CN114339445A - 实时视频流自适应协调系统及方法 - Google Patents

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CN114339445A CN202111540477.5A CN202111540477A CN114339445A CN 114339445 A CN114339445 A CN 114339445A CN 202111540477 A CN202111540477 A CN 202111540477A CN 114339445 A CN114339445 A CN 114339445A
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本发明涉及一种实时视频流自适应协调系统及方法，属于视频信号传输技术领域。本发明包括非国标监控设备，包括若干发送视频流的摄像头；监控联网平台，包括视频流优化调整模块和监控联网显示模块，其中：视频流优化调整模块，通过RTCP协议从国标平台获取发送的信息包数码、丢失的信息包数码和信息包的抖动情况，信息能够判断出当前视频流的丢帧情况；视频流优化调整模块通过帧数动态规划的算法，把因丢帧而产生的视频流卡顿进行优化。本发明能够提高实时视频流的平滑度，通过帧数动态规划的算法，把因丢帧而产生的画面卡顿进行优化，使得画面更加顺畅平衡，有效的应用于国标平台的实时视频流监控。

Description

实时视频流自适应协调系统及方法
技术领域
本发明涉及一种实时视频流自适应协调系统及方法，属于视频信号传输技术领域。
背景技术
GB28181是国家针对安防领域指定的一个通信协议标准，目的是解决不同平台、不同设备通信协议不统一的问题。流媒体技术是指将一连串的媒体数据压缩后，以流的方式在网络中分段传送，实现在网络上实时传输影音以观赏的一种技术。
目前监控和直播等都需要实时的视频流数据，由于因特网的状况是不可靠的，其带宽、负荷等变化剧烈，这难以使得流媒体带宽约为的实时性服务质量要求，而实时视频流传输对实时性、网络带宽和延迟等要求较高，带宽不足和网络拥塞是视频流传输的主要瓶颈，不可避免地会出现随机丢包现象，并常常造成播放卡壳、延迟、视频质量抖动剧烈等不良情况，在国标平台上获取的实时视频流数据因此时常产生画面产生卡顿的现象。
目前已存在的实时视频流传输控制方法中，主要是视频流码流控制，是根据网络传输带宽变化去调整视频编码器编码的大小，从而对发送方的码流进行调整，网络带宽良好时增加数据的发送率，反之降低数据的发送率，以减少视频流的抖动提高播放的平稳性。该方面并不适用与国标平台的实时视频流控制，一方面该控制方法需要时延丢包率信息，如果这些信息时延较大在调整之中则会难以达到理想效果，另一方面来说基于GB28181国标平台来说对发送方进行码流的调整是难以实时实现的，需要对已经接收的视频流进行调整改动。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种实时视频流自适应协调系统及方法，针对GB28181国标平台上获取的实时视频流数据时常产生卡顿、视频质量抖动的问题。根据目前的丢包情况，对已经获取到的视频流数据进行调整，使得视频更加平衡从而提高视频质量。
本发明所述的实时视频流自适应协调系统，所述系统应用于GB28181国标平台中，GB28181国标平台将系统的两个不同通信协议的非国标监控设备、监控联网平台进行联接，其中：
非国标监控设备，包括若干发送视频流的摄像头，视频流根据编码压缩为包含有I帧、P帧、B帧的无数的视频单元，用于供GB28181国标平台实时调取；
监控联网平台，包括视频流优化调整模块和监控联网显示模块，其中：
视频流优化调整模块，通过RTCP协议从国标平台获取发送的信息包数码、丢失的信息包数码和信息包的抖动情况，信息能够判断出当前视频流的丢帧情况；并优化调整后的视频流协议封装输出串流；
监控联网显示模块，将优化调整后的视频流在监控联网平台进行显示；
视频流优化调整模块通过帧数动态规划的算法，把因丢帧而产生的视频流卡顿进行优化，使得优化调整后视频流更加顺畅平衡，完成对于GB28181国标平台的闭环控制。
优选地，所述GB28181国标平台基于分布式架构，包括前端设备、sip服务器和流媒体服务器。
优选地，所述监控联网平台还包括：
接入管理模块：屏蔽接入的外网的非国标监控设备的差异，并翻译成GB/T28181标准协议接口；
协议转换模块：将协议转换成标准控制数据；
视频转码模块：将视频生成标准码流。
优选地，所述视频流优化调整模块接收到优化调整请求后，完成与GB28181国标平台的对接，并进行RTCP协议客户端的创建；利用RTCP协议客户端通过RTCP丢帧分析，并进一步并优化调整视频流输出串流；监控联网显示模块对视频流进行显示处理。
本发明所述的实时视频流自适应协调系统的方法，包括如下步骤：
S1：通过RTCP协议从国标平台获取发送的信息包数码、丢失的信息包数码和信息包的抖动情况，信息能够判断出当前视频流的丢帧情况；
S2：获取到丢帧数以及当前的时间戳，将参数传入帧数动态规划算法，将其他帧的时间戳进行调整，其中公式如下所示：
Figure BDA0003413891510000021
目的是优化除了丢失帧的其他帧的时间戳，视频流为每秒25帧；
式中：Tn代表当前丢帧秒的第n个帧的时间戳，n最小为1最大为25，S表示调整最近几秒的时间戳，默认为1秒，F表示丢帧数；
S3：锁定丢帧处的位置，将计算的该时间S*25个帧的时间戳替换原来的时间戳；
S4：优化调整后的视频流协议封装输出串流。
优选地，所述步骤S1中，拉取国标的视频流，需要对已经拉取的视频流进行优化处理，然后让处理完成的视频流传给其他平台显示出来。
优选地，所述步骤S1中，RTCP丢帧分析过程如下：
S11：RTCP协议的功能是通过不同的RTCP数据报文来实现的，是发送端报告SR和接收端报告RR，SR包和RR提供的字段中包含有网络拥塞的测量参数，丢包代表长时间拥塞，抖动代表短时间内拥塞，用于数据传输质量反馈；
S12：在经过MPEG编码后，采用相应的算法对视频流压缩为I帧、P帧、B帧，I帧是完整的原画面即为关键帧，P帧只包含与前一帧的差别信息，B帧为双向帧需要前后的画面才能解析出原图片，一个GOP结构中会包含有1个I帧、3个P帧、8个B帧，对应每个B帧在网络带宽不足时的丢失概率的公式如下：
p＝2×(BWC-BWA)/BWC
式中：BWC为传输负载所需的带宽，BWA为网络可用带宽，p为丢失概率；
S13：利用丢失概率p进而可以计算不同丢帧情况下的均匀性分析，丢帧情况越均匀视频的流畅感、平滑感越好，取条件概率的平均值来衡量丢帧的均匀性公式如下：
Figure BDA0003413891510000031
式中：p(xi)代表的概率，p(xi+1|xi)代表条件概率，
Figure BDA0003413891510000032
代表的条件概率的平均值，
Figure BDA0003413891510000033
值越大则代表的丢帧均匀性越差，则视频流畅度越差。
优选地，所述步骤S12中，一个GOP结构通过MPEG-4视频源统计分析，I帧平均送出3.8个封包，P帧平均送出2.0个封包，B平均送出1.5个封包，B帧在正规视频数据中占有大概一半的数据量，带宽不足时会产生B帧的丢失时，在保证视频质量的同时发送的画面总数大大减小。
本发明的原理是：目前所使用视频编码是H264编码，该编码会将视频流压缩为无数的视频单元，一个视频单元包含有I帧、P帧、B帧，因为网络的不稳定性以及网络拥塞之后会产生丢包情况，进而导致丢帧的产生。在国标平台获取的实时监控视频流数据是每秒25帧，如果产生丢帧情况，画面就会产生卡顿的现象影响观感，为了使得画面看起来更加顺畅，本发明通过RTCP协议从国标平台获取目前的网络状况，包括有丢帧、网络拥塞、网络波动，根据丢帧情况通过使用自研的帧数动态规划算法，将1秒内的视频流帧数调整时间戳，每秒的视频共有25帧，如果丢了一帧，会使得画面产生一点卡顿的情况，对此将每一帧的时间戳进行修改，由原来的40ms显示一幅图片修改为41.6ms显示一幅图片，通过算法帧数修改1秒显示出24帧使得画面看起来更加的平滑，这适用于丢帧较少的情况，人眼察觉不到降速的现象但画面更加流畅平滑。
本发明的有益效果是：本发明所述的实时视频流自适应协调系统及方法，能够提高实时视频流的平滑度，通过帧数动态规划的算法，把因丢帧而产生的画面卡顿进行优化，使得画面更加顺畅平衡，让人察觉不到丢帧卡顿的现象，有效的应用于国标平台的实时视频流监控。
附图说明
图1是整个实时视频流监控的体系结构示意图。
图2是本发明是帧数动态规划执行的流程图。
图3是本发明是帧数动态规划算法的效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提出了一种实时视频流自适应协调系统及方法，针对GB28181国标平台上获取的实时视频流数据时常产生卡顿、视频质量抖动的问题。根据目前的丢包情况，对已经获取到的视频流数据进行调整，使得视频更加平衡从而提高视频质量。
本发明所述的实时视频流自适应协调系统，所述系统应用于GB28181国标平台中，GB28181国标平台将系统的两个不同通信协议的非国标监控设备、监控联网平台进行联接，其中：
非国标监控设备，包括若干发送视频流的摄像头，视频流根据编码压缩为包含有I帧、P帧、B帧的无数的视频单元，用于供GB28181国标平台实时调取；
监控联网平台，包括视频流优化调整模块和监控联网显示模块，其中：
视频流优化调整模块，通过RTCP协议从国标平台获取发送的信息包数码、丢失的信息包数码和信息包的抖动情况，信息能够判断出当前视频流的丢帧情况；并优化调整后的视频流协议封装输出串流；
监控联网显示模块，将优化调整后的视频流在监控联网平台进行显示；
视频流优化调整模块通过帧数动态规划的算法，把因丢帧而产生的视频流卡顿进行优化，使得优化调整后视频流更加顺畅平衡，完成对于GB28181国标平台的闭环控制。
优选地，所述GB28181国标平台基于分布式架构，包括前端设备、sip服务器和流媒体服务器。
优选地，所述监控联网平台还包括：
接入管理模块：屏蔽接入的外网的非国标监控设备的差异，并翻译成GB/T28181标准协议接口；
协议转换模块：将协议转换成标准控制数据；
视频转码模块：将视频生成标准码流。
优选地，所述视频流优化调整模块接收到优化调整请求后，完成与GB28181国标平台的对接，并进行RTCP协议客户端的创建；利用RTCP协议客户端通过RTCP丢帧分析，并进一步并优化调整视频流输出串流；监控联网显示模块对视频流进行显示处理。
本发明所述的实时视频流自适应协调系统的方法，包括如下步骤：
S1：通过RTCP协议从国标平台获取发送的信息包数码、丢失的信息包数码和信息包的抖动情况，信息能够判断出当前视频流的丢帧情况；
S2：获取到丢帧数以及当前的时间戳，将参数传入帧数动态规划算法，将其他帧的时间戳进行调整，其中公式如下所示：
Figure BDA0003413891510000051
目的是优化除了丢失帧的其他帧的时间戳，视频流为每秒25帧；
式中：Tn代表当前丢帧秒的第n个帧的时间戳，n最小为1最大为25，S表示调整最近几秒的时间戳，默认为1秒，F表示丢帧数；
S3：锁定丢帧处的位置，将计算的该时间S*25个帧的时间戳替换原来的时间戳；
S4：优化调整后的视频流协议封装输出串流。
优选地，所述步骤S1中，拉取国标的视频流，需要对已经拉取的视频流进行优化处理，然后让处理完成的视频流传给其他平台显示出来。
优选地，所述步骤S1中，RTCP丢帧分析过程如下：
S11：RTCP协议的功能是通过不同的RTCP数据报文来实现的，是发送端报告SR和接收端报告RR，SR包和RR提供的字段中包含有网络拥塞的测量参数，丢包代表长时间拥塞，抖动代表短时间内拥塞，用于数据传输质量反馈；
S12：在经过MPEG编码后，采用相应的算法对视频流压缩为I帧、P帧、B帧，I帧是完整的原画面即为关键帧，P帧只包含与前一帧的差别信息，B帧为双向帧需要前后的画面才能解析出原图片，一个GOP结构中会包含有1个I帧、3个P帧、8个B帧，对应每个B帧在网络带宽不足时的丢失概率的公式如下：
p＝2×(BWC-BWA)/BWC
式中：BWC为传输负载所需的带宽，BWA为网络可用带宽，p为丢失概率；
S13：利用丢失概率p进而可以计算不同丢帧情况下的均匀性分析，丢帧情况越均匀视频的流畅感、平滑感越好，取条件概率的平均值来衡量丢帧的均匀性公式如下：
Figure BDA0003413891510000061
式中：p(xi)代表的概率，p(xi+1|xi)代表条件概率，
Figure BDA0003413891510000062
代表的条件概率的平均值，
Figure BDA0003413891510000063
值越大则代表的丢帧均匀性越差，则视频流畅度越差。
优选地，所述步骤S12中，一个GOP结构通过MPEG-4视频源统计分析，I帧平均送出3.8个封包，P帧平均送出2.0个封包，B平均送出1.5个封包，B帧在正规视频数据中占有大概一半的数据量，带宽不足时会产生B帧的丢失时，在保证视频质量的同时发送的画面总数大大减小。
本发明的原理是：目前所使用视频编码是H264编码，该编码会将视频流压缩为无数的视频单元，一个视频单元包含有I帧、P帧、B帧，因为网络的不稳定性以及网络拥塞之后会产生丢包情况，进而导致丢帧的产生。在国标平台获取的实时监控视频流数据是每秒25帧，如果产生丢帧情况，画面就会产生卡顿的现象影响观感，为了使得画面看起来更加顺畅，本发明通过RTCP协议从国标平台获取目前的网络状况，包括有丢帧、网络拥塞、网络波动，根据丢帧情况通过使用自研的帧数动态规划算法，将1秒内的视频流帧数调整时间戳，每秒的视频共有25帧，如果丢了一帧，会使得画面产生一点卡顿的情况，对此将每一帧的时间戳进行修改，由原来的40ms显示一幅图片修改为41.6ms显示一幅图片，通过算法帧数修改1秒显示出24帧使得画面看起来更加的平滑，这适用于丢帧较少的情况，人眼察觉不到降速的现象但画面更加流畅平滑。
本发明的有益效果是：本发明所述的实时视频流自适应协调系统及方法，能够提高实时视频流的平滑度，通过帧数动态规划的算法，把因丢帧而产生的画面卡顿进行优化，使得画面更加顺畅平衡，让人察觉不到丢帧卡顿的现象，有效的应用于国标平台的实时视频流监控。
本发明可广泛运用于视频信号传输场合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种实时视频流自适应协调系统，其特征在于，所述系统应用于GB28181国标平台中，GB28181国标平台将系统的两个不同通信协议的非国标监控设备、监控联网平台进行联接，其中：
非国标监控设备，包括若干发送视频流的摄像头，视频流根据编码压缩为包含有I帧、P帧、B帧的无数的视频单元；
监控联网平台，包括视频流优化调整模块和监控联网显示模块，其中：
视频流优化调整模块，通过RTCP协议从国标平台获取发送的信息包数码、丢失的信息包数码和信息包的抖动情况，信息能够判断出当前视频流的丢帧情况；并优化调整后的视频流协议封装输出串流；
监控联网显示模块，将优化调整后的视频流在监控联网平台进行显示；
视频流优化调整模块通过帧数动态规划的算法，把因丢帧而产生的视频流卡顿进行优化，使得优化调整后视频流更加顺畅平衡。
2.根据权利要求1所述的实时视频流自适应协调系统，其特征在于，所述GB28181国标平台基于分布式架构，包括前端设备、sip服务器和流媒体服务器。
3.根据权利要求1所述的实时视频流自适应协调系统，其特征在于，所述监控联网平台还包括：
接入管理模块：屏蔽接入的外网的非国标监控设备的差异，并翻译成GB/T28181标准协议接口；
协议转换模块：将协议转换成标准控制数据；
视频转码模块：将视频生成标准码流。
4.根据权利要求1所述的实时视频流自适应协调系统，其特征在于，所述视频流优化调整模块接收到优化调整请求后，完成与GB28181国标平台的对接，并进行RTCP协议客户端的创建；利用RTCP协议客户端通过RTCP丢帧分析，并进一步并优化调整视频流输出串流；监控联网显示模块对视频流进行显示处理。
5.一种根据权利要求1-4任意一项所述的实时视频流自适应协调系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过RTCP协议从国标平台获取发送的信息包数码、丢失的信息包数码和信息包的抖动情况，信息能够判断出当前视频流的丢帧情况；
S2：获取到丢帧数以及当前的时间戳，将参数传入帧数动态规划算法，将其他帧的时间戳进行调整，其中公式如下所示：
Figure FDA0003413891500000021
目的是优化除了丢失帧的其他帧的时间戳，视频流为每秒25帧；
式中：Tn代表当前丢帧秒的第n个帧的时间戳，n最小为1最大为25，S表示调整最近几秒的时间戳，默认为1秒，F表示丢帧数；
S3：锁定丢帧处的位置，将计算的该时间S*25个帧的时间戳替换原来的时间戳；
S4：优化调整后的视频流协议封装输出串流。
6.根据权利要求5所述的实时视频流自适应协调方法，其特征在于，所述步骤S1中，拉取国标的视频流，对已经拉取的视频流进行优化处理。
7.根据权利要求5所述的实时视频流自适应协调方法，其特征在于，所述步骤S1中，RTCP丢帧分析过程如下：
S11：RTCP协议的功能是通过不同的RTCP数据报文来实现的，是发送端报告SR和接收端报告RR，SR包和RR提供的字段中包含有网络拥塞的测量参数，丢包代表长时间拥塞，抖动代表短时间内拥塞；
S12：在经过MPEG编码后，采用相应的算法对视频流压缩为I帧、P帧、B帧，I帧是完整的原画面即为关键帧，P帧只包含与前一帧的差别信息，B帧为双向帧需要前后的画面才能解析出原图片，一个GOP结构中会包含有1个I帧、3个P帧、8个B帧，对应每个B帧在网络带宽不足时的丢失概率的公式如下：
p＝2×(BWC-BWA)/BWC
式中：BWC为传输负载所需的带宽，BWA为网络可用带宽，p为丢失概率；
S13：利用丢失概率p进而可以计算不同丢帧情况下的均匀性分析，取条件概率的平均值来衡量丢帧的均匀性公式如下：
Figure FDA0003413891500000022
式中：p(xi)代表的概率，p(xi+1|xi)代表条件概率，
Figure FDA0003413891500000023
代表的条件概率的平均值，
Figure FDA0003413891500000024
值越大则代表的丢帧均匀性越差。
8.根据权利要求7所述的实时视频流自适应协调方法，其特征在于，所述步骤S12中，一个GOP结构通过MPEG-4视频源统计分析，I帧平均送出3.8个封包，P帧平均送出2.0个封包，B平均送出1.5个封包，B帧在正规视频数据中占有一半的数据量。
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