CN114567789A - 一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,克服了现有技术RTMP基础播放服务作为视频播放组件的问题,包括以下步骤:步骤一:接入视频流并对视频流进行格式转换,拆解和封装;步骤二:对解复用后的视频流进行时间戳校正;步骤三:叠加数据读到内存中并进行封装,封装后使用将音视频组合数据推流到网络进行中进行转发;步骤四:前端浏览器接受自定义视频数据分别分离到视频和算法数据,视频数据拼接视频帧形成视频解码队列传输到待播放队列;步骤五:提取渲染完成视频播放。现有方案难以满足实际需求,所以本发明只将其作为域内传播的中间格式。能够根据播放队列的长度主动清除队列缓存和未播放列表内的数据控制时延。

Description

一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法
技术领域
本发明涉及交通视频播放技术领域,尤其是涉及一种能够在弱网和边缘环境下实现低时延、高并发、易集成视频转发并在轻量级前端播放的基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法。
背景技术
随着经济的发展,驾车成为了城市居民出行的主流选择,所以日益拥堵的城市交通状况也成为了各大城市亟需解决的重要问题。道路监控是交通管理部门监控道路车辆和车辆运行轨迹的一种重要方式,道路监控关注的内容包括了道路的通行速度,路口的拥堵率以及车辆违法情况等。在以往的交通直播系统设计的过程中,RTMP作为一种基于Flash的主流视频播放方案,曾经有着比较广泛的应用。但是由于Flash在前端的编解码播放量较大且本身存在较大的漏洞,容易给使用者带来一定的安全隐患。同时Flash的开发公司Adobe和其他浏览器厂商也同时宣布:在2021年开始逐步放弃Flash的维护和支持,另外随着视频直播领域的深入发展,视频的编解码和播放逐渐发展到高压缩率、高质量、低时延,因此在视频直播领域需要一种可行的代替方案。另外基于Flash的RTMP格式固定,难以来自携带人工智能方法实时的视频分析结果,例如车辆运动轨迹、车辆种类等智慧交通相关的数据,这也使得基于RTMP的播放方案难以满足实际开发和使用需求。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的针对RTMP作为基础播放服务因为安全性、功耗大以及在难以在新版本的浏览器中作为视频播放组件的问题,提供一种在网络带宽有限的情况下提供可靠的视频编解码和转发并在浏览器前端提供拥塞控制和视频播放的方法,在fmp4的基础上封装自定义数据并跟随数据传送到前端页面进行播放。Framented mp4(fmp4)是一种基于MPEG-4的流媒体格式,与普通mp4相比具有格式灵活,空间占用较小和适合实时播放等特点,方法自行了封装了来自后端神经网络推到得到的智慧交通数据和拥塞控制,双向缓冲等算法。自定义的数据大大加强了使用人员对当前路面交通状况的研判能力,同时双缓冲队里和拥塞控制等算法对避免延迟卡顿方面也有着非常明显的效果。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,包括以下步骤:
步骤一:接入视频流并对视频流进行格式转换,转换为编码视频流后通过推流协议传输到视频转发中台做进一步的拆解和封装;
步骤二:视频转发中台中的视频接入部分处理不同来源的视频流,在视频流中DTS表示帧的解码时间,PTS表示视频流中原始帧解码后进行显示的时间,对解复用后的视频流进行时间戳校正;
步骤三:叠加数据读到内存中并进行封装,封装后使用将音视频组合数据推流到网络进行中进行转发;
步骤四:前端浏览器接受自定义视频数据分别分离到视频和算法数据,分离后视频数据拼接视频帧并形成视频解码队列传输到待播放队列,控制前端解码和视频传送的速度;
步骤五:视频播放队列提取渲染完成视频播放。
作为优选,所述步骤一包括以下内容:先接入各平台以及监控厂商NVR、IPC视频流并对相关的视频格式完成相应的H264或H265格式的转换,当转换为编码视频流之后通过推流协议传输到视频转发中台做进一步的拆解和封装。
作为优选,所述步骤二包括以下内容:视频转发中台中的视频接入部分处理不同来源的视频流,在视频流中DTS表示帧的解码时间,PTS表示视频流中原始帧解码后进行显示的时间;
视频帧分为B帧、I帧和P帧,其中B帧用于对前后帧作双向预测,因此含有B帧的视频帧解码时间和显示时间并不完全相同,在此步骤中将对解复用后的视频流进行时间戳校正。
作为优选,所述步骤三包括以下内容:在视频解复用后,我们的方案叠加来自神经网络推理的车辆位置、车辆行驶轨迹和行驶车道后,并将叠加后的数据读到内存中并封装为fmp4格式;
数据帧在封装完成后使用WebSocket中的Qos分布式调度算法将音视频组合数据推流到网络进行中进行转发。
作为优选,所述步骤四包括以下内容:在前一步骤中,服务器端与前端浏览器使用WebSocket形成了一个长连接,前端在接收到自定义视频数据分别分离到视频和算法数据;
在完成分离后,视频数据使用原始JavaScript的MediaSourceExtention拼接视频帧并形成视频解码队列并通过管到输送到待播放队列;
同时为了交通视频的流畅性,设定当未播放的已解码数据累积到一定程度时,拥塞控制方法会主动控制前端解码和视频传送的速度,如果探测到网络拥塞的情况会将队列中的部分帧移除并存放到磁盘中等待后续的分析处理。
作为优选,所述步骤五包括以下内容:视频播放队列中,采用提取渲染的方式将待播放的帧提前在内存中完成数据的分析和回执,在播放时间到达的时候将内存中渲染完毕的数据取出并由HTML5页面语言将渲染完成后的图片直接贴出,从而完成视频流畅、低延时的播放。
因此,本发明具有如下有益效果:
1. 前端播放器中采用双缓冲队列,自适应协调播放速度和解码速度不一致的情况,算法数据和实时视频戳能做到严格一一对应;
2. 前端播放器提前渲染视频帧,使用隐藏画布提前对后一帧视频的视频帧和算法数据进行绘制,缓解了播放闪烁和画面卡顿的情况;
3. 前端播放器的适应性较好,基本涵盖了市面所有主流浏览器。视频播放中系统能够根据播放队列的长度主动清除队列缓存和未播放列表内的数据,使延迟控制在400ms之内。
附图说明
图1是本发明视频播放流程图。
图2是本发明拥塞控制和提前渲染技术时序图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1:
本实施例提供了一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,包括以下步骤:
步骤一:
本方案通过开源组件FFMpeg接入并读取NVR等存储设备中的视频流。视频流的来源可以在播放系统中灵活的配置,包括了主流的治安,交通等用途摄像头。首先在方案中用avformat_alloc_context()创建一个用于分配空间的AVFormatContext对象,然后用avformat_open_input方法打开视频流文件并解析,可解析的内容包括视频流、音频流等。当成功打开视频流后,系统使用avcodec_find_encoder查找并打开FFMpeg的编码器,其中解码器的类型可以通过视频流中的参数自适应读取。
步骤二:
本方案为节省网络传输或者视频数据存储的成本,会对视频流中的一部分进行压缩的处理,这样一来可以较好地减少视频的体积。压缩图像中的B帧中采用了双向时间预测,可以大大提高压缩倍数,但是由于B帧图像采用了未来帧作为参考,因此MPEG-2编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的。本方案首先通过解码上下文取得解码视频帧并记录当前的机器时间,然后再取得当前待分析视频帧中的PTS,即度量解码后的视频帧显示的时间。得到解码时间和显示时间之后,计算两者之差T,T就是解码之后播放的延时时间。如果延时时间大于0,则通过自睡眠时间对解码线程进行延时使两者完成同步。
步骤三:
方案中待叠加的交通智慧数据均来自于神经网络后端的推导,一般包括以下的几种。交通实时监控数据,用于获知交通的拥堵线路、通行时间,用于反馈给交通中心和路面的指挥人员。本方案在将解码得到的数据包和算法数据完成叠加后开始尝试向前端发送请求连接的信息,连接采用的方法为Websocket。WebSocket用于实现灵活、轻量级以及高性能的通信库,可以与对端形成双向连接。在本步骤中首先用SetMessageHandler绑定回调函数,其次绑定到一个固定的端口并在绑定成功后开始用Connection和Run函数向前端页面发送组合的视频包数据。
步骤四:
如图 1所示,在页面前端收到后端的实时消息传输数据之后,对编码的数据进行拆包。编码的格式采用了主流的计算机间交换协议MsgPack,这种协议会将数据打包为二进制的数据,它的数据格式与Json协议类似但在存储多种字段时做了相当的优化。拆包后的数据分为媒体资源扩展类,包括在服务器端被打包的媒体资源扩展以及神经网络推理得到的画布数据,画布数据如果涉及到车辆拥堵情况的直播通常为当前画面内车辆的四个四周坐标点和中心坐标点。
步骤五:
当步骤四中完成拆包之后,多媒体视频数据被送往视频队列中。如图 2所示,视频队列可分为以下的几个部分:已播放、正在播放、即将播放和未播放,它们分别表示为视频的四种状态。步骤四中被拆包的数据通过管道输送到视频队列中,按照先进先出的顺序置于队列的最后端,刚进入队列的多媒体帧设置为未播放的状态,且根据上一帧数据的结束播放时间设置为当前帧的结束时间。视频服务中的调度器根据每一帧的开始时间和结束时间来确定即将播放的多媒体数据,当某一帧的开始时间即将到来的时候,视频调度器便将该帧送入渲染器中渲染画布数据。如果所有状态为即将播放的帧数量过多影响播放端的负载之后,算法调度程序就会根据先进先出的顺序从内存中丢弃部分帧并放入磁盘中进行存储。
步骤六:
本步骤将接收并拆包的视频帧数据进行提前渲染,具体的步骤如图 2所示,算法调度器首先找到当前播放帧的后一帧并送入隐形画布中。隐形画布即用于提前对视频帧数据以及神经网络中用于绘制的推理数据的后台渲染器,并将其状态设置为即将播放。当后一帧得到播放时间到达时候,调度程序直接将隐形画布中的帧输送到前台画布对渲染结束后的交通直播数据完成显示。
实施例2:
本实施例提供了一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,在后台服务器中接入各平台以及监控厂商的视频流,并将编码后视频流之后通过推流协议传输到视频中台做进一步封装和转发。
如图1所示,后台服务器将视频流叠加来自神经网络推理的车辆位置、车辆行驶轨迹等智慧交通数据后封装为fmp4帧格式。数据帧在封装完成后使用WebSocket中的Qos分布式调度算法将音视频组合数据推流到前端播放器中。
前端播放器在收到第一份数据的逐段拼接并得到完整的fmp4视频数据, 同时准备Video标签,隐藏的画布c1以及工作画布c2。当拼接完成第一段数据block1时,将block1内设定开始时间为0,同时与算法数据推入未播放缓存队列。当收到并拼接完第二段数据时,同样生成block2推入未播放缓存队列,以此类推。
当未播放缓存队列长度大于等于1并且等待前端播放组件空闲时,将实时视频数据推入播放组件,同时得到这段视频在播放组件中的结束时间,并更新到block1中。此时若组件空闲,继续从未播放队列中取出数据继续推入,并将block1的结束时间设为block2的开始时间,等待推入完成,更新block2的结束时间,以此类推。
本实施例还相应的提供了视频等待队列中的拥塞控制:在视频播放的过程中,每150ms清除播放组件中已经播放的视频流数据,避免播放时间长时数据过大导致浏览器崩溃,如果发现未播放视频队列缓存太多造成了累计延迟,则主动清除未播放列表内数据,保证播放的低延迟。
本实施例还相应的提供视频播放中的提前渲染技术:如图2所示,当第一段视频推送到播放组件后,定时查看当前视频播放时间。前一帧播放时确定视频流中后一帧播放的视频数据和对应的智慧交通数据,并使用隐藏画布c1提前绘制后一帧数据。当前一帧播放结束后, 直接对隐藏画布中渲染结束的数据送入工作画布c2中进行显示,这样一来避免了因数据过多导致画布闪烁或者延迟等问题。
上述实施例对本发明的具体描述,只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限定,本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤一:接入视频流并对视频流进行格式转换,通过推流协议传输到视频转发中台拆解和封装;
步骤二:视频转发中台中的视频接入部分处理不同来源的视频流,对解复用后的视频流进行时间戳校正;
步骤三:叠加数据读到内存中并进行封装,封装后使用将音视频组合数据推流到网络进行中进行转发;
步骤四:前端浏览器接受自定义视频数据分别分离到视频和算法数据,分离后视频数据拼接视频帧并形成视频解码队列传输到待播放队列,控制前端解码和视频传送的速度;
步骤五:视频播放队列提取渲染完成视频播放。
2.根据权利要求1所述的一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,其特征是,所述步骤一包括以下内容:先接入各平台以及监控厂商NVR、IPC视频流并对相关的视频格式完成相应的H264或H265格式的转换,当转换为编码视频流之后通过推流协议传输到视频转发中台做进一步的拆解和封装。
3.根据权利要求1所述的一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,其特征是,所述步骤二包括以下内容:视频转发中台中的视频接入部分处理不同来源的视频流,在视频流中DTS表示帧的解码时间,PTS表示视频流中原始帧解码后进行显示的时间;
视频帧分为B帧、I帧和P帧,其中B帧用于对前后帧作双向预测,因此含有B帧的视频帧解码时间和显示时间并不完全相同,在此步骤中将对解复用后的视频流进行时间戳校正。
4.根据权利要求1所述的一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,其特征是,所述步骤三包括以下内容:在视频解复用后,我们的方案叠加来自神经网络推理的车辆位置、车辆行驶轨迹和行驶车道后,并将叠加后的数据读到内存中并封装为fmp4格式;
数据帧在封装完成后使用WebSocket中的Qos分布式调度算法将音视频组合数据推流到网络进行中进行转发。
5.根据权利要求1所述的一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,其特征是,所述步骤四包括以下内容:在前一步骤中,服务器端与前端浏览器使用WebSocket形成了一个长连接,前端在接收到自定义视频数据分别分离到视频和算法数据;
在完成分离后,视频数据使用原始JavaScript的MediaSourceExtention拼接视频帧并形成视频解码队列并通过管到输送到待播放队列;
同时为了交通视频的流畅性,设定当未播放的已解码数据累积到一定程度时,拥塞控制方法会主动控制前端解码和视频传送的速度,如果探测到网络拥塞的情况会将队列中的部分帧移除并存放到磁盘中等待后续的分析处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于双缓冲队列和视频帧拥塞控制的视频直播方法,其特征是,所述步骤五包括以下内容:视频播放队列中,采用提取渲染的方式将待播放的帧提前在内存中完成数据的分析和回执,在播放时间到达的时候将内存中渲染完毕的数据取出并由HTML5页面语言将渲染完成后的图片直接贴出,从而完成视频流畅、低延时的播放。
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