CN114401253B - 一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法 - Google Patents

一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法，其步骤如下：(1)将视频帧大小转换成数据包形式；(2)根据网络带宽trace集计算网络吞吐量；(3)模拟数据包在网络环境中的接收和丢失；(4)模拟WebRTC的Nack机制，将需要重新发送的数据包打上Nack标记；(5)处理关键帧；(6)更新数据包序列，为下一次请求数据包做准备；(7)计算传输层和编解码层状态参数；(8)重复(1)‑(7)步骤，直到完成一个计算周期，输出网络状态。本发明的方法相比于搭建真实环境，可以低成本、快速地获取反映网络状态的传输层和编解码层相关参数，有利于码率决策的相关实验。

Description

一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法
技术领域
本发明涉及视频通信的技术领域，具体涉及一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法。
背景技术
自从全球性的新冠肺炎疫情爆发以来，网络视频的需求量快速增加，出现了越来越多的实时音视频传输(Real Time Communications for Video，RTCV)场景，例如视频通话、屏幕共享、远程桌面访问、云游戏等。但是当下的网络带宽常常有限且存在动态变化，实时视频传输过程中难免会因为网络带宽的限制造成丢包、卡顿的现象，最终导致用户的体验质量(Quality of Experience，QoE)下降。
在有限的资源下让用户得到更好的观看体验，一直是视频传输方面的热点问题。通常，人们会在客户端做码率的选择，比如自适应比特率(Adaptive bitrate，ABR)模型，就是通过吞吐量预测、缓冲区、综合利用带宽预测以及缓存信息等方法，使得用户所播放的视频块码率尽可能匹配当前网络带宽，从而提升用户的体验质量。或者是在视频的发送端，通过视频编码环节中利用码率控制(Rate Control，RC)技术，直接影响视频后续传输的数据大小，以此获得更好的视频效果。当然，几年来也出现了诸如Pensieve、Oboe等基于神经网络的算法用于进行码率的决策，这些不同方法都在一定程度上取得了不错的表现。
但无论是什么样的方法，在检验、测试方法有效性的同时，都需要进行大量的网络视频传输实验，特别是结合神经网络进行训练的方法更是如此，大量的数据不仅有利于模型的训练与测试，也是验证模型有效性的一种有效形式。WebRTC(Web Real-TimeCommunication，网页即时通信)作为万维网联盟的推荐标准，通过使用简单的API为浏览器和移动应用程序提供了实时通信的功能。它有着延迟低、传输速度快，可以应用在实时性要求高的场景等诸多优势。但假如是在真实环境中搭建一个基于WebRTC的网络视频传输模型，不仅需要接收端、发送端两台设备，还需要对传输层和编解码层重要的状态参数进行准确、及时地记录，这无疑大大增加了实验的成本，同时真实环境下的实验无疑是需要花费大量时间的，这对于实验的进行是十分不利的。
发明内容
针对在真实环境中进行大量网络视频传输实验的高成本，本发明的目的在于提供一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法，可以在本地快速模拟视频在网络中传输的过程，同时输出重要的传输层和编解码层状态参数，大大减少了实验所需要的时间。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法，包括如下步骤：
(1)将视频帧转换成数据包形式：模拟视频在网络环境中以数据包传输的形式，同时考虑音频数据和数据包包头的数据量；
(2)计算网络吞吐量：通过网络带宽trace集计算实时的网络吞吐量；
(3)模拟传输过程：将需要发送的数据包与步骤(2)计算的网络吞吐量相比较，模拟出接收和丢失数据包的情况，同时记录相应的时间戳，用于计算延迟时间；
(4)标记Nack包：模拟WebRTC的Nack机制，对于没有接收到的数据包，接收端会向发送端请求重新发送；
(5)处理关键帧：为了保证视频内容的时效性，当出现一个新的关键帧，选择不再接收之前的视频包；
(6)更新包序列：当一次传输完成后，对于长时间未接收、多次发送仍未接收的数据包进行筛选，为下一次请求数据包做准备；
(7)计算传输层和编解码层状态参数：根据步骤(1)-(6)中产生并记录的数据计算传输层和编解码层状态参数，用于描述视频在当前网络中的传输情况；
(8)重复步骤(1)-(7)，直到完成一个计算周期，输出网络状态。
进一步地，所述步骤(1)中，使用视频帧大小trace集将视频帧的大小转换为统一的数据包个数。
进一步地，所述步骤(7)中，传输层和编解码层状态参数包括平均往返时间、丢包率、接收码率、丢包数量、视频码率、接收缓冲区占用和卡顿帧率占比。
进一步地，所述步骤(8)中，网络状态的输出可以达到1秒钟一次输出。
本发明的方法通过模拟视频在网络中传输的方式，与搭建真实环境相比，大大节约了时间成本，十分有利于基于大量数据的码率决策算法来进行训练和测试。同时，本发明仅需要网络带宽数据集和视频帧大小数据集就可以进行模拟传输，大大降低了数据量的规模，提供了便捷的启动方式。不仅如此，本发明可以快速输出视频传输过程中重要的传输层和编解码层参数，有利于对于网络环境进行进一步的分析。
附图说明
图1是本发明实施例中模拟真实环境的系统示意图；
图2是本发明方法的计算流程图；
图3是本发明的网络带宽计算示意图；
图4是本发明的视频帧状态记录示意图，(a)发送端；(b)传输中；(c)接收端。
图5是本发明的接收缓冲区和播放缓冲区的处理过程示意图。
具体实施方式
本实施例首先搭建一个模拟真实环境的系统，如图1所示。输入数据是网络带宽trace集和视频帧大小trace集，网络带宽trace集以时间帧-带宽大小记录网络的带宽变化情况，视频帧大小trace集记录每一帧视频的大小情况。输出的结果为平均往返时间(avgRttMs)、丢包率(Packet_loss_rate)、接收码率(Received_bit_rate)、丢包数量(Total_nack_sent_count)、视频码率(Video_bitrate)、接收缓冲区占用(Buffer_size)和卡顿帧率占比(Stalling_ratio)7个反映网络状态和播放器状态的参数。实时音视频传输要求视频帧按一定速率持续发送，以保证可以在接收端播放低延迟的视频，所以本发明以视频帧的更新作为最小时间单位，在此基础上模拟视频在网络中的传输情况。
本实施例模拟网络中视频传输的流程图如图2所示。首先，通过网络带宽trace集和视频帧大小trace集代替真实的网络环境和视频文件，从而达到降低实验成本、简化环境的作用；接着，仿照视频在网络中以数据包传输的形式，在模拟环境中进行接收或者丢弃数据包的情景模拟；同时，参考WebRTC的Nack(Negative Acknowledgement)机制，模拟接收端向发送端请求重传、关键帧请求、重传次数上限等一系列的行为；最后，将模拟过程中的参数进行记录、整理，输出相关的传输层和编解码层状态参数，用于描述视频在当前网络中的传输情况。其具体工作流程如下：
(1)将视频帧转换成数据包形式
本步骤模拟了数据在网络上以包形式传输的模式。根据视频帧trace集将视频帧的大小转换为统一的数据包个数，如式(1)所示，nbytei为第i帧的数据大小，PACKETSIZE为单个数据包的大小。不仅如此，为逼近真实的环境，还考虑音频数据和数据包传输的包头大小，至此才可以较为完整地模拟真实环境下视频包传输的情况。
(2)计算网络吞吐量
根据网络带宽trace集计算网络的带宽变化情况如图3所示，为了模拟实时音视频环境，以视频帧的时间戳作为参考，网络带宽trace与之相对齐。根据式(2)计算duration，其中FEEDBACK_DURATION为输出一次网络状态的时间间隔(最小可达1秒)，FRAME_RATE为视频的帧率，duration的含义是按照视频的帧数，每一帧应该持续的时间，即保持视频不卡顿播放的最大间隔，同时也作为模拟网络环境的计算周期。
一般情况下，可以直接使用网络trace的数值与视频trace相对应，但如果出现图3中的视频帧f5情况时，该视频帧的持续时间包括了time1的结尾与time2的开始，则可以根据式(3)计算出一个平均带宽使用。其中，time1、time2和bandwidth1、bandwidth2分别表示网络带宽的持续时间和对应的网络带宽大小，对其取平均值得到当前时刻的网络带宽大小bandwidth。
由此可以通过式(4)计算出当前网络环境下，可以有效传输的数据总大小，同时转换成数据包的形式，方便模拟传输。其中bandwidth_byte表示计算周期内可以传输的总数据量大小，以字节为单位；而bandwidth_recv_pkt表示的是当前带宽下可以传输的数据包个数。
bandwidth_byte＝duration*bandwidth (4)
(3)模拟传输过程
通过(1)和(2)两个步骤，已经可以分别计算得到当前帧需要传输的视频包数npacketi和当前网络情况下带宽允许传输的数据包个数bandwidth_recv_pkt。当然，视频帧的传输往往并不能一次性传输完成，特别是I帧这种数据量较大的视频帧，会需要更长的时间，所以每次在传输视频包的时候，不仅有当前帧，还会有之前没有传输完成的视频帧，将它们按顺序存入frame_list，即为本次需要传输的数据包，如图4中的(a)所示。同时每一帧都分别记录视频帧的发送时间、是否为关键帧在sendtime_list和iframe_list中。接着，随机减少frame_list中的数据包数，即模拟数据包传输完成的情况，如图4中的(b)所示。如果视频帧对应的数据包减小到0，则说明该视频帧传输完成，则会计算该视频帧的传输延迟。其计算公式如下：
Rtti＝recvtimei-sendtimei (6)
其中recvtimei为缓冲区第i帧的接收时间，sendtimei为缓冲区第i帧的发送时间，两者相减得到传输延迟。至此，完成了一次从发送端传输视频数据包到接收端的过程。
(4)标记Nack包
在视频帧的传输过程中，难免有数据包不能及时到达接收端的情况发生，如果视频帧的发送时间sendtimei与当前时间相比超过设定的时间TIME_LIMIT_MS，则视为该视频帧未能及时接收，标记为Nack包，记录到nack_list中，会请求发送端进行重新发送，如图4中的(c)所示。
(5)处理关键帧
在视频传输的过程中，如果接收端在短时间内收到了最新的关键帧包，即开始接收新图像组(Groupof Picture，GoP)对应的包，那么就可以不再向发送端请求发送之前缺失的非关键帧包。此时，便可以清除该关键帧之前的所有视频帧的发送请求，无论是否为重传包。
(6)更新包序列
在接收端正式向发送端请求Nack包之前，还需要对Nack包进行筛选、更新。首先，每个视频帧仅仅会允许重新发送MAX_REPEAT_NACK次，如果超过上限，将不会再次发送；接着，如果与最新的视频帧时间相差大于DEFAULT_INTERVAL_MS，则视为该视频帧失去了时效性，也没有重传的必要，不会再次请求发送。至此，将不再需要重传的视频帧从列表中删除，完成对于接收端的Nack包序列的更新。
(7)计算传输层和编解码层状态参数
经过上面的步骤，已经完成了一次发送、传输、接收的模拟视频传输过程，这时需要对当前的重要参数进行计算。
平均往返时间avgRttMs通过每一帧测得的RTT求和取平均得到，其计算公式如式(7)所示，n为单位时间内发送的总帧数。
接收缓冲区占用Buffer_size的计算公式如式(8)所示，用于描述接收缓冲区的占用情况。
其中，DELAY_LIMIT是关于视频帧时效性的设定参数，preframedec等于1表示该帧为关键帧或者在接收端的接收缓冲区已经接收到了该帧的参考帧。因为视频编码的特性，必须要有参考帧才可以进行其他帧的解码工作，同时视频帧也要满足一定的时效性，所以只有满足这些条件的视频帧才会被记录到接收缓冲区中。
视频帧存入接收缓冲区后，还会依序从接收缓冲区存入播放缓冲区中，如图5所示。播放缓冲区按照视频帧率消耗已有视频帧，Buffer_size的补充计算公式如下所示，反映了最终接收端的缓冲区占用情况。
当Buffer_size为0时将会出现卡顿，buffer_empty记录单位时间内卡顿的帧数，计算方法如式(10)所示。
最终Stalling_ratio记录单位时间内卡顿帧数占总帧数的比率，计算方法为单位时间内卡顿的帧数除以视频帧率，如式(11)所示。
Packet_loss_rate的计算公式如式(12)所示，其中total_pkt表示需要传输的总数据包个数，real_received_pkt表示实际接收到的数据包个数，两个相减便可以得到在传输过程中丢失的数据包数量。
Video_bitrate的计算公式如式(13)所示，将实际接收到的数据包个数与数据包大小相乘，就可以得到接收的数据量大小。
Video_bitrate＝real_received_pkt*PACKETSIZE (13)
Total_nack_sent_count的计算公式如式(14)所示，表示在传输过程中所有重传的Nack包数，通过nack_list可以进行统计。
Total_nack_sent_count＝sum(nack_list) (14)。

Claims (4)

1.一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将视频帧转换成数据包形式：模拟视频在网络环境中以数据包传输的形式，同时考虑音频数据和数据包包头的数据量；
（2）计算网络吞吐量：通过网络带宽trace集计算实时的网络吞吐量；
（3）模拟传输过程：将需要发送的数据包与步骤（2）计算的网络吞吐量相比较，模拟出接收和丢失数据包的情况，同时记录相应的时间戳，用于计算延迟时间；
（4）标记Nack包：模拟WebRTC的Nack机制，对于没有接收到的数据包，接收端会向发送端请求重新发送；
（5）处理关键帧：为了保证视频内容的时效性，当出现一个新的关键帧，选择不再接收之前的视频包；
（6）更新包序列：当一次传输完成后，对于长时间未接收、多次发送仍未接收的数据包进行筛选，为下一次请求数据包做准备；
（7）计算传输层和编解码层状态参数：根据步骤（1）-（6）中产生并记录的数据计算传输层和编解码层状态参数，用于描述视频在当前网络中的传输情况；其中，接收缓冲区占用的计算公式如下所示，用于描述接收缓冲区的占用情况：
，
其中，是关于视频帧时效性的设定参数，/>等于1表示视频帧为关键帧或者在接收端的接收缓冲区已经接收到了视频帧的参考帧；/>，为传输延迟，其中/>为缓冲区第/>帧的接收时间，/>为缓冲区第/>帧的发送时间；因为视频编码的特性，必须要有参考帧才能进行其他帧的解码工作，同时视频帧也要满足时效性，所以只有满足这些条件的视频帧才会被记录到接收缓冲区中；
视频帧存入接收缓冲区后，依序从接收缓冲区存入播放缓冲区中，播放缓冲区按照视频帧率消耗已有视频帧，的补充计算公式如下所示，反映了最终接收端的缓冲区占用情况：
；
（8）重复步骤（1）-（7），直到完成一个计算周期，输出网络状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法，其特征在于，步骤（1）中，使用视频帧大小trace集将视频帧的大小转换为统一的数据包个数。
3.根据权利要求1所述的一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法，其特征在于，步骤（7）中，传输层和编解码层状态参数包括平均往返时间、丢包率、接收码率、丢包数量、视频码率、接收缓冲区占用和卡顿帧率占比。
4.根据权利要求1所述的一种基于WebRTC的模拟网络中视频传输方法，其特征在于，步骤（8）中，网络状态的输出达到1秒钟一次输出。
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