CN101009824A - 一种音/视频数据的网络传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种音/视频数据的网络传输方法，该方法采用实时帧转码技术，将拟传输的高码率音/视频数据以音/视频帧为单位独立编码压缩(即转码)、打包后送到接收端，接收端实时将接收到的数据包仍然以独立的音/视频帧为单位还原、编码(即转码)后组成音/视频流顺序播放或存储为音/视频文件。其在传输过程中重复执行取音/视频帧、发布端编码压缩、传输、接收、接收端编码、播放与存储等步骤，直到音/视频数据传输完毕。本发明能在有限带宽的网络环境下对任一高码率音/视频数据实时高速传输，并且既能在接收端实时播放音/视频内容，又能同时保存为所需要质量和格式的音/视频文件。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据传输方法，尤其涉及一种音/视频数据的网络传输方法。
背景技术
随着数字技术和网络技术的发展，人们对音/视频数据的网络传输需求也越来越高。音/视频数据的网络传输有着许多优势，广泛运用于电视广播、军事、通讯、远程办公、远程教学、互联网增值业务等领域。但同时由于音/视频文件的数据量往往很大，特别是高质量的音/视频文件，而网络带宽又是有限的，为实现其在网络上的传输，要么尽可能增大用于数据传输的网络带宽，要么改进音/视频数据压缩和数据传输技术。前者需要投入大量的网络设备成本，而且也不可能对所有网络进行改造，因此突破的重点在后者。
目前，公知的在网络上传输音/视频数据主要采用文件整体压缩后传输(上传/下载)和流媒体传输技术，两者都必须首先根据网络带宽和需要将拟传输的高码率(码率(BitRate)是指单位时间内流过的数据量，单位通常采用kb/s(千比特/秒)，码率越高，对画面的描述就越精细，就越接近于原始画面，画面质量越高，但同时传输数据量也更多)的音/视频文件编码压缩为低码率的音/视频文件或流媒体文件存储到数据发布端的存储设备中供传输使用，由于存在不同的网络环境，为了尽可能满足传输需要往往需要制作几套不同码率的文件，传输时网络带宽大选取码率较高的文件。这一方面需要占用存储空间；另外还需要时间用于音/视频数据的编码压缩；而且对于接收端获得的音/视频数据质量和格式也只能是固定的，不可能根据自己的需要另行选择其他码率和格式的音/视频数据。对于接收端，还可能要将低码率的音/视频数据编码为高码率或其他格式的音/视频数据，如广播电视等行业，以满足播放设备的需要，这又需要相应编码的时间，此时其从发布端的音/视频数据到接收端获得满足要求音/视频数据所需时间T＝Tfy+Tc+Tjb(式中Tfy为发布端音/视频数据编码压缩时间，Tjb为接收端音/视频数据编码时间，Tc为音/视频数据的网络传输时间；在同等网络带宽下，对于文件压缩传输其Tc取决于传输数据量，与音/视频时长无关，对于流媒体传输其Tc取决于音/视频时长、传输数据量为其二者所需时间的最大值)，这对于诸如新闻、广播电视、军事等领域有很强时效需求的行业是致命的。对于文件压缩传输，其在传输过程中无法观看传输的音/视频内容，只有全部接收保存完毕后才能观看和处理；流媒体传输是边接收边观看，接收端只能观看，不能同时在接收端对其进行保存和处理，这不利在广播电视、军事等领域使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能在有限带宽的网络环境下对任一高码率音/视频数据实时高速传输，并且既能在接收端实时播放音/视频内容，又能同时保存为所需要质量和格式的音/视频文件的音/视频数据网络传输方法。
本发明的技术方案是采用实时帧转码技术，将拟传输的高码率音/视频数据以音/视频帧为单位独立编码压缩(即转码)、打包(生成数据包)后送到接收端，接收端实时将接收到的数据包仍然以独立的音/视频帧为单位还原、编码(即转码)后组成音/视频流顺序播放或存储为音/视频文件。其在传输过程中重复执行取音/视频帧、发布端编码压缩、传输、接收、接收端编码、播放与存储等步骤，直到音/视频数据传输完毕。其中：
1)取音/视频帧：数据发布端的中央处理器从存储设备中将准备传输的高码率音/视频数据从首帧开始依次取出单帧音/视频数据，传输到数据发布端的编码器；
2)编码压缩：数据发布端的编码器将取出的单帧音/视频数据编码压缩为适合当前网络传输码率的音/视频数据，并由数据发布端的中央处理器将编码后的音/视频数据存入数据传输设备的网络数据传输缓存器中，准备传输；
3)传输：数据发送器依次将网络数据传输缓存器中的单帧音/视频数据生成指定大小的数据包，按网络通讯协议传送到数据接收端；
4)接收解码：数据接收器收到传送来的数据包，存入网络数据接收缓存器中；当缓存中接收到的数据包构成完整的一帧音/视频数据时，数据接收端的解码器将数据包解码为完整的单帧音/视频原始数据，送入数据处理缓存器或编码器；
5)播放/存储：数据接收端中央处理器依次从数据处理缓存器中取出单帧音/视频数据，逐帧组成音/视频流通过音/视频数据播放器进行播放；也可以通过文件生成装置将音/视频数据逐帧组成音/视频流文件合并在接收端存储设备中存储为音/视频文件。
其中步骤(4)后可以根据实际需要，进行编码，更改为不同的音/视频格式：编码器将单帧音/视频原始数据编码为用于播放或存储的指定格式单帧音/视频数据，依次存入接收端数据处理缓存器。该编码步骤能根据需要同时编码为不同的音/视频数据格式，用于播放、存储。
其中所述的音/视频源包括数据发布端存储设备中存储的音/视频数据、从视盘播放机中输出的音/视频数据、来自摄像设备的模拟视频/声音采集设备的模拟音频信号经A/D(模/数)转换的音/视频数据。
所述的取音/视频帧进一步包括：
1)查找并指向相应的音/视频数据帧：发布端的中央处理器从发布端的存储设备打开并分析对应的音/视频文件，从文件头部获取音/视频文件的索引信息。其包含了该音/视频数据的文件格式、文件长度、码率、帧数、每帧的数据起始位置与数据偏移量(即本帧数据量)等；根据索引将文件指针指向需要读取的视频帧/音频帧的数据起始位置，发布端的中央处理器通过它唯一地确定所要取的音/视频数据帧内容；
2)取本帧音/视频数据：发布端的中央处理器从当前的文件指针位置开始提取对应帧音/视频数据，直到该帧结束(根据文件头部索引中的帧数据偏移量信息确定本帧数据是否取完)；
3)判断该帧数据是否取完：如否，返回2)继续取本帧音/视频数据；如是，进入4)；
4)获得独立帧音/视频数据；
5)将独立帧音/视频数据送到发布端编码器；
6)指向下一帧数据，返回2)重复执行，直到所有音/视频数据帧数据提取完成。
来自视盘播放机中输出的音/视频数据、来自摄像设备的模拟视频/声音采集设备的模拟音频信号经A/D(模/数)转换的音/视频数据，发布端的中央处理器直接从中提取音/视频数据帧。
所述的发布端编码压缩过程为：使用公知的音/视频编码压缩技术，发布端编码器对获得的独立帧音/视频数据按照人为设定或系统设定的控制信息(如码率、编码压缩格式等)进行编码压缩，数据发布端的中央处理器将其存入传输设备的数据传输缓存器。
所述的传输步骤进一步包括：数据发送器从网络数据传输缓冲器中取出单帧低码率音/视频数据，并根据人为设定或系统设定的控制信息，比较该音/视频数据量与数据包容量，生成相应一个控制包、一个或多个数据包。控制包和数据包的生成方法是：如果本帧音/视频数据量≤数据包容量，则生成一个控制包和一个数据包用于传输；如果本帧音/视频＞数据包容量则生成一个控制包，数据包的数量为(本帧数据量/数据包容量+1)取整，通过依次将音/视频数据按数据包容量生成数据包，对最后一个数据包由剩余的数据生成(该数据量≤数据包容量)；控制包中包含本帧的数据量信息、组成本帧的数据包数量及大小。数据发送器将其通过网络传输设备按照网络通讯协议向接收端发布。以此反复执行。
所述的接收过程为：数据接收器根据网络通讯协议接收发送过来的控制包和数据包，并将其放入网络数据接收缓存器，数据接收端中央处理器提取控制包信息，检测数据包的接收情况，当检测到已经将本帧音/视频数据包接收完毕时，数据接收端中央处理器从网络数据接收缓存器中取出本帧的全部数据包，解码为完整单帧音/视频数据送入编码器。如此反复执行。
所述的编码过程为：使用公知的音/视频编码技术，编码器将收到的单帧音/视频数据按人为设定或系统设定的控制信息编码为相应码率和格式的单帧音/视频数据，控制信息包括音/视频码率、编码格式和标准等，编码后的单帧音/视频数据被接收端中央处理器存入数据处理缓存器。此过程重复执行。
所述的播放过程为：接收端中央处理器从音/视频数据处理缓冲器中依次取出独立帧的音/视频数据，按音/视频数据编码格式对应的技术标准逐帧生成音/视频流在接收端通过音/视频数据播放器播放。
所述的存储过程为：接收端中央处理器在接收端存储设备中建立拟存储音/视频文件，并根据独立帧音/视频数据的编码格式，采用对应的编码技术标准建立一个音/视频序列帧索引。接收端中央处理器从数据处理缓冲器中依次取出独立帧的音/视频数据，通过文件生成装置按音/视频数据编码格式对应的技术标准修改序列帧索引中的帧信息，将本帧音/视频依次存储到所建立的文件，形成音/视频流文件。
本发明的有益效果在于：
1)由于采用实时帧转码技术，将传输过程中的编码、传输、接收、编码、播放与存储过程同时完成，在网络带宽允许的条件下以最短的时间完成传输，省时高效，实现了实时传输；其从发布端的音/视频数据到接收端获得满足要求音/视频数据所需时间T＝Tc(在音/视频数据传输时，分别在发布端和接收端同时完成，由于网络带宽有限Tc≥Tfy和Tjb，Tc取决于传输的数据量)；
2)结合了文件下载和流媒体传输两者的优势，传输数据量小，即可同步播放又可以实时保存；
3)音/视频数据在传输时是以帧为文件单位进行传输，即使传输中出现错误也只需对该帧数据重传，而不需要对整个音/视频数据全部重传；
4)数据发布端只需保存一个高码率的音/视频文件，传输时接收端根据自己的需要和网络状况选择相应码率的实时编码传输，即节省了发布端的存储资源，又满足了数据接收端的不同需要；
5)数据接收端在接收过程中，可以将接收的音/视频数据根据自己的需要编码为相应码率和格式的音/视频流予以播放和保存，并且能同时保存为几种不同格式和码率的音/视频文件。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2本发明的工作流程图。
图3取音/视频帧流程图。
图4数据传输流程图。
图5数据接收流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述：
参照图1所示的本发明的系统框图，音/视频数据的网络传输系统包括发布端CPU102、发布端编码 103、数据传输设备104、数据接收设备108、编码器112、数据处理缓存器113、接收端CPU114、接收端存储设备115、音/视频数据播放器116、文件生成装置117，其中数据传输设备104包括网络数据传输缓存器105、数据发送器106；数据接收设备包括数据接收器109、网络数据接收缓存器110、解码器111。
再参照图2所示的本发明流程图，在传输过程中重复执行取音/视频帧、发布端编码压缩(即转码)、传输、接收、接收端编码(即转码)、播放与存储等步骤，直到音/视频数据传输完毕。其中：
1)步骤201，取音/视频帧：数据发布端的CPU102从音/视频源101中将准备传输的高码率音/视频数据从首帧开始依次取出单帧音/视频数据，送到数据发布端编码器103；该音/视频数据可以是任何基带音/视频序列，包括MPEG1、MPEG2、MPEG4、DV、WMV9的视频和PCM、MP2、MP3、WMA音频。转入步骤202。
2)步骤202，编码压缩：数据发布端编码器103将取出的单帧音/视频数据编码压缩为适合网络107传输码率音/视频数据，并由数据发布端CPU102将编码后的音/视频数据存入数据传输设备104的网络数据传输缓存器105中，准备传输；该编码器包括MPEG1、MPEG2、MPEG4、DV、WMV9的视频和PCM、MP2、MP3、WMA音频编码压缩功能；转入步骤203。
3)步骤203，传输：数据发送器106依次将网络数据传输缓存器105中的单帧低码率音/视频数据生成指定大小的数据包，按网络通讯协议传送到数据接收设备108；所述的通讯协议采用TCP/UDP协议对数据传输通讯进行控制。转入步骤204。
4)步骤204，接收解码：数据接收器109收到传送来的数据包，存入网络数据接收缓存器110中；当缓存中接收到的数据包构成完整的一帧音/视频数据时，数据接收设备108的解码器111将数据包解码为完整的单帧音/视频原始数据，送入编码器112；根据需要可设置转入步骤205，或转入步骤206、步骤207。
5)步骤205，编码：编码器112将单帧音/视频原始数据解码为音/视频基带数据后，可同时编码为多种不同格式的单帧音/视频数据，依次存入接收端的数据处理缓存器113；该编码可以实现包括MPEG1、MPEG2、MPEG4、DV、WMV9的视频和PCM、MP2、MP3、WMA音频在内的编码。
6)步骤206，播放：接收端CPU114依次从视频数据处理缓存器113中取出单帧音/视频数据逐帧组成音/视频流进行播放。
7)步骤207，存储：通过文件生成装置117将从视频数据处理缓存器113中取出单帧音/视频数据逐帧组成音/视频流文件并在接收端存储设备115中存储为音/视频文件。
所述的音/视频源101包括数据发布端存储设备中存储的音/视频数据、从视盘播放机中输出的音/视频数据、来自摄像设备输出的模拟视频信号、声音采集设备的模拟音频信号及其他模拟音/视频播放设备输出的模拟音/视频经A/D(模/数)转换器进行A/D转换的音/视频数据。
在图3所示的取音/视频帧201过程为：
1)查找并指向相应的音/视频数据帧301：音/视频源为发布端的存储设备时，发布端的CPU102从音/视频源101打开并分析对应的音/视频文件，从文件头部获取音/视频文件的索引信息。其包含了该音/视频数据的文件格式、文件长度、码率、帧数、每帧的数据起始位置与数据偏移量(即本帧数据量)等；根据索引将文件指针指向需要读取的视频帧/音频帧的数据起始位置，发布端的CPU102通过它唯一地确定所要取的音/视频数据帧内容。
2)取本帧音/视频数据302：发布端的CPU102从当前的文件指针位置开始提取对应帧音/视频数据，直到该帧结束(根据文件头部索引中的帧数据偏移量信息确定本帧数据是否取完)；
3)判断该帧数据是否取完303，如否，返回302继续取本帧音/视频数据；如是，进入步骤304。
4)获得独立帧音/视频数据304；
5)将独立帧音/视频数据送到发布端编码器305；
6)指向下一帧数据，返回2)重复执行，直到所有音/视频数据帧数据提取完成。
来自视盘播放机中输出的音/视频数据、来自摄像设备的模拟视频/声音采集设备的模拟音频信号经A/D(模/数)转换的音/视频数据，发布端的中央处理器直接从中提取音/视频数据帧；
发布端编码压缩202过程中采用包括MPEG1、MPEG2、MPEG4、DV、WMV9的视频和PCM、MP2、MP3、WMA音频编码压缩：发布端编码器103对获得的独立帧音/视频数据按照人为设定或系统设定的控制信息进行编码压缩，控制信息选取与网络带宽相适应、能满足需要质量的音/视频码率和格式，生成相应码率的单帧音/视频，数据发布端CPU102将其存入数据传输设备104的网络数据传输缓存器105。
根据图4所示的传输过程为：数据发送器106从网络数据传输缓冲器中取出单帧低码率音/视频数据401，并根据人为设定或系统设定的控制信息，该控制信息根据网络带宽和网络质量设定数据包大小等信息。然后进入步骤402，数据发送器106判断本帧音/视频数据量是否≤数据包容量，如是，进入步骤403生成一个控制包和一个数据包用于传输，如否，则进入步骤404生成一个控制包和多个控制包，数据包的数量为(本帧数据量/数据包容量+1)取整，通过依次将音/视频数据按数据包容量生成数据包，对最后一个数据包有剩余的数据生成(该数据量≤数据包容量)；控制包中包含本帧的数据量信息、组成本帧的数据包数量及大小。然后进入步骤405数据发送器106将控制包、数据包通过网络107按照网络通讯协议向接收设备108发布。然后返回步骤401，如此反复执行。
根据图5所示的数据接收过程中：步骤501数据接收器109根据网络通讯协议接收发送过来的控制包和数据包，并进入步骤502，将其放入网络数据接收缓存器110，再进入步骤503，数据接收端CPU114提取控制包信息，检测数据包的接收情况，进入步骤504，判断本帧数据包是否接收完毕，如否，返回步骤503；如是，进入步骤505，接收端CPU114从网络数据接收缓存器110中取出本帧的全部数据包，解码为完整单帧音/视频数据，然后进入步骤506，将独立帧音/视频数据送入编码器112。然后开始处理下一帧，返回步骤503，如此反复执行。
所述的编码205过程为：编码器112将收到的单帧音/视频数据按人为设定或系统设定的控制信息编码为相应码率和格式的单帧音/视频数据，控制信息包括音/视频码率、编码格式和标准等，编码后的单帧音/视频数据被接收端CPU114存入数据处理缓存器113。此过程重复执行。
所述的播放过程为：接收端CPU114从数据处理缓冲器113中依次取出独立帧的音/视频数据，按音/视频数据编码格式对应的技术标准逐帧生成音/视频流在接收端的音/视频数据播放器116上播放。
所述的存储过程为：接收端CPU114在接收端存储设备115中建立拟存储音/视频文件，并根据独立帧音/视频数据的编码格式，采用对于的编码技术标准建立一个音/视频序列帧索引。接收端CPU114从数据处理缓冲器110中依次取出独立帧的音/视频数据，通过文件生成装置117按音/视频数据编码格式对应的技术标准修改序列帧索引中的帧信息，将本帧音/视频依次存储到所建立的文件，形成音/视频流文件。
通过该编码步骤可以实现播放和存储的音/视频数据格式不相同，也可同时编码存储为几种不同格式的音/视频文件。
Claims (7)
1.一种音/视频数据的网络传输方法，该方法包括下列步骤：
(1)取音/视频帧：数据发布端的中央处理器从音/视频源中将准备传输的高码率音/视频数据从首帧开始依次取出单帧音/视频数据，送到数据发布端的编码器；
(2)编码压缩：数据发布端的编码器将取出的单帧音/视频数据编码压缩为适合当前网络传输码率的音/视频数据，并由数据发布端的CPU将编码后的音/视频数据存入数据传输设备的网络数据传输缓存器中；
(3)传输：数据发送器依次将网络数据传输缓存器中的单帧音/视频数据生成指定大小的数据包，按网络通讯协议传送到数据接收端；
(4)接收解码：数据接收器收到传送来的数据包，存入网络数据接收缓存器中；当缓存中接收到的数据包构成完整的一帧音/视频数据时，数据接收端的解码器将数据包解码为完整的单帧音/视频原始数据，送入数据处理缓存器或编码器；
(5)播放/存储：数据接收端中央处理器依次从数据处理缓存器中取出单帧音/视频数据，逐帧组成音/视频流通过音/视频数据播放器进行播放；同时通过文件生成装置将音/视频数据逐帧组成音/视频流文件并在接收端存储设备中存储为音/视频文件；
直到音/视频数据传输接收完毕。
2.一种音/视频数据的网络传输方法，该方法包括下列步骤：
(1)取音/视频帧：数据发布端的中央处理器从音/视频源中将准备传输的高码率音/视频数据从首帧开始依次取出单帧音/视频数据，送到数据发布端的编码器；
(2)编码压缩：数据发布端的编码器将取出的单帧音/视频数据编码压缩为适合当前网络传输码率的音/视频数据，并由数据发布端的CPU将编码后的音/视频数据存入数据传输设备的网络数据传输缓存器中；
(3)传输：数据发送器依次将网络数据传输缓存器中的单帧音/视频数据生成指定大小的数据包，按网络通讯协议传送到数据接收端；
(4)接收解码：数据接收器收到传送来的数据包，存入网络数据接收缓存器中；当缓存中接收到的数据包构成完整的一帧音/视频数据时，数据接收端的解码器将数据包解码为完整的单帧音/视频原始数据，送入数据处理缓存器或编码器；
(5)播放/存储：数据接收端中央处理器依次从数据处理缓存器中取出单帧音/视频数据，逐帧组成音/视频流通过音/视频数据播放器进行播放；或通过文件生成装置将音/视频数据逐帧组成音/视频流文件并在接收端存储设备中存储为音/视频文件；
直到音/视频数据传输接收完毕。
3.如权利要求1或2所述的音/视频数据的网络传输方法，其特征是：在步骤(4)后进行编码：编码器将单帧音/视频原始数据分别编码为用于播放或存储的指定格式单帧音/视频数据，依次存入接收端数据处理缓存器。
4、如权利要求3所述的音/视频数据的网络传输方法，其特征是：所述的编码步骤能将音/视频数据同时编码为不同的格式进行播放和存储。
5、如权利要求1或2所述的音/视频数据的网络传输方法，其特征是：所述的音/视频源包括数据发布端存储设备中存储的音/视频数据、从视盘播放机中输出的音/视频数据、来自摄像设备的模拟视频/声音采集设备的模拟音频信号经模/数转换的音/视频数据。
6、如权利要求1或2所述的音/视频数据的网络传输方法，其特征是：所述传输步骤进一步包括：数据发送器从网络数据传输缓冲器中取出单帧音/视频数据，根据控制信息，比较该音/视频数据量与数据包容量，生成相应一个控制包、一个或多个数据包。
7、如权利要求6所述的音/视频数据的网络传输方法，其特征是：所述控制包和数据包的生成方法是：如果本帧音/视频数据量≤数据包容量，则生成一个控制包和一个数据包用于传输；如果本帧音/视频＞数据包容量则生成一个控制包，数据包的数量为：本帧数据量/数据包容量+1取整，通过依次将音/视频数据按数据包容量生成数据包，对最后一个数据包由剩余的数据生成；控制包中包含本帧的数据量信息、组成本帧的数据包数量及大小；数据发送器将其通过网络传输设备按照网络通讯协议向接收端发布。
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ding Wenhua Inventor after: Ouyang Ruizhang Inventor after: Yu Jun Inventor after: Wu Wenjie Inventor before: Ouyang Ruizhang Inventor before: Yu Jun Inventor before: Wu Wenjie |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: OUYANG RUIZHANG YU JUN WU WENJIE TO: DING WENHUA OUYANG RUIZHANG YU JUN WUWENJIE |