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CN101686383B - 通过网络传输媒体的方法及系统 - Google Patents

通过网络传输媒体的方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种通过网络传输媒体的方法，该方法包括：把源媒体编码成若干数据包，监测一当前组数据包的实时传输状态，绘制可以反映出不同传输速率下传输质量的实效曲线。根据所述一当前组数据包的实时传输状态和所述实效曲线计算下一组数据包的目标传输速率，并为所述下一组数据包确定一个控制策略，以实现该目标传输速率。

Description

通过网络传输媒体的方法及系统
技术领域
本发明涉及媒体传输系统及方法。
背景技术
媒体流用来通过网络在发送端和接收端之间传输媒体，其中网络可包括国际互联网、企业内部网或局域网等等，媒体包括视频、音频或其他多媒体。例如，视频流通过网络来传输视频。因为视频的尺寸通常比较大，尤其是实时视频，通常在网络传输的过程中需占据较大的网络带宽。当对某一个视频流所分配的带宽不足时，可能会出现丢包，从而导致在接收端无法重现该视频流。如何在有限的网络带宽内传输视频并保证视频质量一个研究的课题。
比如，一个安防系统通常在不同的位置设置摄像装置，用以记录不同位置和角度的视频。通过编码器对这些视频进行编码，然后通过网络传输给解码器。每个视频流都需占据网络的一些带宽，如果网络出现拥堵，其中一个视频流分配的带宽不足，视频数据会被丢失，则解码器无法还原该视频，整个安防系统存在缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时监测网络状况，并调整媒体流传输速率以适应网络带宽变化的方法和控制系统。
本发明提供一种通过网络传输媒体的方法，该方法包括：把源媒体编码成若干数据包，监测一当前组数据包的实时传输状态，绘制可以反映出不同传输速率下传输质量的实效曲线。根据所述一当前组数据包的实时传输状态和所述实效曲线计算下一组数据包的目标传输速率，并为所述下一组数据包确定一个控制策略，以实现该目标传输速率。
本发明还提供一种控制系统，包括：一可将视频编码成若干可选择性层的视频编码器；一用来测试视频流当前组数据包的实时传输状态的网络测量模块；一从网络测量模块获得实时传输状态信息的速率分配模块，速率分配模块绘制反映不同选择性图层的视频流质量的实效曲线，速率分配模块根据当前组数据包的实时传输状态和实效曲线计算下一组数据包的目标传输速率；以及一依据所述目标传输速率确定控制策略的优化模块。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是依照本发明一种视频流系统的一个实施例，该系统通过网络传输若干视频流。
图2是图1中一个视频流的示意性结构框图。
图3是图2所示视频流的一个实效曲线示意图。
图4示意一组编码图片组。
图5是依据图4中编码图片组所设定的选择层示意图。
图6为图1中视频流系统里不同视频流的实效曲线示意图。
具体实施方式
图1是依据本发明一个实施例通过网络11传输媒体的媒体流系统10。该媒体流系统10应用于视频监控系统，其中传输的媒体是视频，网络11为一局域网。若干个网络相机(未图示)录制不同视角的视频，该录制的视频在图中标记为源视频12，然后传输至编码器14进行编码，已编码的视频通过网络11传输，然后由各自对应的接收器16接收。每条由源视频12传输给相应的接收器16的传输流为一个“视频流”。在图1所示实施例中，媒体流系统10拥有同样数量的源视频12和接收器16，而且源视频12和接收器16是一一对应关系。在其他实施例中，若干接收器16通过网络11存取同一源视频12，形成若干个视频流；或一个接收器16通过网络11存取若干个源视频12，形成若干个视频流。每个视频流还包括一个实时控制模块18。每个控制模块18控制相应的视频流的实时传输速率。
图2显示的是图1的一个视频流的示意性框图。源视频12传输给编码器14，编码器14把源视频12压缩并编码成一系列图片组。每个图片组包括一定数量的帧，每个帧含有特定的时序。每一帧然后被打包成若干数据包，数据包通过网络11传输出去，然后被相应的接收器16接收。控制模块18获得当前一组数据包Pi的传输状态，然后确定下一组数据包Pi+1的传输速率。在某些实施例中，每组数据包可以是一个图片组、或同一图片组的一部分、或两个或两个以上邻近图片组的结合。
控制模块18包括一个网络测量模块20、一个速率分配模块22和一个优化模块24。网络测量模块20接收当前组数据包Pi的传输状态信息，然后把该传输状态信息发送给速率分配模块22，速率分配模块22在当前组数据包Pi的传输状态的基础上确定下一组数据包Pi+1的目标传输速率，接着发送Pi+1的目标传输速率给优化模块24。优化模块24最终确定可实现该下一组数据包Pi+1的目标传输速率的控制方案。
在某些实施例中，该网络测量模块24可位于系统10的应用层、传输层、网络层或网卡的驱动程序中。用网络测量模块24测得的传输状态信息可能包括：丢包、往返迟延时间、发送率(Rs)、接收率(Rr)等。可利用现有的模块测量或设计专门的测量元件测量该传输状态信息。例如，作为一种实施方式，不依赖于时间同步，通过接收器16的反馈信息可测得数据包的往返迟延时间。一旦接收器16接收到当前组数据包Pi，它会把反馈信息发送到网络测量模块20。网络测量模块20获得反馈信息后，始可计算出相应的传送和接收所经历的时间。在另一个实施例中，操作系统10传输层中有一种DCCP/TFRC(数据包拥塞控制协议/TCP友好数据控制)堆栈，用来测试往返迟延时间、丢包率、发送率、接收率等。在又一实施例，实时控制协议的内容可以自行设计从而达到包含所需要的状态信息的目的。
在一个实施例中，当前组数据包Pi的传输速率Rsi依据公式1：
Rsi＝∑Sizes/(Tsn-Ts0)                  公式1
其中，∑Sizes是当前组数据包Pi里各数据包尺寸的和，Tsn是编码器14发送该当前组数据包Pi中最后一个数据包的时间，而Ts0是编码器发送该当前组数据包Pi中第一个数据包的时间。作为一种实施方式，Tsn和Ts0可包括在当前组数据包Pi的包头中，并被接收器16读取。
当时组数据包Pi的接收率Rri取决于公式2：
Rri＝∑Sizer/Trn-Tr0                  公式2
其中，∑Sizer为接收器16所成功接收到的当前组数据包Pi里各数据包尺寸的和，Tm是接收器16接收到当前组数据包Pi最后一个数据包的时间，Tr0是接收器16接收到当前组数据包Pi的第一个数据包的时间。
分配模块22对所传输的视频流定义一条实效曲线，该实效曲线评估在不同传输速率Rs时所对应的不同的用户满意度。3所示为一个示意性的实效曲线26，该实效曲线26的横坐标为传输速率Rs，纵坐标表示在不同传输速率Rs所对应的用户满意度，该值反映接收端用户对不同发送速率Rs的视频的主观感受。在一个实施例中，网络测量模块20测得当前组数据包Pi的当前实际传输速率Rsi。速率分配模块22根据该当前实际传输速率Rsi和实效曲线26，计算下一组数据包Pi+1的传输速率Rsi+1。最后优化模块24依据该Rsi+1对应的控制方案。
在一个实施例中，编码器14是可分级的视频编码器，比如MPEG-4AVC/H.264标准的解码器。实效曲线26是在该可分级的视频编码器14的基础上建立的。视频流在时间序列上被编码成一系列的图片组。每个图片组包括图4所示的16帧，每帧具有一定的时序和尺寸。该图片组包括独立的I帧和附属的P帧。I帧指那些不需任何前帧或后帧的信息就可单独解码的帧。P帧为解码时需要图片组中前面某一帧或某些帧信息的帧。在图4的示范实施例中，第“0”帧是一个I帧，第“1-15”帧是P帧。
如图4和图5所示，该图片组中的16帧提供16个可选择性传输的层，该16个层是由每一帧的重要性决定的。图5所示每一层中，“1”代表相应的帧在该层中会被发送，“0”相应的帧在该层中不被发送。例如在第一层中，只有第“0”帧被发送到网络11中，此层中发送出去的总尺寸即第“0”帧的大小。在第二层，第“0”帧和第“8”帧被发送到网络11，则该第二层所发送的总尺寸即为第“0”帧和第“8”帧尺寸的和。以些类推，第十六层中全部的16帧都被发送出去，所发送的尺寸即为16个尺寸之和。在图5所示的实施例中，各层中帧的选择的是大致相称的。
在一个实施例中，图3中的实效曲线26的横坐标是由图5中所示的16个层确定的，每一层对应一个传输速率Rs。该传输速率Rs根据公式3计算：
Rs＝∑Size/∑T                        公式3
其中，∑Size反映的是相应层中被发送帧的总尺寸，∑T反映的是此层中所有帧的总时间。表1所示为图片组中各层与相应传输速率Rs之间对应关系的一个例子，实效曲线26的横坐标即这16个传输速率Rs确定。
表1
 
帧i 传输速率Rs(Kbps)
0 202.211
1 327.454
2 414.172
3 504.275
4 557.305
5 616.031
6 672.933
7 732.472
8 760.388
9 795.655
10 828.727
11 865.088
12 896.278
13 932.451
14 965.921
15 1002.661
图3中实效曲线26的纵坐标为各层的“有效值”。也就是说，实效曲线26的纵坐标值反映的是接收器16接收到的传输品质，其可根据帧数的重要性来评估。例如，第“0”帧是一个最重要的I帧，其有效值可评估为0.8，因此第一层的有效值是0.8。第“8”帧是一个P帧，且直接依附于第“0”帧，重要性略低于第“0”帧着，则其有效值评估为0.5，因此图5中第二层(包括第“0”和第“8”帧)的有效值是1.3。其他层的有效值可以这种方法计算出来，然后得到16个有效值，从而确定了16个点，以及由这16个点确定的实效曲线26。
分配模块22从传感模块20得到传输速率Rsi和接收率Rri，并在实效曲线26确定与传输速率Rsi最接近的点Ci，然后根据公式4-6确定下一组数据包Pi+1的目标传输速率Rsi+1：
Rsi+1＝Rsi+k*Rsi(utilityGain-Price)        公式4
Price＝(Rsi-Rri)/Rsi                      公式5
UtilityGain＝λ*current_gradient/max_gradient         公式6
其中，“k”是由用户经验决定的可变参数，其值在0.1-3之间；“current_gradient”是实效曲线26上Ci点的斜率，“max_gradient”是实效曲线26的最大斜率。“λ”是由用户经验确定的参数；“Price”表示当前配置所花费的网络资源成本。
当接收率Rri等于传输速率Rsi，当前组数据包Pi的网络配置可以被认为是足够的，因此“Price”的值为0。下一组数据包Pi+1的传输速率Rsi+1可适当增加，这种增加与Ci点的斜率和实效曲线26的最大斜率的比值相关。
当接收率Rri小于传输速率Rsi，“Price”的值大于0。此时网络可能出现拥塞等情况，因此下一组数据包Psi+1的传输速率Rsi+1依据公式4减小。
在计算出下一组数据包Pi+1的目标传输速率Rsi+1后，在实效曲线26上找到与目标传输速率Rsi+1对应的点。如果没有完全对应的点，即选择离传输速率Rsi+1最近的传输速率所在点Cj。优化模块24依据点Cj确定一个合适的控制方案。在一个实施例中，优化模块24选择图5中传送点Cj所对应的层传送下一组数据包Pi+1，以实现该传输速率Rsi+1。编码器14对源视频12可以进行时间和/或空间上分层的编码，由此，对于已确定的传输速率Rsi+1，优化模块24选择一个相应的时序上的层，或选择一个相应的分辨率的分层，或选择一个相应的信噪比分层，或选择上述分层方式的组合。
在一个实施例中，系统10的不同视频流具有不同的实效曲线。图6显示了三种视频流的实效曲线36、46、56的示意图，其中3条曲线的有效值应用的是同一标准。第一个实效曲线36对应的是默认分辨率是720*480(D1)，帧率是30帧每秒的视频流；第一个实效曲线46对应的默认是分辨率是D1，帧率是15帧每秒的视频流；第一个实效曲线56对应的是默认分辨率是352*240(CIF)，帧率是15帧每秒的视频流。每个视频流具有相应的控制器18，分别实时控制其传输速率。
在一个实施例中，控制器18还包括一个供输入用户信息的接口(未图示)。用户可以输入特定的分辨率、或特定的帧率，或特定的关于信噪比等用户信息。
作为一个可供选择的实施例，优化模块24将下一组数据包Pi+1的已确定的传输速率Ri+1发送至解码器14。解码器14据此压缩源视频12，以满足该目标传输速率Ri+1。
本发明的逻辑操作可通硬件、软件、固定程序或上述任一组合来实现。在一个实施例中，该逻辑可以由存储在内存里的软件或固定程序来执行。作为一个通过硬件来实现的实施例，本逻辑操作可通过下列任一已有技术或其组合运行：具有一旦得到数据信号就可执行逻辑函数的逻辑门的分立逻辑电路，具有适量的组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等等。另外，本发明的范围还包括在硬件或一定形式的软件媒介中以逻辑操作方式实现。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (13)

1.一种通过网络传输媒体的方法，所述方法包括：
把源媒体编码成若干数据包；
监测当前组数据包的实际传输速率；
绘制可以反映出不同传输速率下传输质量的实效曲线；
通过将当前组数据包的传输速率映射到实效曲线上最接近的点并根据此最接近的点的斜率和实效曲线最大斜率的比值计算出目标传输速率来根据所述当前组数据包的实际传输速率和所述实效曲线计算下一组数据包的目标传输速率；以及
为所述下一组数据包确定一控制策略，以实现该目标传输速率。
2.如权利要求1所述的通过网络传输媒体的方法，其中所述媒体为视频。
3.如权利要求2所述的通过网络传输媒体的方法，其中监测当前组数据包的实际传输速率包括通过接收器监测当前组数据包的传输速率。
4.如权利要求3所述的通过网络传输媒体的方法，其中把源媒体编码成若干数据包包括用可伸缩视频编码器将源视频编码成若干个可选择的层。
5.如权利要求4所述的通过网络传输媒体的方法，其中若干个可选择的层是按照不同图像帧率进行编排的若干帧所构成的。
6.如权利要求4所述的通过网络传输媒体的方法，其中若干个可选择的层是按照不同图像尺寸进行编排的层。
7.如权利要求4所述的通过网络传输媒体的方法，其中若干个可选择的层是不同图像帧率序列和不同图像尺寸序列组合的层。
8.如权利要求4所述的通过网络传输媒体的方法，其中把源视频编码成数据包包括把源视频编码成一系列的图片组，每组图片具有若干帧，而且每个图片组包括独立的I帧和附属的P帧。
9.如权利要求4至8中任何一项所述的通过网络传输媒体的方法，其中绘制视频的实效曲线包括对可选择的不同层，计算其相应的传输速率，并评估其相应的用户满意度。
10.如权利要求4-8任何一项所述的通过网络传输媒体的方法，其中为了得到下一组数据包的目标传输速率所确定的方案包括根据目标传输速率选择适当的层。
11.如权利要求2-8中任何一项所述的通过网络传输媒体的方法，进一步包括在该网络中为每个视频流绘制实效曲线。
12.一种控制系统，包括：
可将视频编码成若干可选择的层的视频编码器；
用来测量视频流当前组数据包的实际传输速率的网络测量模块；
从网络测量模块获得实际传输速率的速率分配模块，速率分配模块绘制反映不同可选择的层的视频流质量的实效曲线，速率分配模块通过将当前组数据包的传输速率映射到实效曲线上最接近的点并根据此最接近的点的斜率和实效曲线最大斜率的比值计算出目标传输速率来根据当前组数据包的实际传输速率和实效曲线计算下一组数据包的目标传输速率；以及
依据所述目标传输速率确定控制策略的优化模块。
13.如权利要求12所述的控制系统，其中速率分配模块包括供输入应用参数的用户接口。
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