帧数据；所述视频帧数据含有视频帧大小和帧传输时间；
对视频帧数据进行解码，得到解码抖动数据，并记录抖动解码的解码延迟抖动时间；
根据视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间进行线性拟合，得到当前的网络吞吐量；
根据网络吞吐量、视频帧大小和帧传输时间构建抖动延迟模型，其表达式为：
Figure BDA0002612838210000021
Figure BDA0002612838210000022
Figure BDA0002612838210000023
其中，Fi表示第i个视频帧的数据大小，Ti表示第i个视频帧的收发时间差，
Figure BDA0002612838210000024
表示线性拟合得到的网络吞吐量，δti表示第i个视频帧实际与预估传输时间的差值，N表示滑动窗内统计数据的总帧数；μ表示滑动窗内实际与预估视频帧传输时间差值的均值，σ表示滑动窗内实际与预估视频帧传输时间差值的标准差；
根据公式(5)至公式(7)，求得网络延迟抖动时间t，其表达式为：
Figure BDA0002612838210000031
其中，Fmax表示视频帧的数据最大值，tα/2表示网络延迟抖动时间的分布的临界值；
叠加网络延迟抖动时间和解码延迟抖动时间，得到抖动缓冲延迟时间；
根据视频流数据的当前时间和抖动缓冲延迟时间，更新并输出视频帧数据。
优选地，所述视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间的线性拟合采用最小二乘法，其表达式为：
Figure BDA0002612838210000032
Figure BDA0002612838210000033
k＝A*A-N*B (3)
Figure BDA0002612838210000034
其中，A表示滑动窗内所有前后两帧帧大小之差的求和，B表示滑动窗内所有前后两帧帧大小之差平方的求和。
一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法的系统，包括：
数据预处理模块，用于接收实时的视频流，并利用传输协议解析和数据包重组获得视频流对应的视频流数据；
网络吞吐量估计模块，与数据预处理模块连接，根据视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间进行线性拟合、并求得当前的网络吞吐量；
抖动延迟建模模块，分别与数据预处理模块和网络吞吐量估计模块连接，利用网络吞吐量、视频帧大小和帧传输时间构建、并输出网络延迟抖动时间；
解码模块，与数据预处理模块连接，并对视频流数据进行解码，得到解码抖动数据；
智能抽帧渲染模块，与解码模块和抖动延迟建模模块连接，叠加抖动延迟建模模块输出的网络延迟抖动时间和解码模块的解码延迟抖动时间，得到抖动缓冲延迟时间；
以及渲染缓冲区，与解码模块和智能抽帧渲染模块连接，根据视频流数据的当前时间和抖动缓冲延迟时间、并更新并输出视频帧数据。
进一步地，所述面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法的系统，还包括连接在数据预处理模块与解码模块之间、用于临时存储数据预处理模块传输的视频流数据的解码缓冲区。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙地将视频流数据转换成视频帧数据，以获得视频帧大小和帧传输时间，为后续的网络吞吐量估计模块求取网络吞吐量提供依据；
(2)本发明将解码缓冲区中的压缩视频帧进行一一解码，得到解码抖动数据的同时，也能获得解码延迟抖动时间，获得最终的抖动缓冲延迟时间提供保障；
(3)本发明巧妙地加入网络吞吐量估计模块、抖动延迟建模模块和智能抽帧渲染模块，并求得抖动缓冲延迟时间，根据抖动缓冲延迟时间；此抖动缓冲延迟时间将指导渲染模块在渲染缓冲区选择合适的视频帧进行播放显示，从而保证最低播放时延的情况下，达到平滑流畅播放的效果。特别地，延迟抖动建模模块输出的网络延迟抖动时间也可以直接用于指导渲染模块在渲染缓冲区选择合适的视频帧进行播放显示，即不考虑解码延迟抖动时间。
(4)本发明巧妙地采用线性拟合得到当前的网络吞吐量，其好处在于，借助滑动窗操作可以动态、准确、稳定地预估网络吞吐量，且计算简单、复杂度低，有利于视频直播场景下的实时运算。
(5)本发明巧妙地设置了智能抽帧渲染模块，其负责将延迟抖动模块输出的网络延迟抖动时间和解码模块输出的解码延迟抖动时间进行相加计算，获得最终的抖动缓冲延迟时间，用以指导渲染模块从渲染缓冲区中选择合适的视频帧进行渲染和播放显示。同时，依据此时间，过期的视频帧将会被从渲染缓冲区中清除。渲染缓冲区动态调整大小，一方面清除过期的视频帧，另一方面缓存从解码模块解出的更新的视频帧；
综上所述，本发明具有逻辑简单、平滑流畅播放、直播延迟最小化等优点，在实时视频流的抗抖动平滑优化技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的网络延迟抖动建模流程图。
图3为本发明的滑动窗示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1至图3所示，本实施例提供了一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法的系统，包括用于接收实时的视频流、并利用传输协议解析和数据包重组获得视频流对应的视频流数据的数据预处理模块，与数据预处理模块连接、根据视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间进行线性拟合、并求得当前的网络吞吐量的网络吞吐量估计模块，分别与数据预处理模块和网络吞吐量估计模块连接、并利用网络吞吐量、视频帧大小和帧传输时间构建、并输出网络延迟抖动时间的抖动延迟建模模块，与数据预处理模块连接、用于临时存储数据预处理模块传输的视频流数据的解码缓冲区，与解码缓冲区连接、并对视频流数据进行解码、得到解码抖动数据的解码模块，与解码模块和抖动延迟建模模块连接、叠加抖动延迟建模模块输出的网络延迟抖动时间和解码模块的解码延迟抖动时间、得到抖动缓冲延迟时间的智能抽帧渲染模块，以及与解码模块和智能抽帧渲染模块连接、根据视频流数据的当前时间和抖动缓冲延迟时间、并更新并输出视频帧数据的渲染缓冲区。
下面详细产生本系统的实现方法，其包括以下步骤：
第一步，采集获得实时的视频流数据，并利用数据预处理模块将视频流数据转换成视频帧数据；所述视频帧数据含有视频帧大小和帧传输时间。在本实施例中，一方面将视频帧数据传递给解码缓冲区临时存储，另一方面将视频帧大小、帧传输时间等数据传递给网络吞吐量估计模块进行处理。应明白，预处理模块根据给定实现的期望，可以加入任何的滤波处理。
第二步，解码缓冲区存储未解码的视频帧数据，该数据是以任何形式的存储的未解码视频数据，将数据传入解码模块。该解码缓冲区是可以移除的，即预处理模块将视频帧数据直接传入解码模块进行视频解码。应明白，解码缓冲区中存储未解码的视频帧数据，是以任何形式存储的压缩视频数据。在本实施例中，记录抖动解码的解码延迟抖动时间。
第三步，网络吞吐量估计模块根据视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间进行线性拟合，得到当前的网络吞吐量，在本实施例中，巧妙采用最小二乘法进行拟合，本实施例不限于此方法，其中，最小二乘法拟合表达式如下：
Figure BDA0002612838210000061
Figure BDA0002612838210000062
k＝A*A-N*B (3)
Figure BDA0002612838210000063
其中，A表示滑动窗内所有前后两帧帧大小之差的求和，B表示滑动窗内所有前后两帧帧大小之差平方的求和。
第四步，根据网络吞吐量、视频帧大小和帧传输时间构建抖动延迟模型，，其表达式为：
Figure BDA0002612838210000071
Figure BDA0002612838210000072
Figure BDA0002612838210000073
其中，Fi表示第i个视频帧的数据大小，Ti表示第i个视频帧的收发时间差，
Figure BDA0002612838210000075
表示线性拟合得到的网络吞吐量，δti表示第i个视频帧实际与预估传输时间的差值，N表示滑动窗内统计数据的总帧数；μ表示滑动窗内实际与预估视频帧传输时间差值的均值，σ表示滑动窗内实际与预估视频帧传输时间差值的标准差。
第五步，根据公式(5)至公式(7)，求得网络延迟抖动时间t，其表达式为：
Figure BDA0002612838210000074
其中，Fmax表示视频帧的数据最大值，tα/2表示网络延迟抖动时间的分布的临界值。
第六步，在智能抽帧渲染模块内，叠加网络延迟抖动时间和解码延迟抖动时间，得到抖动缓冲延迟时间。此抖动缓冲延迟时间将指导渲染模块在渲染缓冲区选择合适的视频帧进行播放显示，从而保证最低播放时延的情况下，达到平滑流畅播放的效果。特别地，延迟抖动建模模块输出的网络延迟抖动时间也可以直接用于指导渲染模块在渲染缓冲区选择合适的视频帧进行播放显示，即不考虑解码延迟抖动时间。
第七步，渲染模块输入渲染缓冲区中的视频帧数据，根据当前系统时间和抖动缓冲延迟时间自动选取应渲染的视频帧。更具体地，当过期视频帧累积较多时，不将视频帧全部播放，仅选择抖动缓冲延迟时间与系统时间最接近的视频帧进行渲染。本实施例的该抽帧方法不局限于取抖动缓冲延迟时间与系统时间最接近的视频帧进行渲染，可替换为任意的抽帧方法。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法，其特征在于，包括：
采集获得实时的视频流数据，并将视频流数据转换成视频帧数据；所述视频帧数据含有视频帧大小和帧传输时间；
对视频帧数据进行解码，得到解码抖动数据，并记录抖动解码的解码延迟抖动时间；
根据视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间进行线性拟合，得到当前的网络吞吐量；
根据网络吞吐量、视频帧大小和帧传输时间构建抖动延迟模型，其表达式为：
Figure FDA0002612838200000011
Figure FDA0002612838200000012
Figure FDA0002612838200000013
其中，Fi表示第i个视频帧的数据大小，Ti表示第i个视频帧的收发时间差，
Figure FDA0002612838200000014
表示线性拟合得到的网络吞吐量，δti表示第i个视频帧实际与预估传输时间的差值，N表示滑动窗内统计数据的总帧数；μ表示滑动窗内实际与预估视频帧传输时间差值的均值，σ表示滑动窗内实际与预估视频帧传输时间差值的标准差；
根据公式(5)至公式(7)，求得网络延迟抖动时间t，其表达式为：
Figure FDA0002612838200000015
其中，Fmax表示视频帧的数据最大值，tα/2表示网络延迟抖动时间的分布的临界值；
叠加网络延迟抖动时间和解码延迟抖动时间，得到抖动缓冲延迟时间；
根据视频流数据的当前时间和抖动缓冲延迟时间，更新并输出视频帧数据。
2.根据权利要求1所述的一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法，其特征在于，所述视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间的线性拟合采用最小二乘法，其表达式为：
Figure FDA0002612838200000021
Figure FDA0002612838200000022
k＝A*A-N*B (3)
Figure FDA0002612838200000023
其中，A表示滑动窗内所有前后两帧帧大小之差的求和，B表示滑动窗内所有前后两帧帧大小之差平方的求和。
3.一种根据要求1～2任一项所述面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法的系统，其特征在于，包括：
数据预处理模块，用于接收实时的视频流，并利用传输协议解析和数据包重组获得视频流对应的视频流数据；
网络吞吐量估计模块，与数据预处理模块连接，根据视频帧数据的视频帧大小和帧传输时间进行线性拟合、并求得当前的网络吞吐量；
抖动延迟建模模块，分别与数据预处理模块和网络吞吐量估计模块连接，利用网络吞吐量、视频帧大小和帧传输时间构建、并输出网络延迟抖动时间；
解码模块，与数据预处理模块连接，并对视频流数据进行解码，得到解码抖动数据；
智能抽帧渲染模块，与解码模块和抖动延迟建模模块连接，叠加抖动延迟建模模块输出的网络延迟抖动时间和解码模块的解码延迟抖动时间，得到抖动缓冲延迟时间；
以及渲染缓冲区，与解码模块和智能抽帧渲染模块连接，根据视频流数据的当前时间和抖动缓冲延迟时间、并更新并输出视频帧数据。
4.根据要求3所述一种面向TCP实时视频流的抗抖动平滑方法的系统，其特征在于，还包括连接在数据预处理模块与解码模块之间、用于临时存储数据预处理模块传输的视频流数据的解码缓冲区。
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Assignee: Beijing Wanhui Yunshi Intelligent Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHENGDU YUNGE ZHILI TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980004587

Denomination of invention: An Anti jitter Smoothing Method and System for TCP Real time Video Streaming

Granted publication date: 20220823

License type: Exclusive License

Record date: 20240418

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