CN1668109A - 具有多种转换功能的自适应视频转码网关 - Google Patents

具有多种转换功能的自适应视频转码网关 Download PDF

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本发明公开了一个具有多种转换功能的自适应转码网关，该网关包括解码器，由解码器对源视频信息进行部分解码；信道自动检测模块，在用户接入的时候自动检测连接信道的状况；客户端配置查询模块，通过转码网络和端设备一个简单的通讯协议查询端设备的状态；控制模块，包括接受自动检测模块检测出的网络信道信息和客户端配置查询模块查询出的端设备信息，对这些信息进行分析和仲裁，并转化为转码器需要的输入转码参数；视频转码器，可以对源视频做多种方式的转码处理。本发明可以用于多种设备和网络的接入，适用范围广。

Description

具有多种转换功能的自适应视频转码网关
技术领域
本发明涉及视频信息转码技术，具体地，涉及一种能适合在异构网络环境下，根据不同的网络带宽和信道误码率以及端设备的视频信息处理和显示能力，把源视频自适应的转化为适合传输和显示的视频流，以适应较窄的传输信道和处理、显示能力较弱的端设备的接入的具有多种转换功能的自适应视频转码网关。
背景技术
由于目前各种多媒体视音频编码格式的差异以及多媒体通讯网络由不同的网络结构、协议组成，因此在很多情况下都需要一种能够跨越异构网络之间的多媒体通讯方式。
比如，在视频点播(VOD-Video On Demand)***中，视频发布服务器中的是视频质量比较高的源视频，有较高的速率、帧率和分辨率，出口网络带宽较大。如果接入方的可用网络信道带宽比较小，接受方根本没有足够的带宽来接受源视频流，这就需要在尽量维持源视频质量的情况下减少视频流码率。另一方面，随着现在手持设备和无线网络的迅速发展，越来越多的手持设备可以接入到该***中。而无线网络的低带宽和较高的误码率以及手持设备的处理器能力和显示器的分辨率都远不及PC，因此我们除了要降低视频流码率外，还要降低视频的空间分辨率，以适合在手持设备播放。这些实际的应用都要求对视频信息的进行转码处理。
视频转码就是把当前的压缩视频信号转换到另外的一种视频压缩方式，转换后的视频可能和以前的视频有不同的速率、帧率、帧大小甚至是压缩标准、方式都可以不一样。视频转码和普通的源视频编码器有一定的相似，他可以根据不同的传输信道的特征、带宽，通过调整一系列参数(包括视频质量、帧率、分辨率等)来自动对视频数据进行动态的调制和转换。
在诸如VOD这类视频应用***中，一般允许多种条件不同的网络接入，同时请求视频数据，但由于预先编码的源视频具有较高视频质量和高的比特率，而客户端能接受的视频流通常因为传输信道的限制或端设备的处理能力而不能保证高的视频质量。
发明内容
为了解决多种不同的通讯网络和端设备都可以接入并接受到合适的视频信息，需要根据不同的传输信道的条件以及端设备的处理、显示能力对源视频信息进行适当的转化，本发明提出一种能适合在异构网络环境下，根据不同的网络带宽和信道误码率以及端设备的视频信息处理和显示能力，把源视频自适应的转化为适合传输和显示的视频流，以适应较窄的传输信道和处理、显示能力较弱的端设备的接入的具有多种转换功能的自适应视频转码网关。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有多种转换功能的自适应视频转码网关，包括：
解码器，由解码器对源视频信息进行部分解码，即仅仅解码到DCT域；
信道自动检测模块，在用户接入的时候自动检测连接信道的状况，包括有效信道带宽、信道误码率，在实际的传输过程中实时的检测信道的参数变化，调整转码参数；每10秒钟对网络信道进行一次监测，并通知控制模块重新计算转码参数；
客户端配置查询模块，通过转码网络和端设备一个简单的通讯协议查询端设备的状态，和客户端建立连接的时候通过简单查询协议获取端设备信息，包括端设备处理性能、显示分辨率；
控制模块，包括接受自动检测模块检测出的网络信道信息和客户端配置查询模块查询出的端设备信息，对这些信息进行分析和仲裁，并转化为转码器需要的输入转码参数；控制模块负责选择视频转码器的转码策略并实时的改变转码策略中的参数设置；
视频转码器，可以对源视频做多种方式的转码处理，包括视频编码类型的转变、帧分辨率的转变、帧率的转变、视频流码率的转变以及对视频流进行增强错误恢复机制。
视频转码器根据控制模块计算出来的参数来决定采用的转码方案，然后调用不同的模块进行变换和处理，这些处理主要包括：
1.视频帧的大小转换：根据连接端的用户配置来改变视频帧的大小，例如：绝大多数的手持设备只能显示比较小的视频窗口(QCIF，176x144 pixel)，如果预先就已经编码好的视频的尺寸大于端设备所能显示的视频大小，就需要转码成帧尺寸较小的视频格式。
2.视频码率的自适应：根据连接信道的带宽限制来改变视频的码率。对于画面质量高的视频需要转换为低码率的视频来满足低带宽的信道。
3.视频帧速率转换：例如：大多数的手持设备只能以比较低的帧率来播放视频(5fps、10fps)，而对于那些高质量的视频(30fps)，就需要进行转码以降低帧率。
3.错误恢复：对于误码率比较高的信道，应该在视频流中加入更多的错误恢复机制，来降低误码率。
4.编码方式转化：改变视频的编码标准，例如：从MPEG-2到H.263的转换。
对于转码器中的编码方式转化的处理，通过编码选择器来选择需要编码的最终格式。这里的视频都是基于宏块编码和DCT变换编码技术的视频格式，即是MPEG系列或H.26X系列的视频格式。
本发明的有益效果主要表现在：
1、有效的保证接入方获得的视频质量。在不通过转码网关的情况下，处理能力较弱的端设备和较窄的信道带宽使得视频传输和播放速度很慢，甚至几乎无法看到完整的图像信息；在无线接入的手持设备上，由于无线通讯的信道误码率较高，如果视频流信息中没有加入更多的错误恢复信息，导致接受的数据错误太多，以致无法进行解码或是解码中信息丢失严重，导致严重画面的马赛克效应。而采用转码处理后的视频信息能更合适的在目标网络上传输，并保持较好的视频质量。
2、不同的网络和设备的自适应性。该转码网关可以在用户请求连接的时候自动、实时的对网络信道进行监测，检测连接信道和设备的各种参数，从而进行合理的判断和选择转码方式。在转码和传输同时，实时的监控信道的状态变换，调整转码参数。
3、该转码网关的多功能的核心转码器更有利于网络带宽较低、信道误码率较高的无线网络端接入、支持处理能力和显示分辨率较低的手持设备的接入。
4、整个转码网关***的构架是分模块设计的，做到模块内的高内聚和模块间的低耦合性，各个模块功能分工相对独立。***中可以方便的加载和去除某些功能模块，具有高度的可配置性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明所述的控制模块的结构示意图；
图3是本发明所述的控制模块的操作流程示意图；
图4是本发明的线程结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参考附图1，具有多种转码功能的自适应转码网关***结构，采用下面步骤：
如果控制模块(2)检测到源视频信息本身已经适合在目标网络上传输，则不需要对视频信息做任何处理，视频转码器(5)不工作，视频直接发送到传输信道中；
源视频中的视频流首先通过解码器(1)，这里的解码器针对基于宏块和DCT变换编码的视频流，做DCT域上的解码，即仅仅通过可变长解码VLD和反量化处理。经过部分解码的码流进入到视频转码器(5)的核心部分；
用于实时检测传输网络状况的信道自动检测模块(3)，所述的信道自动检测模块的检测对象为与服务器建立连接的客户端的网络状况。该模块每隔10秒钟检测一次信道状况，并将获取的参数值传给控制模块(2)；
用于检测和服务器建立连接的客户端的设备情况的客户端配置查询模块(4)，所述的客户端配置查询模块在连接建立的时候通过一个简单的通讯协议查询客户端的配置情况，查询消息的通讯格式如下：
<message>
   <target>
      ip_address
   </target>
   <query_tag>
   </query_tag>
   <query_result>
      <cpu_speed>
        …
  </cpu_speed>
     <resolution>
     …
     </resolution>
     <media_type>
     …
     </media_type>
  </query_result>
</message>
用于视频码流转化的视频转码器(5)模块，所述的视频转码器(5)的核心部分由五个具体的转码模块组成，在该软件模块中，五个开关的开合由控制模块(2)来控制。这五个功能模块分别为帧尺寸转化(6)、比特率转化(7)、帧速率转化(8)、误码恢复(9)、编码类型转化(10)。
参考附图2，控制模块(2)是本发明的一个实现结构。所述的控制模块由一个参数计算主线程(12)和参数监听线程(11)构成。参数监听线程是一个后台线程，它时刻监听由信道自动检测模块发来的传输信道的状态变化参数，一旦接受到新的参数就去重新计算控制系数。这里的信道状态信息有两个方面：可用带宽和信道误码率；端设备状态信息有三个方面：CPU处理能力，显示分辨率和可解码的格式。这些参数有些是互相影响的，如：在降低视频分辨率或视频帧率的同时视频的码率也随之降低；转换视频的编码格式(MPEG-2到MPEG-4)也会使码率降低等。因此参数计算函数在计算的时候按照各个参数之间的影响进行加权计算，根据计算结果选择合适的转码策略，具体操作见参考附图4的计算流程。
参考附图3，控制模块首先检查是不是需要进行编码类型转换，如果需要，就直接打开开关(17)，进行编码类型转变；如果不需要进行类型转换，则分别对参数误码率、显示分辨率、处理能力、信道带宽进行计算。函数(31)cal_error_rate([in]error_rate，[in]bandwidth)根据信道带宽和误码率计算要不要在视频流重编码的时候增加更多的错误恢复信息；函数(32)cal_resolution([in]resolution，[in]bandwidth)计算降低分辨率后的码率，判断是否能满足带宽要求，函数(33)cal_frame_rate([in]cpu_speed，[in]resolution，[in]bandwidth)根据设备的处理能力计算在当前的分辨率下每秒能够处理的视频帧数，并判断降低视频帧率的操作能否满足带宽要求；函数(34)cal_video_bit_rate([in]source_video_rate，[in]bandwidth)根据当前信道的可用带宽和源视频码率计算在该网络带宽条件下合适的视频传输码率。这些计算的值按照相互之间的影响以及对最终视频的影响进行加权，加权系数是经过试验得出的经验系数，通常如果在端设备的显示分辨率比较低和处理能力比较弱的情况下，对函数cal_frame_rate和cal_resolution的计算结果权重在0.6～0.8之间，信道的误码率的权重根据函数cal_error_rate结果的高低来决定，误码率越高，权重越大。根据最终计算出来的结果，决定控制开关(18)(19)(20)(21)中那些打开，那些关闭。这些控制开关可以同时打开多个，例如在无线手持设备的接入情况下，通常要打开(18)或(19)以及(21)，进行帧尺寸或帧率转换的同时还需要在码流中加入额外的错误恢复信息。在确定了转码策略后，控制模块和信道检测模块通讯，获取当前的网络信道状况，并计算出适合该情况下转码器的最佳参数，控制转码器的输出最佳处理结果。
参考附图4，视频转码网关线程结构是本发明所述的视频转码网关的线程结构框架。所述的线程结构中会话线程(41)负责和发出请求的客户端建立连接；网络监测线程(43)负责实时的检测连接网络的参数变化；转码线程(42)负责进行视频的转码处理；控制线程(44)监听网络监测线程的获取参数的变化，并控制转码线程的参数；传输线程(45)负责将转码后的视频流发送给会话线程中建立连接的客户端。

Claims (8)

1、一种具有多种转换功能的自适应转码网关，包括：
解码器，由解码器对源视频信息进行部分解码；
信道自动检测模块，在用户接入的时候自动检测连接信道的状况；
客户端配置查询模块，通过转码网关和端设备之间的一个简单的通讯协议查询端设备的状态；
控制模块，包括接受自动检测模块检测出的网络信道信息和客户端配置查询模块查询出的端设备信息，对这些信息进行分析和仲裁，并转化为转码器需要的输入转码参数；
视频转码器，可以对源视频做多种方式的转码处理。
2、根据权利要求1所述的一种具有多种转换功能的自适应转码网关，其特征在于：所述的解码器仅仅解码到DCT域。
3、根据权利要求1所述的一种具有多种转换功能的自适应转码网关，其特征在于：所述的信道自动检测模块自动检测包括有效信道带宽、信道误码率，在实际的传输过程中实时的检测信道的参数变化，调整转码参数。
4、根据权利要求1或3所述的一种具有多种转换功能的自适应转码网关，其特征在于：所述的自动检测模块每10秒钟对网络信道进行一次监测，并通知控制模块重新计算转码参数。
5、根据权利要求1所述的一种具有多种转换功能的自适应转码网关，其特征在于：所述的客户端配置查询模块在和客户端建立连接的时候通过简单查询协议获取端设备信息，包括端设备处理性能、显示分辨率。
6、根据权利要求1所述的一种具有多种转换功能的自适应转码网关，其特征在于：所述的控制模块负责选择视频转码器的转码策略并实时的改变转码策略中的参数设置。
7、根据权利要求1所述的一种具有多种转换功能的自适应转码网关，其特征在于：所述的视频转码器的转码处理包括视频编码类型的转变、帧分辨率的转变、帧率的转变、视频流码率的转变以及对视频流进行增强错误恢复机制。
8、根据权利要求1所述的一种具有多种转换功能的自适应转码网关，其特征在于：所述的源视频都是基于宏块编码和DCT变换编码技术的视频格式，即是MPEG系列或H.26X系列的视频格式。
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