CN115842919A - 一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及视频编解传输技术领域，公开了一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法。本发明通过在数据发送端执行S1至S4；S1：利用pcie采集卡和sdi摄像头采集视频数据；S2：使用硬件编码器将采集的视频数据编码为H.264格式；S3：使用RTP协议对H.264格式的视频数据进行协议封包；S4：将封包后的视频数据通过UDP协议推流至数据接收端；在数据接收端执行S5至S6；S5：通过UDP协议收流封包后的视频数据；S6：解码并显示收流的视频数据，最终视频从采集到解码的延迟不高于300 ms。

Description

一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法
技术领域
本发明涉及视频编解传输技术领域，具体而言，涉及一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法。
背景技术
在人工智能日益普及的今天，越来越多的终端设备依靠云端实现各种智能功能，尽管看起来很方便，但其实很多应用场景难免面临各种问题和潜在隐患，甚至是各种事故风险。边缘端设备监测的各种数据通过网络传输到云端，不仅可能带来很多应用场景下不能容忍的延迟问题，还可能因为隐私数据的泄露导致严重的数据安全。所以这更加使得边缘端在未来行业应用中变得尤为重要。过去，将AI推理布置到边缘意味着从传感器、摄像机和麦克风收集数据，然后将数据发送到云端实现推理算法，再将结果送回到边缘。由于延迟和能耗较大，这种架构对于边缘智能的普及极具挑战。作为替代方案，低功耗微控制器可用于实施简单的神经网络运算，但只能在边缘执行简单任务，且延迟会受到严重影响，因此这在低延迟要求高的情况下就无法应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，解决采用现有技术传输视频时存在高延迟的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，包括以下步骤：
使用sophon提供的VPU驱动API，启动视频编码器；设置视频编码器的参数，包括设置最大分辨率为8192*8192，设置最小分辨率为256*128，设置编码图像宽度为8的倍数，设置编码图像高度为8的倍数。
在数据发送端执行S1至S4。S1：利用pcie采集卡和sdi摄像头采集视频数据；S2：使用硬件编码器将采集的视频数据编码为H.264格式；S3：使用RTP协议对H.264格式的视频数据进行协议封包；S4：将封包后的视频数据通过UDP协议推流至数据接收端。
在数据接收端执行S5至S6。S5：根据UDP协议对收流设备、推流的IP和推流的端口进行相应设置。通过UDP协议收流封包后的视频数据。封包后的视频数据包括RTP Header部分和RTP Payload部分；RTP Header部分最少占用12个字节，RTP Header部分最多占用72个字节；RTP Payload部分用于封装H264格式的裸码流数据；S6：解码并显示收流的视频数据。
在PC机上开启一个精确到毫秒的计时器；利用sdi摄像头推流的同时开启一个播放器；通过截屏或拍照的方式采集多张源视频与播放视频的同框照片；根据采集的多张同框照片进行时间差值计算，得到视频数据的延时信息。
其中，S1包括：S11：打开视频数据输入的设备文件；S12：获取sdi摄像头的多个属性，通过检查sdi摄像头的多个属性对sdi摄像头的各项功能进行确认；S13：列举sdi摄像头支持的所有图像输出格式；S14：对摄像头的参数进行配置，包括设置视频大小为1920*1080，设置视频采集阵列为30帧，设置视频格式为NV12；S15：申请多个视频采集的帧缓存区，将多个帧缓冲区从内核空间映射到用户空间；S16：将申请获得的多个帧缓存区在视频采集输入队列中排队，启动sdi摄像头进行视频数据采集。
S2包括：S21：设置视频编码器的参数，包括设置码率为200000bps，设置恒定量化参数的默认值为30，设置恒定量化参数的最小值为10，设置恒定量化参数的最大值为50，设置编码模式为fast，启用降噪算法和背景检测算法，将gop预设索引值设置为IPPPP-cyclicgopsize 4；S22：启动视频编码器，使用视频编码器对采集的视频数据进行编码，得到格式为H.264的视频数据。进一步的，S22中，使用视频编码器对采集的视频数据进行编码的方法为：根据I帧、P帧和B帧的编码方式对视频数据进行帧内压缩和帧间压缩。
S4包括：S41：配置UDP通信协议；S42：若视频数据的nalu长度小于RTP封包的最大数量，则将每次封包后的视频数据按UDP通信协议全部发送至数据接收端；若视频数据的nalu长度大于RTP封包的最大数量，则将视频数据分批次打包后按UDP通信协议发送至数据接收端。
S5包括：S51：生成sdp文件；S52：使用ffply直接按收流地址收流封包后的视频数据。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：采用硬件编码器对视频编码进行假设，将视频数据编码为H.264格式数据，并对格式转换后的视频数据进行传输协议封包，保证了数据在一对一或一对多的网络传输中，能够提供时间信息并能实现流控制，最终实现视频从采集到解码显示的延迟不高于300ms，相较于现有的数据传输技术而言，大幅降低的数据传输延迟。并且采用硬件编码器对视频数据进行编码的方式不受限于软件环境适配，具有良好的容错性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的V4L2视频采集流程示意图。
实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例提供一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，该方法实施过程及原理如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：使用sophon提供的VPU驱动API，启动视频编码器。所用的驱动函数为bm_vdi_init，驱动设备为/dev/vpu。视频编码器的核心数为4，最多可编码一路核心，编码一路视频使用一个核心。
步骤2：设置视频编码器的参数。视频编码器的通用指标如下：
Capable of encoding Baseline/Constrained Baseline/Main/High/High 10Profiles Level@ L5.2；最大分辨率为8192*8192；最小分辨率为256*128；编码图像宽度须为 8 的倍数；编码图像高度宽度须为8的倍数。
步骤3：利用pcie采集卡和sdi摄像头采集视频数据或使用延迟较低的网络摄像头采集视频数据。具体实施步骤如下：
步骤3.1：打开视频数据输入的设备文件/dev/video0。
步骤3.2：获取摄像头属性。使用 VIDIOC_QUERYCAP 命令来获得当前设备的各个属性，查看设备对各项功能是否得到支持。
步骤3.3：用VIDIOC_ENUM_FMT来列举设备所支持的所有图像输出格式。
步骤3.4：使用V4L2驱动进行摄像头参数配置，将视频大小设置为1920*1080，将视频采集帧率为30帧，将图像格式设置为NV12。
步骤3.5：申请5个视频采集的帧缓冲区，并将这些帧缓冲区从内核空间映射到用户空间，便于应用程序读取/处理视频数据。
步骤3.6：将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列排队，并启动摄像头进行视频采集。
V4L2视频采集流程参考图2。
步骤4：使用硬件编码器将采集的视频数据编码为H.264格式。具体所述步骤如下：
步骤4.1：通过编码器名称查找视频编码器。例如，h264编码器名字为h264_bm。
步骤4.2：设置视频编码器的参数：包括设置码率为200000bps；设置恒定量化参数的默认值为30，设置恒定量化参数的最小值为10，设置恒定量化参数的最大值为50；设置编码模式present为fast（可配置为fast, medium, slow）；启用降噪算法和背景检测算法，将Gop_present（gop 预设索引值）设置为IPPPP-cyclic gopsize 4，其中，I表示H264视频I帧，P表示H264视频P帧。
步骤4.3：avcodec_open2打开视频编码器，使用视频编码器对采集的视频数据进行编码，得到格式为H.264的视频数据。
需说明的是，本实施例将视频数据编码为H.264格式数据。H264协议使用帧内压缩和帧间压缩的方式提高编码压缩率，采用了I帧、P帧和B帧策略来实现连续帧之间的压缩。如下是H.264编码的关键技术：
I 帧通常是每个GOP（MPEG 所使用的一种视频压缩技术）的第一个帧，经过适度地压缩，做为随机访问的参考点，可以当成图像，I帧可以看成是一个图像经过压缩后的产物。
P帧表示的是这一帧跟之前的一个关键帧（或P帧）的差别，解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别生成最终画面。P帧通过充分将低于图像序列中前面已编码帧的时间冗余信息来压缩传输数据量的编码图像，也叫预测帧。
B帧是双向差别帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别（具体比较复杂），要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高，但是解码时CPU资源消耗较多。
步骤5：使用RTP协议对H.264格式的视频数据进行协议封包。
需说明的是，视频推流前需要对已经编码过的H264视频数据进行网络传输封包，保证在一对一或一对多的网络传输中，能提供时间信息和实现流控制。本实施例使用RTP协议进行数据封包。RTP数据包由两部分组成，一部分是RTP Header，一部分是RTP Payload。RTP Header部分占用最少12个字节，最多72个字节；另一部分是RTP Payload，用来封装实际的数据负载，即H264的裸码流数据。RTP分组的首部格式中，前12个字节是必须的，包括：
1、版本号（V）：2比特，用来标志使用的RTP版本。
2、填充位（P）：1比特，如果该位置位，则该RTP包的尾部就包含附加的填充字节。
3、扩展位（X）：1比特，如果该位置位的话，RTP固定头部后面就跟有一个扩展头部。
4、CSRC计数器（CC）：4比特，含有固定头部后面跟着的CSRC的数目。
5、标记位（M）：1比特,该位的解释由配置文档（Profile）来承担。
6、载荷类型（PT）：7比特，表示传输的多媒体类型。
7、序列号（SN）：16比特，发送方在每发送完一个RTP包后就将该值增加1，接收方可以由该值确定包的丢失及恢复包序列。序列号的初始值是随机的。
8、时间戳：32比特，记录了该包中数据的第一个字节的采样时刻；在一次会话开始时，时间戳初始化成一个初始值，时间戳的数值随时间而不断增加；时间戳是去除抖动和实现同步不可缺少的；同一个帧的不同分片的时间戳是相同的，这样就省去了起始标志和结束标志。
9、同步源标识符(SSRC)：32比特，同步源就是指RTP包流的来源；在同一个RTP会话中不能有两个相同的SSRC值；该标识符是随机选取的 RFC1889推荐了MD5随机算法，是全局唯一的。
10、特约信源标识符（CSRC List）：0～15项，每项32比特，用来标志对一个RTP混合器产生的新包有贡献的所有RTP包的源；由混合器将这些有贡献的SSRC标识符插入表中。SSRC标识符都被列出来，以便接收端能正确指出交谈双方的身份。
步骤6：将封包后的视频数据通过UDP协议推流至数据接收端。具体实施步骤如下：
步骤6.1：配置UDP通信。视频网络传输依托UDP通信协议。
步骤6.2：若视频数据的nalu长度小于RTP封包的最大数量，则将每次封包后的视频数据按UDP通信协议全部发送至数据接收端；若视频数据的nalu长度大于RTP封包的最大数量，则将视频数据分批次打包后按UDP通信协议发送至数据接收端。
步骤7：根据UDP协议对收流设备、推流的IP和推流的端口进行相应设置。
步骤8：通过UDP协议收流封包后的视频数据。具体实施步骤为：
步骤8.1：生成sdp文件，文件配置如下：
v=0；
o=—0 0 IN IP4 127.0.0.1；
s=sophon；
c=IN IP4 （收流IP）；
t= 0 0；
m=video 9000 RTP/AVP 96；
a=rtpmap:96 H264/90000。
步骤8.2：使用ffply直接按收流地址收流。配置如下：
ffplay -flags low_delay -protocol_whitelist file,rtp,udp sophon.sdp。
步骤9：解码并显示收流的视频数据。
步骤10：在PC机上开启一个精确到毫秒的计时器；利用sdi摄像头推流的同时开启一个播放器；通过截屏或拍照的方式采集多张源视频与播放视频的同框照片；根据采集的多张同框照片进行时间差值计算，得到视频数据的延时信息。
综上所述，本实施例的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，通过对视频编码硬件进行初始化，启动硬件功能；采用pcie采集卡和sdi摄像头进行视频数据采集；使用视频编码硬件对视频编码进行加速，将视频数据编码为H.264格式数据；对编码的视频数据进行传输协议封包，使数据能够提供时间信息并能够实现流控制，最终视频从采集到解码的延迟不高于300 ms。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
在数据发送端执行S1至S4；
S1：利用pcie采集卡和sdi摄像头采集视频数据；S2：使用硬件编码器将采集的视频数据编码为H.264格式；S3：使用RTP协议对H.264格式的视频数据进行协议封包；S4：将封包后的视频数据通过UDP协议推流至数据接收端；
在数据接收端执行S5至S6；
S5：通过UDP协议收流封包后的视频数据；S6：解码并显示收流的视频数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S1之前，包括以下步骤：使用sophon提供的VPU驱动API，启动视频编码器；设置视频编码器的参数，包括设置最大分辨率为8192*8192，设置最小分辨率为256*128，设置编码图像宽度为8的倍数，设置编码图像高度为8的倍数。
3.根据权利要求1所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S6之后，包括以下步骤：在PC机上开启一个精确到毫秒的计时器；利用sdi摄像头推流的同时开启一个播放器；通过截屏或拍照的方式采集多张源视频与播放视频的同框照片；根据采集的多张同框照片进行时间差值计算，得到视频数据的延时信息。
4.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S1包括：
S11：打开视频数据输入的设备文件；
S12：获取sdi摄像头的多个属性，通过检查sdi摄像头的多个属性对sdi摄像头的各项功能进行确认；
S13：列举sdi摄像头支持的所有图像输出格式；
S14：对摄像头的参数进行配置，包括设置视频大小为1920*1080，设置视频采集阵列为30帧，设置视频格式为NV12；
S15：申请多个视频采集的帧缓存区，将多个帧缓冲区从内核空间映射到用户空间；
S16：将申请获得的多个帧缓存区在视频采集输入队列中排队，启动sdi摄像头进行视频数据采集。
5.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S2包括：
S21：设置视频编码器的参数，包括设置码率为200000bps，设置恒定量化参数的默认值为30，设置恒定量化参数的最小值为10，设置恒定量化参数的最大值为50，设置编码模式为fast，启用降噪算法和背景检测算法，将gop预设索引值设置为IPPPP-cyclic gopsize 4；
S22：启动视频编码器，使用视频编码器对采集的视频数据进行编码，得到格式为H.264的视频数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S22中，使用视频编码器对采集的视频数据进行编码的方法为：根据I帧、P帧和B帧的编码方式对视频数据进行帧内压缩和帧间压缩。
7.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，封包后的视频数据包括RTP Header部分和RTP Payload部分；RTP Header部分最少占用12个字节，RTP Header部分最多占用72个字节；RTP Payload部分用于封装H264格式的裸码流数据。
8.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S4包括：
S41：配置UDP通信协议；
S42：若视频数据的nalu长度小于RTP封包的最大数量，则将每次封包后的视频数据按UDP通信协议全部发送至数据接收端；若视频数据的nalu长度大于RTP封包的最大数量，则将视频数据分批次打包后按UDP通信协议发送至数据接收端。
9.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S5之前包括以下步骤：根据UDP协议对收流设备、推流的IP和推流的端口进行相应设置。
10.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于硬件加速的视频低延迟传输方法，其特征在于，S5包括：
S51：生成sdp文件；
S52：使用ffply直接按收流地址收流封包后的视频数据。
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